船舶推进第3章 螺旋桨基础理论

1 1船舶原理20072007年年1111月月1818日日2 2船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 第三章第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论一、早期的推进器理论分为两派一、早期的推进器理论分为两派1 1、动量理量理论：螺旋螺旋桨的推力乃因其工作的推力乃因其工作时使水使水产生生动量量变化所致，所以可通化所致，所以可通过水的水的动量量变更更率来率来计算推力。算推力。2 2、叶元体理、叶元体理论：注重螺旋注重螺旋桨每一叶元体所受的每一叶元体所受的力，据以力，据以计算整个螺旋算整个螺旋桨的推力及的推力及转矩。矩。3 3船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 二、螺旋桨环流理论二、螺旋桨环流理论流体力学的机翼理流体力学的机翼理论应用于螺旋用于螺旋桨，解，解释叶元叶元体的受力与水的速度的体的受力与水的速度的变更关系，将上述两派更关系，将上述两派理理论联系起来而系起来而发展成螺旋展成螺旋桨环流理流理论。虽然然动量理量理论中忽略的因素中忽略的因素较多，所得的多，所得的结果果与与实际情况有一段距离，但情况有一段距离，但这个理个理论能能简略的略的说明推明推进器器产生推力的原因，某些生推力的原因，某些结论有一些有一些实际意意义。4 4船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 3-1 3-1 理想推进器理论理想推进器理论一、诱导速度一、诱导速度推推进器一般都是依靠器一般都是依靠拨水向后来水向后来产生推生推力的，而水流受到推力的，而水流受到推进器的作用器的作用获得与得与推力方向相反的附加速度，通常称推力方向相反的附加速度，通常称为诱导速度。速度。显然推然推进器的作用力与所形成器的作用力与所形成的水流情况密切有关的水流情况密切有关。5 5船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 二、理想推进器理论的基本假定二、理想推进器理论的基本假定1 1、推进器为一轴向尺寸趋于零、水可自由通、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。过的盘，此盘可以拨水向后，称为鼓动盘。2 2、水流速度和压力在盘面上均匀分布。、水流速度和压力在盘面上均匀分布。3 3、水为不可压缩的理想流体。、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；注意：对于螺旋桨而言，其水流断面为盘面；对明轮而言，对明轮而言，其水流断面为浆板的浸水板面其水流断面为浆板的浸水板面。6 6船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 三、理想推进器的力学模型三、理想推进器的力学模型7 7船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 四、理想推进器的推力四、理想推进器的推力1 1、单位时间内通过推进器盘面的流体质量：、单位时间内通过推进器盘面的流体质量：2 2、自流管远前方、自流管远前方AAAA1 1断面流入的动量：断面流入的动量：3 3、流管远后方、流管远后方CCCC1 1断面流出的动量：断面流出的动量：8 8船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 4 4、根据动量定理，作用于流体上的、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。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：而流体的反作用力即为推力：9 9船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 五、盘面处速度增量与远后方速度增量的关系五、盘面处速度增量与远后方速度增量的关系1 1、在盘面前和盘面后应用伯努力方程：、在盘面前和盘面后应用伯努力方程：1010船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 2 2、在盘面远后方和紧靠盘面处应用伯努力方程、在盘面远后方和紧靠盘面处应用伯努力方程3 3、盘面前后的压力差就形成了推力：、盘面前后的压力差就形成了推力：1111船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 4 4、推力的另一种表达式：、推力的另一种表达式：轴向诱导速度越大，轴向诱导速度越大，推进器产生的推力也推进器产生的推力也越大。越大。1212船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 六、理想推进器的效率六、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推进器的效率等于有效功率与消耗功率的比值1 1、推进器在静水中航行时产生推力，则其有、推进器在静水中航行时产生推力，则其有效功率为：效功率为：2 2、推进器工作时，单位时间内尾流所取得的、推进器工作时，单位时间内尾流所取得的能量为：能量为：1313船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 3 3、推进器消耗的功率：、推进器消耗的功率：4 4、理想推进器的效率：、理想推进器的效率：1414船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 5 5、理想推进器的效率的另一种表达式：、理想推进器的效率的另一种表达式：1515船舶推进第二章船舶推进第二章 螺旋桨几何特征螺旋桨几何特征 6 6、理想推进器的效率曲线、理想推进器的效率曲线载荷系数愈小效率愈高。增大直径载荷系数愈小效率愈高。增大直径D D可减小载荷可减小载荷系数，从而提高效率。着一结论具有重要意义系数，从而提高效率。着一结论具有重要意义1616船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 3-2 3-2 理想螺旋桨理论理想螺旋桨理论1717船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 一、周向诱导速度一、周向诱导速度1818船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 根据理想螺旋桨力学模型，然后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得浆盘处和远后方的周向诱导速度有如下关系：度有如下关系：1919船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 二、二、周向周向和轴和轴向诱向诱导速导速度的度的正交正交性性2020船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 三、理想螺旋三、理想螺旋桨的效率的效率周向周向诱导效率：效率：2121船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 3-3 3-3 作用在浆叶上的力及力矩作用在浆叶上的力及力矩一、速度多边形一、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：水流情况可简要地描述如下：1 1、轴向诱导速度自桨盘、轴向诱导速度自桨盘远前方的零值远前方的零值起逐渐起逐渐增加，至增加，至桨盘远后方处达最大值桨盘远后方处达最大值，而，而在盘面处在盘面处的轴向诱导速度等于远后方处的一半。的轴向诱导速度等于远后方处的一半。2 2、周向诱导速度在桨盘前并不存在，而在桨、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，盘后立即达到最大值，桨盘处的周向诱导速度桨盘处的周向诱导速度是后方的一半。是后方的一半。2222船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 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虑螺旋桨本身的前进速度前进速度及及旋转速度旋转速度外，还需外，还需要考虑要考虑轴向诱导速度轴向诱导速度和和周向诱导速度周向诱导速度。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，以半径为与螺旋桨的转向相同。参阅下图，以半径为r r的共轴圆柱面与桨叶相交并展成平面，则的共轴圆柱面与桨叶相交并展成平面，则叶元叶元体的倾斜角为螺距角。体的倾斜角为螺距角。经过经过运动转换运动转换以后，叶元体即变为固定不动，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。而水流以轴向速度和周向速度流向桨叶切面。2323船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 结论：浆叶切面的复叶切面的复杂运运动最后可最后可归结为水流以速度水流以速度 、攻角、攻角 流向流向浆叶切面。叶切面。2424船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 二、作用在机翼上的升力和阻力二、作用在机翼上的升力和阻力2525船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 实验证明，明，在使用范围内，升力系数与几何攻在使用范围内，升力系数与几何攻角约成线性关系角约成线性关系。为几何攻角几何攻角 为无升力角无升力角 为流体流体动力攻角或力攻角或绝对攻角攻角当几何攻角等于零时，升力系数不等于零当几何攻角等于零时，升力系数不等于零。这。这是因为机翼剖面不对称的缘故。是因为机翼剖面不对称的缘故。2626船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 自由涡自由涡：翼梢的翼梢的横横向绕流向绕流与与来流来流的共的共同用，使同用，使机翼后缘机翼后缘形成旋涡形成旋涡层，这些层，这些旋涡称为旋涡称为自由涡。自由涡。2727船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 由于自由涡的存在，在空间产生一个由于自由涡的存在，在空间产生一个诱导速诱导速度场度场。在机冀后缘处，诱导速度垂直于运动。在机冀后缘处，诱导速度垂直于运动方向，故也称方向，故也称下洗速度下洗速度。2828船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 考虑了尾涡的诱导速度后，我们可以将有限翼考虑了尾涡的诱导速度后，我们可以将有限翼展的机展的机翼翼微段近似地看作二元机冀的一段，如微段近似地看作二元机冀的一段，如果已知在果已知在y y处的环量，从处的环量，从茹柯夫斯基升力公式茹柯夫斯基升力公式可知，可知，dydy段机翼所受的升力段机翼所受的升力dLdL垂直于来流垂直于来流V VR R，其大小为：其大小为：也就是说，有限翼展的机翼微段相当于二因次也就是说，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机冀，故机翼微段将受到与V VR R垂直的升力垂直的升力dLdL和和与与V VR R方向一致的粘性阻力方向一致的粘性阻力dDdD。2929船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 三、螺旋桨的作用力三、螺旋桨的作用力3030船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 上式把螺旋桨的上式把螺旋桨的推力推力、转矩转矩与与流场流场及及螺旋桨的螺旋桨的几何特征几何特征联系起来，因而比动量理论的结果要联系起来，因而比动量理论的结果要精密完整得多。精密完整得多。3131船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 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，则必须知转速时所产生的推力、转矩和效率，则必须知道道速度环量和诱导速度沿半径方向的分布情况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。这些问题可应用螺旋桨环流理论来解决。3232船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 四、螺旋桨的效率四、螺旋桨的效率当螺旋桨以进速当螺旋桨以进速V VA A和转速和转速n n进行工作时，必须进行工作时，必须吸收主机所供给的转矩吸收主机所供给的转矩Q Q才能发出推力才能发出推力T T，其所，其所作的有用功率为作的有用功率为TVTVA A，而吸收的功率为，而吸收的功率为 ，故螺旋桨的效率为：，故螺旋桨的效率为：3333船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 3-4 3-4 螺旋桨水动力性能螺旋桨水动力性能一、螺旋一、螺旋桨的水的水动力性能力性能一定的几何形体的螺旋一定的几何形体的螺旋桨在水中运在水中运动是是所所产生的推力、消耗的功率和效率与其生的推力、消耗的功率和效率与其运运动（进速和速和转速）的关系。速）的关系。3434船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 二、滑脱比二、滑脱比1 1、进程：程：螺旋螺旋桨旋旋转一周在一周在轴向所前向所前进的距离。的距离。2 2、滑脱：、滑脱：螺距和螺距和进程之差。程之差。3 3、滑脱比：、滑脱比：滑脱和滑脱和螺距的比螺距的比值。3535船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 三、三、进速系数速系数1 1、进速系数：速系数：进程与螺旋程与螺旋桨直径的比直径的比值。2 2、进速系数与滑脱比的关系速系数与滑脱比的关系在螺距一定的情况下，若不考在螺距一定的情况下，若不考虑诱导速度，速度，则滑脱比大（滑脱比大（进速系数小）即表示攻角大，若速系数小）即表示攻角大，若转速一定，速一定，则螺旋螺旋桨的推力的推力转矩也大。矩也大。3636船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 四、四、进速系数的速系数的变化化对螺旋螺旋桨性能的影响性能的影响滑脱比（滑脱比（进速系数）是影响螺旋速系数）是影响螺旋桨性能的重要性能的重要参数，其重要性与机翼理参数，其重要性与机翼理论中的攻角相似。中的攻角相似。1 1、当、当进速速为零零，即螺旋，即螺旋桨只旋只旋转而不前而不前进，其速度和，其速度和力的关系如力的关系如图所示。所示。升力将与推力重合，各叶元升力将与推力重合，各叶元体具有最大攻角，推力和体具有最大攻角，推力和转矩都达到最大。矩都达到最大。3737船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 2 2、当、当转速不速不变，随随进速的速的增大增大，攻角随之减小，从而，攻角随之减小，从而力矩和推力也相力矩和推力也相应减小。减小。当当进速的增大速的增大到某一数到某一数值时，螺旋螺旋桨发出的出的推力推力为零。零。此时此时作用于叶元体上的升力及阻力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在轴向的分力大小相等方向相反，故叶元体的推力等于零。反，故叶元体的推力等于零。螺旋螺旋桨不不发出推力出推力时旋旋转一周所前一周所前进的距的距离称离称为无推力无推力进程程或或实效螺距效螺距 。3838船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 3 3、当、当进速再增大速再增大到某一数到某一数值时，螺旋，螺旋桨不遭受旋不遭受旋转阻力，阻力，其实质乃是升力其实质乃是升力dLdL及阻力及阻力dDdD在周向的分力大在周向的分力大小相等方向相反小相等方向相反。但在此但在此种情况下螺旋种情况下螺旋桨产生生负推推力。力。螺旋桨不遭受旋转阻力时旋转一周所前进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的距离称为无转矩进程或无转矩螺距 。3939船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 对于一定的螺旋于一定的螺旋桨，有：，有：船舶在航行船舶在航行时，螺旋，螺旋桨必必须产生向前的推力以生向前的推力以克服船舶阻力，才能使船以一定的速度前克服船舶阻力，才能使船以一定的速度前进。所以螺旋所以螺旋桨在在实际操作操作时，其每旋，其每旋转一周前一周前进的距离小于的距离小于实效螺距。效螺距。实效滑脱比：效滑脱比：实效滑脱效滑脱与与实效螺距的比效螺距的比值。4040船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 转速速一定一定时螺螺旋旋桨推力推力和和转矩随矩随进程程的的变化曲化曲线4141船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 五、推力和五、推力和转矩的无因次系数矩的无因次系数4242船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 六、螺旋六、螺旋桨的效率的效率七、螺旋七、螺旋桨的特性曲的特性曲线：推力系数、推力系数、转矩系矩系数和效率数和效率对进速系数的关系曲速系数的关系曲线。4343船舶推进第三章船舶推进第三章 螺旋桨基础理论螺旋桨基础理论 螺旋螺旋桨的敞水特性曲的敞水特性曲线：如果只如果只讨论孤立的孤立的螺旋螺旋桨的性能，即不考的性能，即不考虑船体的影响，船体的影响，则称称为螺旋螺旋桨的敞水特性曲的敞水特性曲线。