船舶推进第3章螺旋桨基础理论.ppt

1,船舶原理,2007年11月18日,2,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,第三章 螺旋桨基础理论,一、早期的推进器理论分为两派,1、动量理论：螺旋桨的推力乃因其工作时使水产生动量变化所致，所以可通过水的动量变更率来计算推力。,2、叶元体理论：注重螺旋桨每一叶元体所受的力，据以计算整个螺旋桨的推力及转矩。,3,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,二、螺旋桨环流理论,流体力学的机翼理论应用于螺旋桨，解释叶元体的受力与水的速度的变更关系，将上述两派理论联系起来而发展成螺旋桨环流理论。,虽然动量理论中忽略的因素较多，所得的结果与实际情况有一段距离，但这个理论能简略的说明推进器产生推力的原因，某些结论有一些实际意义。,4,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,3-1 理想推进器理论,一、诱导速度,推进器一般都是依靠拨水向后来产生推力的，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，通常称为诱导速度。显然推进器的作用力与所形成的水流情况密切有关。,5,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,二、理想推进器理论的基本假定,1、推进器为一轴向尺寸趋于零、水可自由通过的盘，此盘可以拨水向后，称为鼓动盘。,2、水流速度和压力在盘面上均匀分布。,3、水为不可压缩的理想流体。,注意：对于螺旋桨而言，其水流断面为盘面；对明轮而言，其水流断面为浆板的浸水板面。,6,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,三、理想推进器的力学模型,7,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,四、理想推进器的推力,1、单位时间内通过推进器盘面的流体质量：,2、自流管远前方AA1断面流入的动量：,3、流管远后方CC1断面流出的动量：,8,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,4、根据动量定理，作用于流体上的立等于单位时间内流体动量的增量。而流体的反作用力即为推力：,9,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,五、盘面处速度增量与远后方速度增量的关系,1、在盘面前和盘面后应用伯努力方程：,10,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,2、在盘面远后方和紧靠盘面处应用伯努力方程,3、盘面前后的压力差就形成了推力：,11,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,4、推力的另一种表达式：,轴向诱导速度越大，推进器产生的推力也越大。,12,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,六、理想推进器的效率,推进器的效率等于有效功率与消耗功率的比值,1、推进器在静水中航行时产生推力，则其有效功率为：,2、推进器工作时，单位时间内尾流所取得的能量为：,13,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,3、推进器消耗的功率：,4、理想推进器的效率：,14,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,5、理想推进器的效率的另一种表达式：,15,船舶推进第二章 螺旋桨几何特征,6、理想推进器的效率曲线,载荷系数愈小效率愈高。增大直径D可减小载荷系数，从而提高效率。着一结论具有重要意义,16,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,3-2 理想螺旋桨理论,17,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,一、周向诱导速度,18,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,根据理想螺旋桨力学模型，然后运用动量矩，经过相应的推导可得浆盘处和远后方的周向诱导速度有如下关系：,19,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,二、周向和轴向诱导速度的正交性,20,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,三、理想螺旋桨的效率,周向诱导效率：,21,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,3-3 作用在浆叶上的力及力矩,一、速度多边形,根据上面的分析可知，螺旋桨在操作时周围的水流情况可简要地描述如下： 1、轴向诱导速度自桨盘远前方的零值起逐渐增加，至桨盘远后方处达最大值，而在盘面处的轴向诱导速度等于远后方处的一半。 2、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。,22,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,当我们在讨论螺旋桨周围的流动情况时，除考虑螺旋桨本身的前进速度及旋转速度外，还需要考虑轴向诱导速度和周向诱导速度。,在绝对运动系统中，轴向诱导速度的方向与螺旋桨的前进方向相反，而周向诱导速度的方向与螺旋桨的转向相同。参阅下图，以半径为r的共轴圆柱面与桨叶相交并展成平面，则叶元体的倾斜角为螺距角。,经过运动转换以后，叶元体即变为固定不动，而水流以轴向速度和周向速度流向桨叶切面。,23,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,结论：浆叶切面的复杂运动最后可归结为水流以速度 、攻角 流向浆叶切面。,24,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,二、作用在机翼上的升力和阻力,25,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,实验证明，在使用范围内，升力系数与几何攻角约成线性关系。,为几何攻角,为无升力角,为流体动力攻角或绝对攻角,当几何攻角等于零时，升力系数不等于零。这是因为机翼剖面不对称的缘故。,26,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,自由涡：翼梢的横向绕流与来流的共同用，使机翼后缘形成旋涡层，这些旋涡称为自由涡。,27,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,由于自由涡的存在，在空间产生一个诱导速度场。在机冀后缘处，诱导速度垂直于运动方向，故也称下洗速度。,28,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,考虑了尾涡的诱导速度后，我们可以将有限翼展的机翼微段近似地看作二元机冀的一段，如果已知在y处的环量，从茹柯夫斯基升力公式可知，dy段机翼所受的升力dL垂直于来流VR，其大小为：,也就是说，有限翼展的机翼微段相当于二因次机冀，故机翼微段将受到与VR垂直的升力dL和与VR方向一致的粘性阻力dD。,29,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,三、螺旋桨的作用力,30,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,上式把螺旋桨的推力、转矩与流场及螺旋桨的几何特征联系起来，因而比动量理论的结果要精密完整得多。,31,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,由上式可知，欲求某一螺旋桨在给定的进速和转速时所产生的推力、转矩和效率，则必须知道速度环量和诱导速度沿半径方向的分布情况。这些问题可应用螺旋桨环流理论来解决。,32,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,四、螺旋桨的效率,当螺旋桨以进速VA和转速n进行工作时，必须吸收主机所供给的转矩Q才能发出推力T，其所作的有用功率为TVA，而吸收的功率为 ，故螺旋桨的效率为：,33,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,3-4 螺旋桨水动力性能,一、螺旋桨的水动力性能,一定的几何形体的螺旋桨在水中运动是所产生的推力、消耗的功率和效率与其运动（进速和转速）的关系。,34,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,二、滑脱比,1、进程：螺旋桨旋转一周在轴向所前进的距离。,2、滑脱：螺距和进程之差。,3、滑脱比：滑脱和螺距的比值。,35,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,三、进速系数,1、进速系数：进程与螺旋桨直径的比值。,2、进速系数与滑脱比的关系,在螺距一定的情况下，若不考虑诱导速度，则滑脱比大（进速系数小）即表示攻角大，若转速一定，则螺旋桨的推力转矩也大。,36,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,四、进速系数的变化对螺旋桨性能的影响,滑脱比（进速系数）是影响螺旋桨性能的重要参数，其重要性与机翼理论中的攻角相似。,1、当进速为零，即螺旋桨只旋转而不前进，其速度和力的关系如图所示。,升力将与推力重合，各叶元体具有最大攻角，推力和转矩都达到最大。,37,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,2、当转速不变，随进速的增大，攻角随之减小，从而力矩和推力也相应减小。,当进速的增大到某一数值时，螺旋桨发出的推力为零。此时作用于叶元体上的升力及阻力在轴向的分力大小相等方向相反，故叶元体的推力等于零。,螺旋桨不发出推力时旋转一周所前进的距离称为无推力进程或实效螺距 。,38,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,3、当进速再增大到某一数值时，螺旋桨不遭受旋转阻力，其实质乃是升力dL及阻力dD在周向的分力大小相等方向相反。但在此种情况下螺旋桨产生负推力。,螺旋桨不遭受旋转阻力时旋转一周所前进的距离称为无转矩进程或无转矩螺距 。,39,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,对于一定的螺旋桨，有：,船舶在航行时，螺旋桨必须产生向前的推力以克服船舶阻力，才能使船以一定的速度前进。所以螺旋桨在实际操作时，其每旋转一周前进的距离小于实效螺距。,实效滑脱比：实效滑脱与实效螺距的比值。,40,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,转速一定时螺旋桨推力和转矩随进程的变化曲线,41,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,五、推力和转矩的无因次系数,42,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,六、螺旋桨的效率,七、螺旋桨的特性曲线：推力系数、转矩系数和效率对进速系数的关系曲线。,43,船舶推进第三章 螺旋桨基础理论,螺旋桨的敞水特性曲线：如果只讨论孤立的螺旋桨的性能，即不考虑船体的影响，则称为螺旋桨的敞水特性曲线。,