螺旋桨基础理论分解课件

Click to edit Master title,Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,2-,*,3,一,3,作用在桨叶上的力及力矩,一、速度多角形,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。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,即,为螺距角，且可据下式决定：,作用在桨叶上的力及力矩,设螺旋桨的进速为,V,A,，转速为,n,，则叶元体将以进速,V,A,、周向速度,U=2rn,在运动。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,VA,和周向速度,U,流向桨叶切面轴向诱导速度,ua/2,的方向与迎面水流的轴向速度,VA,相同，而周向诱导速度,ut/2,的方向则与周向速度,U,相反，从而得到与图,3,一,5,相类似的叶元体的速度多角形（图,3,一,6,）。图中：,称为进角,i,称为水动力螺距角，,V,R,为相对来流的合成速度。由图,3,一,6,所示的速度多角形可知，桨叶切面的复杂运动最后可归结为水流以速度,V,R,、攻角,k,流向桨叶切面。因此，在讨论桨叶任意半径处叶元体上的作用力时，可以把它作为机翼剖面来进行研究。,作用在桨叶上的力及力矩,二、作用在机翼上的升力和阻力简单回顾一下作用在机翼上的升力和阻力，将有助于桨叶上受力情况的讨论，对于二因次机翼，我们可以用环量为,P,的一根无限长的涡线来代替机翼，这根祸线称为附着涡。在理想流体中，作用在单位长度机翼上的只有垂直于来流方向的升力,L,，其值,式中：,为流体的密度；,v,为来流速度。,式（,3-22,）即为著名的茹柯夫斯基公式。,作用在桨叶上的力及力矩,实际上流体是有粘性的，所以无限翼展机翼除了产生与运动方向相垂直的升力,L,外，尚有与运动方向相反的阻力,D,。机翼在实际流体中所受的升力、阻力和力矩可以借风筒试验来测定。图,3-7,是某一机翼的,C,L,、,C,D,和,k,的关系曲线,作用在桨叶上的力及力矩,图中：,阻力系数,式中：,V,为来流的速度（即机翼前进的速度）,;,S,为机翼平面的面积,L,为机翼的升力；,D,为机翼的阻力；,作用在桨叶上的力及力矩,作用在桨叶上的力及力矩,实验证明，在实用范围内，升力系数,CL,与几何攻角,k,约略成线性关系。当几何攻角为零时，,Q,不等子零，这是因为机翼剖面不对称之故。升力为零时的攻角称为无升力角，以,0,表示。升力为零的来流方向称为无升力线，来流与此线的夹角。称为流体动力攻角或绝对攻角，如图,3,一,7(b,）所示。显然，,=,0,+,k,。对于有限翼展机翼，由于机翼上下表面的压差作用，下表面高压区的流体会绕过翼梢流向上表面的低压区翼梢的横向绕流与来流的共同作用，使机翼后缘形成旋涡层。这些旋涡称为自由涡。它们在后方不远处卷成两股大旋涡而随流速,V,延伸至无限远处，如图,3,一,8,所示。,作用在桨叶上的力及力矩,由于自由涡的存在，在空间产生一个诱导速度场。在机翼后缘处，诱导速度垂直于运动方向，故也称下洗速度。由于产生下洗速度，使机翼周围的流动图形有所改变，相当于无限远处来流速度,V,发生偏转，真正的攻角发生变化，如图,3,一,9,所示。由于机翼处下洗速度,u,n,2,，使得原来流速,V,改变为,V,R,，真正的攻角由,k,改变为,k,k,为三元的名义弦线攻角，,k,称为有效几何攻角。,=,k,-,k,称为下洗角，,一般约为,2,3,，因此可近,似地认为,作用在桨叶上的力及力矩,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翼的一段，如果在,y,处的环量为,，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,V,R,，其大小为,也就是说，有限翼展的机翼微段相当于来流速度为,V,R,、攻角为,k,，的二因次机翼，故机翼微段将受到与,V,R,垂直的升力,dL,和与,V,R,方向一致的粘性阻力,dD,。,作用在桨叶上的力及力矩,三、螺旋桨的作用力,由上面的分析可知，在给定螺旋桨的进速,V,A,和转速,n,时如能求得诱导速度,u,a,及,u,t,，则可根据机翼理论求出任意半径处叶元体上的作用力，进而求出整个螺旋桨的作用力。取半径,r,处,dr,段的叶元体进行讨论，其速度多角形如图,3,一,10,所示。当水流以合速度,V,R,、攻角,K,流向此叶元体时，便产生了升力,dL,和阻力,dD,。将升力,dL,分解为沿螺旋桨轴向的分力,dLa,和旋转方向的分力,dLt,，阻力,dD,相应地分解为,dDa,和,dDt,。因此该叶元体所产生的推力,dT,及遭受的旋转阻力,dF,是：,作用在桨叶上的力及力矩,根据茹柯夫斯基升力公式，升元体上,dr,段产生的升力,将式（,3-28,）代入式（,3-27,），并考虑到,dD=,dL,（,为叶元体的阻升比），叶元体转矩,dQ=rdF,可得,作用在桨叶上的力及力矩,从图,3,一,10,可得到如下关系式：,将这些关系式代入式（,3,一,29),，可得,类似地，可以求得叶元体的效率,作用在桨叶上的力及力矩,式中：,A,、,T,为轴向诱导效率和周向诱导效率；,为叶元体的结构效率，是因螺旋桨运转于具有枯性的实际流体中所引起。在实际流体中，因：，说明螺旋桨在实际流体中工作的效率比在理想流体中要低。图,3-6,中曾定义,为进角，,i,为水动力螺距角，利用关系式：,作用在桨叶上的力及力矩,就可以将叶元体效率,or,表达为另一种简单而有用的形式,也就是说，叶元体的理想效率,将式（,3,一,30,）沿半径方向从桨毅至叶梢进行积分并乘以叶数,Z,以后，便可得到整个螺旋桨的推力和转矩，即,作用在桨叶上的力及力矩,式中：,r,h,为桨毅半径,R,为螺旋桨半径。式（,3,一,34,）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。当螺旋桨以进速,v,A,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,TV,A,，而吸收的功率为,2,nQ,，故螺旋桨的效率为,作用在桨叶上的力及力矩,由式（,3,一,34,）可见，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，则必须知道环量,(r,）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解决。本章中暂且不讨论利用这些式子来计算螺旋桨的水动力性能，但对上述基本理论的了解将有助于我们深人讨论有关问题。,3,一,4,螺旋桨水动力性能,设螺旋桨的转速为,n,、进速为,V,A,，则其旋转一周在轴向所前进的距离,hp=V,A,/n,称为进程。图,3-11,表示螺旋桨旋转一周时半径,r,处叶元体的运动情况。螺距,P,和进程,hp,之差,(P-hp,）称为滑脱，滑脱与螺距的比值称为滑脱比并以,s,来表示，即,进程,hp,与螺旋桨直径,D,的比值称为,进速系数，以,J,来表示，即,螺旋桨水动力性能,由式,(3-36),及式,(3-37),，可得进速系数,J,与滑脱比,s,之间的关系为,在螺距,P,一定的情况下，若不考虑诱导速度，则滑脱比,s,的大小即标志着攻角 的大小，滑脱比,s,大（进速系数,J,小）即表示攻角 大，若转速一定，则螺旋桨的推力和转矩亦大。因此，滑脱比（或进速系数,J,）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,螺旋桨水动力性能,当进速系数,J=0,时，由式（,3-37,知，这时进速为零，即螺旋桨只旋转而不前进，如船舶系柱情况，其速度和力的关系如图,3-12(a),所示，升力将与推力重合，各叶元体具有最大的攻角,所以推力和转矩都达到最大值。,螺旋桨水动力性能,当转速保持不变，随着,V,A,(,亦即,J,值,),的增加，攻角 随之减小，从而推力和转矩也相应减小当,J,增加到某一数值时，螺旋桨发出的推力为零，其实质乃是水流以某一负几何攻角与叶元体相遇，见图,3,一,12(b),，而此时作用于叶元体上的升力,dL,及阻力,dD,在轴向的分力大小相等方向相反，故叶元体的推力等于零，但在这种情况下，叶元体仍遭受旋转阻力,所讨论的叶元体应该是表征螺旋桨性能的叶元体，因为在各不同半径处叶元体的来流攻角是不一样的），螺旋桨在不发生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，并以,P,1,来表示。,螺旋桨水动力性能,若,V,A,(,也即,J,值,),再增至某一数值时，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，见图,3,一,12(c),，故旋转阻力等于零，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，并以,P,2,表示，对于一定的螺旋桨而言，显然,P,2,P,1,P,，船舶在航行时，螺旋桨必须产生向前的推力以克服船之阻力，才能使船以一定的速度前进，故螺旋桨在实际操作时，其每转一周前进的距离,h,p,小于实效螺距,P,1,。实效螺距,P,1,与进程,h,p,之差（,P,1,-h,p,）称为实效滑脱，其与实效螺距,P,1,的比值称为实效滑脱比，以,s,1,来表示，即,螺旋桨水动力性能,根据上述分析，可以画出转速、为常数时螺旋桨推力和转矩随进程入。的变化曲线，如图,3,一,13,所示。在研究螺旋桨的水动力性能时，通常并不,应用图,3-13,那样推力和转矩的,绝对数量，而是以无因次系数来,表达这样对于不同尺寸的几何,相似螺旋桨有同样的水动力性能,图。,螺旋桨水动力性能,根据因次分析，螺旋桨的推力及转矩可用下列无因次系数来表示，即,式中：,T,为推力；,Q,为转矩；,为水的密度；,n,为螺旋桨转速；,D,为螺旋桨直径对于螺旋桨的效率场也可用无因次系数,K,T,、,K,Q,及,J,螺旋桨水动力性能,式中：,J,为进速系数对于几何形状一定的螺旋桨而言，推力系数,K,T,、转矩系数,K,Q,及效率,0,仅与进速系数,J,（或滑脱比）有关，,K,T,、,K,Q,、,0,对,J,之曲线称为螺旋桨的性征曲线，又因为我们所讨论的是孤立螺旋桨（即未考虑船体的影响）的性能，所以称为螺旋桨的敞水性征曲线，如图,3,一,14,所示因,K,Q,数值太小，常增大,10,倍（,10K,Q,）与,K,T,使用同一纵坐标。,螺旋桨水动力性能,