船舶推进概念

船舶推进概念1推进器：在船上需设有把能源（发动机）发出的功率转换为推船前进的功率的专门的装置或机构。1-2快速性：指船舶在给定主机功率情况下，在一定装载下（以一定的航速航行的能力）于水中航行的快慢问题。3对快速性的要求四方面：①船舶于航行时所遭受的阻力要小，即所谓的优良线型的选择问题②选择推力足够，且效率高的推进器③选取合适的主机④推进器与船体和主机之间协调一致。1-4推进器类型及特点：①螺旋桨：构造简单、价格低廉、使用方便、效率较高②风帆：可利用无代价的风力，但推力依赖于风向和风力，故船的速度和操纵性能都受到限制③明轮：机构笨重，在波涛中操纵性差且易损坏④直叶推进器：操纵性能好，效率较高，汹涌海面下，工作情况也较好，但机构复杂，造价昂贵，叶片易损坏⑤喷水推进器：具有良好的保护性，操纵性能好，但减少了船的有效载重，且推进效率低⑥水力锥形推进器：构造简单，设备轻便，常用于航行在浅水及阻塞航道中的船。1-5有效功率（推进器所产生的实际有效功率）时间内所消耗的功为Rv，而有效推力为有效功率PE。6推进系数PC：有效功率与主机功率之比，为多种效率相乘之综合名称，通常可以表示用某种机器及推进器以推进船舶之全面性能，推进系数越高，船舶的推进性能越好。1-7本课程主要研究：推进器在水中运动时产生推力的基本原理以及它的性能好坏（效率高低）等问题，然后解决如何根据实际的要求设计出一个性能优良的推进器问题。①②船-桨-机配合问题③螺旋桨设计。2-1螺旋桨各部分名称（通常由桨叶和桨毂构成）力，在桨毂后端加的整流罩，旋桨桨叶的一面为叶面，另一面为叶背桨正车旋转时桨叶边缘在前面者为导边，另一边为随边形轨迹⑧螺旋桨直径D：梢圆的直径转时，由船后向前看去所见到的旋转方向为顺时针者为右旋桨，反之为左旋桨。2-2螺距P：母线绕行一周在轴向前进的距离①②若母线为直线但不垂直于轴线，则形成斜螺旋面③2-3节线及螺旋线：将半径为线（矩形的对角线）为节线。母线上任意一固定点在运动过程中所形成的轨迹，或任意共轴圆柱面与螺旋面相交的交线为螺旋线。2-4螺距角e：节线与底边间的夹角，2-5螺旋桨的螺距：①等螺距螺旋桨旋桨叶面各半径处的面螺距不等）2-6螺距比P/D：面螺距P2-7桨叶的切面（叶切面或叶剖面）较高，但空泡性能较差②弓形切面：空泡性能较好，但效率较低③2-8内弦：连接切面导边与随边的直线；外弦。对于系列图谱螺旋桨，外弦为弦线；理论设计螺旋桨：内弦为弦线。弦长为b。9叶厚：切面厚度以垂直于所取弦线方向与切面上下面交点的距离来表示，其最大厚度2-10叶厚比（切面的相对厚度）2-11拱线、拱度及拱度比：的拱度，以fM表示°fM与弦长2-12桨叶（叶面或辐射）参考线：2-13纵斜角£：若为斜螺旋面，参考线与轴线的垂线成的夹角。度（纵斜螺旋桨一般向后倾斜，可增大桨叶与尾框架或船体间的间隙，以减小螺旋桨诱导的船体振动。Te在单位时间内所作的功为与桨毂形成一光顺流线型体④叶根：⑨螺旋桨的盘面积R的圆柱面展成平面，则为一底边长tane=P/2nR（r102〉e3）:螺旋桨上任意半径处的面螺距07R或075R处的面螺距代表螺旋桨的螺距，b之比，f=fM/b。Tev，两者数值相等，故推进器（效率、空泡、强度、振动）由船尾后面向前看时所见到的螺桨叶的外端⑩右（左）旋桨：2nR高为P月牙形切面。zR：参考线线段在轴线上的投影长R，则阻力R在单位Tev（或Rv）②毂帽：为减小水阻⑥导边及随边：螺旋当螺旋桨正车旋②变螺距螺旋桨（螺P07R或P075R。①机翼形切面：效率t为叶厚。螺旋桨与尾轴连接部分⑤叶梢：螺旋桨旋转时（设无前后运动）叶梢的圆的矩形，螺旋线变为的斜,。与直径棱形切面④6=t/b。切面的中线或平均线称为拱线（中线）。拱线到内弦线的最大垂直距离为切面纵斜但纵斜不宜过大，会因离心力而增加叶根处的弯曲应力，对桨叶强度不利）。14投影轮廓：桨叶在垂直于桨轴的平面上的投影为正投影，其外形轮廓为投影轮廓。投影轮廓对称与参考线的为对称叶形，反之为不对称叶形。投射面积AP：螺旋桨所有桨叶投影轮廓包含面积的总和。2-15伸张轮廓：将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，并光顺连接端点所得之轮廓。伸张面积AE：螺旋桨各叶伸张轮廓所包含的面积的总和。16展开轮廓：将桨叶叶面近似展放在平面上所得的轮廓。展开面积AD：各桨叶展开轮廓所包含面积的总和。2-17三种面比：①投射面比：投射面积AP与盘面积Ao之比②伸张面比：伸张面积AE与盘面积Ao之比③展开面比：展开面积AD与盘面积Ao之比（伸张面积和展开面积极为接近，均为叶面积，伸张面比和展开面比均称盘面比2-18侧斜某S及侧斜角的侧斜方向一般与螺旋桨的转向相反，合理选择侧斜可明显减缓旋桨诱导的船体振动）2-19叶根厚度：与桨毂相连处的切面最大厚度。2-20叶厚分数：叶面参考线与最大厚度线的延长线在轴线上的交点的距离2-21桨毂直径（毂径）2-22毂径比：毂径2-23桨叶的平均宽度2-24正（斜）螺旋面：为斜。2-25侧投影：桨叶与平行于包含轴线和叶面参考线的平面上的投影。的投影。26最大厚度线：切面最大厚度沿径向的分布情况，不表示最大厚度沿切面弦向的位置。2-27螺旋桨参数的选择：其他条件一定时，叶数越多振动越小）两方面。直径张面积比），投射面积比，展开面积比，纵斜3-1推进器理论（研究螺旋桨的方法）可通过水的动量变更率来计算推力，包括①原体所受的力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩与水之速度变更关系，包括①3-2诱导速度：推进器拨水向后来产生推力，而水流受到推进器的作用获得与推力方向相反的附加速度，即诱导速度。3理想推进器假设：动盘（具有吸收外来功率并推水向后的功能）②流体。根据以上假定得到的推进器理论为理想推进器理论（可用于螺旋桨、明轮、喷水推进器等，差别在于推进器区域内的水流断面的取法不同）4理想推进器效率3-5推进器的载荷系数载荷系数，对螺旋桨来说需增大直径3-6理想螺旋桨理论：导速度，其方向与螺旋桨旋转方向相同，两者合成作用表现为水流经过螺旋桨盘面后有扭转现象。3-7理想螺旋桨效率器效率）niA与理想螺旋桨的周向诱导效率（只有在各半径出的es：不对称桨叶的叶梢与参考线间的距离为侧斜：叶面参考线与桨毂表面相交处至轴线距离的两倍，以d与螺旋桨直径bm：表示桨叶的宽窄，侧视图上，参考线与轴线垂直的螺旋桨叶面为正。若参考线与轴线的垂线成角度从效率（增加升力线理论②①推进器为一轴向尺度趋近于零、水可自由通过的盘，此盘可以拨水向后，称为鼓niA:有效功率和消耗功率之比°ZT：ZT越小效率越高。在推力在理想流体中工作的具有无限叶数的螺旋桨，除产生轴向诱导速度外还产生周向诱ni=niAniT：dr圆环对应的D之比。bm=AE/Z（R-d/2）,Z为叶数。或平均宽度比，t表示该半径处叶切面的最大厚度，D提高效率，在其他条件一定时，叶数越少效率越高）D,叶数Z，毂径比zR，纵斜角£，侧斜某S：㈠动量理论：螺旋桨的推力乃因其工作时水产生动量变化所致，理想推进器理论②理想螺旋桨理论㈢螺旋桨环流理论：升力面理论③面元法。水流速度和压力在盘面上均匀分布③。Ti和速度VA一定的条件下，增大盘面积D，从而提高效率。niT之积。由于实际螺旋桨后的尾流旋转，故理想螺旋桨效率^1都相等时，ni才是整个理想螺旋桨效率）总是小于理想推进器效率某S，相应角度为侧斜角t0与直径ddh/D，螺距比6㈡叶元体理论：应用机翼理论解释叶原体的受力eso（桨叶。D之比。bm/D。它仅表示不同半径处、振动（在P/D，盘面比（伸研究每一叶水为不可压缩的理想Ao来减小（理想推进ni或叶面比。盘面比大小表示桨叶的宽窄，相同叶数下，盘面比越大，桨叶越宽）。来表示。正投影：桨叶在垂直于桨轴平面上该线与参考线之间的轴向距离，叶厚比。所做的有用功与吸收功率的比值，理想螺旋桨的轴向诱导效率niA。8螺旋桨操作时周围水流情况：轴向诱导速度自桨盘远前方的零值起逐渐增加，至桨盘远后方处达到最大值，而在盘面处的轴向诱导速度等于远后方处的一半。周向诱导速度在桨盘前并不存在，而在桨盘后立即达到最大值，桨盘处的周向诱导速度是后方的一半。3-9速度多角形：①盘面半径r处：远前方，盘面处及远后方的水流速度（相对于半径r处的圆环）②叶元体：叶元体固定不动，而水流以轴向速度VA和周向速度2nnr流向桨叶切面，轴向诱导速度ua/2与迎流水面的轴向速度VA相同，周向诱导速度ut/2与周向速度2nnr相反。（螺旋桨本身前进速度VA及旋转速度2nnr，轴向诱导速度与螺旋桨前进方向相反，周向诱导速度与螺旋桨旋转方向相同）。3-10速度多角形中的名称：。为叶元体的倾斜角即螺距角，B为进角，Bi为水动力螺距角，VR为相对来流的合成速度。可知，水流以速度VR，攻角aK流向桨叶切面。3-11附着涡：对于二因次机翼，可用环量为r的一根无限长的涡线来代替机翼，这根涡线为附着涡。3-12叶元体效率nor二niAniTne：ns叶元体结构效率，影响因素：轴向诱导速度，周向诱导速度（速度越大，效率越低），推力负荷系数（推力增加效率降低），桨盘上的半径即盘面积（盘面积增加，效率增高）元体的阻升比和水动力螺旋角（阻升比越小，效率越高）。3-13螺旋桨的水动力性能：一定几何形体的螺旋桨在水中运动时所产生的推力、消耗的转矩和效率与其运动（进速VA和转速n）间的关系。3-14进程hp：hp二VA/n。滑脱（P-hp）其大小表示桨叶剖面（叶元体）=（P-hp）/P=1-VA/Pn。进速系数J：J=hp/D=VA/nD=P（1-）/Do3-15滑脱比对螺旋桨性能的影响：在螺距一定的情况下，若不考虑诱导速度，的大小，大（J小）则攻角大，若转速一定，则螺旋桨的推力和转矩亦大。3-16进速系数J对螺旋桨性能的影响：㈠当J=0,进速为零，即螺旋桨只旋转不前进（船舶系柱情况）升力与推力重合，各叶元体具有最大攻角，推力和转矩都达到最大值㈡当转速不变，随着进速的增加，增加，攻角减小，推力和转矩相应减小。当J增加到某一数值时，螺旋桨发出的推力为零，其实质乃水流以某一负几何攻角与叶元体相遇，此时叶元体上的升力dL及阻力故叶元体的推力为零，此时叶元体仍遭受旋转阻力。螺旋桨再不发生推力时旋转一周所前进的距离为推力进程P1（实效螺距）㈢若J再增至某一值，螺旋桨不遭受旋转阻力，其实质乃升力周向的分力大小相等方向相反，故旋转阻力为零，此时螺旋桨产生负推力。螺旋桨再不遭受旋转阻力时旋转一周所前进的距离为无转矩进程P2（无转矩螺距）。17实效滑脱比1：P2>P1>P，船舶航行时，螺旋桨必须产生向前的推力来克服船阻力，故螺旋桨实际操作时转一周前进的距离hp小于实效螺距P1。实效滑脱（P1-hp），实效滑脱比3-18螺旋桨敞水效率n0：n0二KTJ/KQ2n。2敞水试验的目的及作用：①进行系列试验，绘制设计图谱②对性能的影响，为改善性能指出方向③校核和验证理论方法④配合自航试验，分析推进效率成分，比较方案优劣，选择最佳螺旋桨。，叶即负荷的大小，滑脱比：则的大小标志着攻角a'K，JdD在轴向的分力大小相等方向相反，无dL及阻力dD在1=（P1-hp）/P1=1-VA/P1n。KT、转矩系数KQ及效率n0仅与又因讨论的是孤立螺旋桨（未的攻角大小，根据系列试验结果分析螺旋桨的几何要素4-3螺旋桨的相似定律（几何相似，运动相似，动力相似）：㈠理论上：①进速系数VA/nD:运动相似的基本条件，该数相同，则螺旋桨及其模型在各对应点处的流体质点的速度具有相同方向，且比值为常数，即对应点处的流体质点的行迹相似②雷诺数nD2/v:粘性力相似的条件，该数相同，则两者粘性力系数相等③弗如德数n2D2/gD（n2n2D2/gD）:重力相似的条件，与螺旋桨运转时的水面兴波情况有关，即螺旋桨在水面下的沉没深度。当沉没深度h>0.625D时，兴波的影响不计，故弗如德数不予考虑。㈡试验时：模型与实桨几何相似，模型试验时如要求满足进速系数和雷诺数同时相等的条件，则桨模的转速和进速都将过高而难以实现，推力过大无法测量。因此敞水试验时，通常只满足进速系数J相等，对于雷诺数则仅要求超过临界雷诺数值Rec，即Re>Rec的条件下，KT=f1（J）；KQ=f2（J）；n0=f3（J）o4-4尺度效应（尺度作用）：桨模和实桨因雷诺数不同而引起两者水动力性能的差异（敞水试验时，螺旋桨的进速系数和雷诺数不能同时相等，只能使雷诺数大于某一临界值，这样桨模和实桨的雷诺数不相等，由此引起的性能差异称为尺度效应）。在实用上，仅适用于桨模和实桨均在超临界区时因雷诺数不同之影响。雷诺数对升力系数CL影响不大，即CLm^CL。对阻力系数两者之差^CD=CDm-CD即为实物模型间的尺度作用。可知，尺度作用对推力影响较小，对扭矩影响较大。因此同一J时KTm<KT，KQm>KQ，n0m5临界雷诺数：保证模型界层中达到紊流状态的最低雷诺数。雷诺数足够大时，界层中的流动才能达到紊流状态，若雷诺数过低，则桨叶大部分处于层流区或变流区，故桨叶切面上的流动状态与实桨不同，试验数据无法修正而用于实桨，结果将无实用价值。4-6模型试验结果的尺度修正方法：①不修正：桨模光滑，抵消了尺度作用②公式对KQ进行修正③ITTC1978年推荐方法。4-7试验需测数据：欲知螺旋桨的水动力性能，需测出桨模在试验中的转速4-8敞水试验方法（的不同的J值）：①保持桨模的转速不变，以不同进速进行试验（拖曳水池）②模的进速不变，以不同转速进行试验（空泡水筒），该方法转速不能无限加大，得到“系柱”时的情况。9敞水试验的主要测量仪器：螺旋桨动力仪，分为机械式动力仪、电测式、机电综合式。4-10螺旋桨性征曲线组：将叶数和盘面比相同，而螺距比不同的一组螺旋桨的敞水性征曲线绘在同一图内。1近似方法的实质（分别研究船体和螺旋桨的单独性能，然后再近似考虑两者间的相互影响）和螺旋桨仍然看作是孤立的，即认为螺旋桨是在船后流场中单独工作，而船体位于螺旋桨所影响的水流中运动。2伴流（迹流）：船在水中以某一速度V向前航行时，附近的水受到船体的影响而产生运动，其表现为船体周围伴随着一股水流，这股水流称为伴流（伴流速度与船速同向为正，反向为负）旋桨盘面出的伴流，使螺旋桨附近的水流的相对速度和船速不同。5-3伴流的成因及分类：伴流速度场用相对于螺旋桨的轴向速度、周向（切向）速度和径向速度三个分量来表示，其中周向（切向）速度和径向速度为二阶小量，不考虑。动引起。首尾处为正伴流，舷侧处为负，离船体越远，船体表面界层内水质点具有向前的速度，形成正伴流，紧靠船身处最大，船后相当距离处依然存在，为总伴流的主要部分。其大小与船型、表面粗糙度、雷诺数及螺旋桨的位置等有关用引起。船航行时水面形成波浪，若螺旋桨附近为波峰，则水质点具有向前的速度，若为波谷则向后。5-4伴流速度u：螺旋桨进速VA=V-u；u=up+uf+uw。船速5-5伴流分数«：«=u/V=1-VA/V；VA=（1-3）V。6标称伴流：在未装螺旋桨之船模（实船）后面，用各种流速仪测定螺旋桨盘面处的水流速度，可得标称伴流。5-7实效伴流：根据船后螺旋桨试验或自航试验结果与螺旋桨敞水试验结果比较分析可得实效伴流。5-8标称伴流的测量方法：利用毕托耙测量，或叶轮伴流仪、CD影响较大，实物雷诺数较高，只修正n、①势（形势）伴流：②摩擦伴流：V，轴向伴流速度u。环形伴流仪还有激光测速仪。故CD:把船体。通常所说的是螺船身周围的流线运船运动时，③波浪伴流:船舶兴波作测的桨盘面处进速势伴流越小水的粘性引起。若干同心圆周上等距离点的水流轴向速度。用体积积分法求的整个盘面的平均伴流。5-9实效伴流的测量方法：船速和螺旋桨的转速一定时，伴流的大小直接决定螺旋桨的进速，因而决定螺旋桨所发生的推力和吸收的转矩，故可根据推力和转矩测定伴流（ufVAfT,Q，则T,QfVAfu）。首先在船模后试验螺旋桨，量出船模速度V及螺旋桨的转速n、推力TB、转矩QB，然后进行敞水试验①等推力法：保持转速n不变，调节进速直到发出的推力T0等于上述TB值时，