船舶推进概念

1-1 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。1-3 对快速性的要求四方面： 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选择推力足够，且效率高的推进器选取合适的主机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：螺旋桨：构造简单、价格低廉、使用方便、效率较高风帆：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明轮：机构笨重，在波涛中操纵性差且易损坏直叶推进器：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）：船以速度 v 航行时所遭受的阻力为R，则阻力 R 在单位时间内所消耗的功为Rv，而有效推力 Te 在单位时间内所作的功为Tev，两者数值相等，故 Tev（或 Rv ）为有效功率 PE。1-6 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。推进器（效率、空泡、强度、振动）船 -桨 -机配合问题螺旋桨设计。2-1 螺旋桨各部分名称（通常由桨叶和桨毂构成）：桨毂： 螺旋桨与尾轴连接部分 毂帽： 为减小水阻力，在桨毂后端加的整流罩，与桨毂形成一光顺流线型体叶面及叶背： 由船尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面为叶面，另一面为叶背叶根： 桨叶与毂连接处 叶梢： 桨叶的外端 导边及随边：螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者为导边，另一边为随边梢圆： 螺旋桨旋转时（设无前后运动）叶梢的圆形轨迹 螺旋桨直径 D：梢圆的直径 螺旋桨的盘面积A o：梢圆的面积 右（左）旋桨： 当螺旋桨正车旋转时，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若母线为直线且垂直于轴线，则形成的螺旋面为正螺旋面若母线为直线但不垂直于轴线，则形成斜螺旋面当母线为曲线时，则形成扭曲的螺旋面。2-3 节线及螺旋线： 将半径为 R 的圆柱面展成平面，则为一底边长2R高为 P 的矩形，螺旋线变为的斜线（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 ：节线与底边间的夹角，tan =P/2 R。2-5螺旋桨的螺距：等螺距螺旋桨（ r 1r223）：螺旋桨上任意半径处的面螺距 变螺距螺旋桨（螺旋桨叶面各半径处的面螺距不等）：取半径为 07R 或 075R 处的面螺距代表螺旋桨的螺距， P07R 或 P075R 。2-6螺距比 P/D ：面螺距 P 与直径 D 之比。2-7桨叶的切面（叶切面或叶剖面）：与螺旋桨共轴的圆柱面和桨叶相截所得的切面。机翼形切面：效率较高，但空泡性能较差弓形切面：空泡性能较好，但效率较低棱形切面月牙形切面。2-8 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。2-9 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t 为叶厚。2-10叶厚比（切面的相对厚度）：叶厚 t 与切面弦长 b 之比， =t/b。2-11 拱线、拱度及拱度比： 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的拱度，以 f M 表示。 fM 与弦长 b 之比为切面的拱度比 f=f M /b。2-12桨叶（叶面或辐射）参考线：叶面中间的一根母线作为图的参考线。2-13纵斜角 ： 若为斜螺旋面，参考线与轴线的垂线成的夹角。纵斜 zR：参考线线段在轴线上的投影长度（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。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）。2-14 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A P：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。2-16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 A D：各桨叶展开轮廓所包含面积的总和。2-17三种面比： 投射面比：投射面积A P 与盘面积 A o 之比伸张面比：伸张面积A E 与盘面积 A o 之比展开面比：展开面积A D 与盘面积 A o 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 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）。2-18 侧斜 X及侧斜角 : 不对称桨叶的叶梢与参考线间的距离为侧斜X，相应角度为侧斜角。（桨叶SSSS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t0 与直径 D 之比。2-21 桨毂直径（毂径） ：叶面参考线与桨毂表面相交处至轴线距离的两倍，以d 来表示。2-22 毂径比： 毂径 d 与螺旋桨直径D 之比。2-23桨叶的平均宽度 b：表示桨叶的宽窄，b =A /Z(R-d/2) ， Z 为叶数。或平均宽度比， bm/D 。mmE2-24正（斜）螺旋面：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。正投影： 桨叶在垂直于桨轴平面上的投影。2-26 最大厚度线： 该线与参考线之间的轴向距离t 表示该半径处叶切面的最大厚度，它仅表示不同半径处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：从效率（增加D 提高效率，在其他条件一定时，叶数越少效率越高）、振动（在其他条件一定时，叶数越多振动越小）两方面。直径D，叶数 Z，毂径比 dh/D，螺距比 P/D，盘面比（伸张面积比），投射面积比，展开面积比，纵斜zR，纵斜角 ，侧斜 X S，叶厚比 。3-1推进器理论（研究螺旋桨的方法）：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，可通过水的动量变更率来计算推力，包括理想推进器理论理想螺旋桨理论叶元体理论： 研究每一叶原体所受的力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩螺旋桨环流理论：应用机翼理论解释叶原体的受力与水之速度变更关系，包括升力线理论升力面理论面元法。3-2 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。3-3 理想推进器假设：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，称为鼓动盘（具有吸收外来功率并推水向后的功能）水流速度和压力在盘面上均匀分布水为不可压缩的理想流体。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）。3-4 理想推进器效率 ：有效功率和消耗功率之比。iA3-5 推进器的载荷系数 ： 越小效率越高。在推力 T和速度 VA一定的条件下，增大盘面积A来减小TTio载荷系数，对螺旋桨来说需增大直径D ，从而提高效率。3-6 理想螺旋桨理论： 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i=iA iT ：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(理想推进器效率 )iT 之积。由于实际螺旋桨后的尾流旋转，故理想螺旋桨效率iiA 与理想螺旋桨的周向诱导效率（只有在各半径出的dr 圆环对应的i都相等时， i才是整个理想螺旋桨效率）总是小于理想推进器效率iA 。3-8 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： 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）叶元体：叶元体固定不动，而水流以轴向速度VA 和周向速度2 nr流向桨叶切面，轴向诱导速度ua/2 与迎流水面的轴向速度 V A相同，周向诱导速度t与周向速度2 nr相反。（螺旋桨本身前进速度VA及旋转u /2速度 2nr，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，为进角， i为水动力螺距角， V R 为相对来流的合成速度。可知，水流以速度V RK，攻角 流向桨叶切面。3-11 附着涡： 对于二因次机翼，可用环量为的一根无限长的涡线来代替机翼，这根涡线为附着涡。：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，3-12 叶元体效率 or =iA iT 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），叶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 V A 和转速 n）间的关系。3-14 进程 h：h =V/n。滑脱 (P-h )其大小表示桨叶剖面 （叶元体） 的攻角大小， 即负荷的大小， 滑脱比 s：ppAps=(P-hp)/P=1-V A /Pn。进速系数 J：J=hp/D=V A /nD=P(1-s)/D 。3-15 滑脱比 s 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， 则 s 的大小标志着攻角K的大小， s 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： 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当转速不变，随着进速的增加，J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 dD 在轴向的分力大小相等方向相反，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无推力进程 P1（实效螺距） 若 J 再增至某一值，螺旋桨不遭受旋转阻力，其实质乃升力dL 及阻力 dD 在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） 。3-17 实效滑脱比 s1： P2P1P，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hp11p1=1p1A1小于实效螺距 P 。实效滑脱（P -h），实效滑脱比 s（ P -h）/P =1-V/ P n。3-18 螺旋桨敞水效率0： 0=K TJ/KQ2。3-19 螺旋桨敞水性征曲线：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 s）有关， K T、K Q 、0 对 J 之曲线为螺旋桨性征曲线，又因讨论的是孤立螺旋桨（未考虑船体的影响）的性能，所以为螺旋桨敞水性征曲线。曲线表示了螺旋桨在任意工作情况下的全面性能。螺旋桨的性能曲线可以根据环流理论计算得到，也可由试验方法得到。3-20 理想推进器效率和理想螺旋桨效率的区别： 推进器给水流向后的轴向诱导速度获得推力，故推进器的效率总小于 1；螺旋桨利用旋转运动来吸收主机功率， 在实际工作中除了产生轴向诱导速度还要产生周向诱导速度，由于尾流旋转，故理想螺旋桨效率总是小于理想推进器效率。4-1 敞水试验： 螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验，可在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。它是检定和分析螺旋桨性能得分方法，对研究他的水动力有重要作用，为设计提供丰富的资料，为理论的发展提供可靠的基础。4-2 敞水试验的目的及作用：进行系列试验，绘制设计图谱根据系列试验结果分析螺旋桨的几何要素对性能的影响，为改善性能指出方向校核和验证理论方法配合自航试验，分析推进效率成分，比较方案优劣，选择最佳螺旋桨。4-3 螺旋桨的相似定律（几何相似，运动相似，动力相似）：理论上：进速系数V A /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雷诺数nD 2/ ：粘性力相似的条件，该数相同，则两者粘性力系数相22222/gD）：重力相似的条件，与螺旋桨运转时的水面兴波情况有关，即螺旋桨等弗如德数 nD/gD （ n D在水面下的沉没深度。当沉没深度hs0.625D 时，兴波的影响不计，故弗如德数不予考虑。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ReccT1Q20 3，即 ReRe的条件下， K=f (J)； K=f(J)；=f (J)。4-4 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 CLs。对阻力系数 CD 影响较大，实物雷诺数较高， 故 CDsCDm ，两者之差 CD=CDm -CDs 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 K Tm K Qs， 0m0s。4-5 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：不修正：桨模光滑，抵消了尺度作用只修正K ：用平板摩擦阻Q力公式对 K Q 进行修正 ITTC1978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n、进速 V A 、推力 T 及扭矩 Q。4-8敞水试验方法（的不同的J 值）： 保持桨模的转速不变，以不同进速进行试验（拖曳水池）保持桨模的进速不变，以不同转速进行试验（空泡水筒），该方法转速不能无限加大，J 的变动范围有限，不能得到 “系柱 ”时的情况。4-9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。5-1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）：把船体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。5-2 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。通常所说的是螺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。势（形势）伴流：船身周围的流线运动引起。首尾处为正伴流，舷侧处为负，离船体越远，势伴流越小摩擦伴流：水的粘性引起。船运动时，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波浪伴流：船舶兴波作用引起。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V A =V-u ； u=u p+uf+u w。船速 V ，轴向伴流速度u。5-5 伴流分数： =u/V=1- V A /V ； V A =(1- )V。5-6 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、环形伴流仪还有激光测速仪。测的桨盘面处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（uVAA T,Q，则 T,Q V u）。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 等推力法：保持转速 n 不变，调节进速直到发出的推力T 0 等于上述 TB 值时，量取进速 V A 及转矩 Q0，则 u =V-VA即为实效伴流速度，此时Q Q等转矩法： 保持转速n 不变，调节进速直到Q =Q时，量取进速0B0BV A 及转矩 T0，则 u =V- V A即为实效伴流速度，此时 T0TB 。5-10伴流不均匀性的影响：当同一螺旋桨以相同转速和进速在敞水中和船后工作时，其推力与转矩仍不同，这是船后伴流不均匀性的影响。船后桨盘处各点的伴流速度是不同的，伴流的轴向速度在盘面上的分布也是不均匀的，因而以平均伴流来估计船后螺旋桨的速度场是近似的。i 1= T B / T 0，伴流不均匀对推力的影响系数； i 2= QB / Q 0，对转矩的影响系数；i= i 1/i 2，对效率的影响系数。5-11相对旋转效率 =1 /i： = i/i ， T =TB，所以 i1=1， = /i = 。R2B0 120B02R05-12 船体对螺旋桨的影响（等推力法）： 平均实效伴流速度u，据此可建立螺旋桨进速VA与船速 V 间的关系，即 V A =V-u ，以伴流分数 来表示，则 V A =(1- )V伴流不均匀性的影响，即相对旋转效率R，据此可以建立敞水螺旋桨和船后螺旋桨转矩（效率）间的关系。5-13推力减额的成因：螺旋桨在船后工作时，由于其抽吸作用，使船尾流速增加，压力降低，从而导致船体（压，摩擦）阻力增加R（阻力增额），需一部分推力T（推力减额）来克服它。 R=T-T。5-14 推力减额分数 t： t=T/T=1-R/T ，故 R=T(1-t) ，其大小与船型，螺旋桨尺度，螺旋桨负荷及螺旋桨与船体间的相对位置等因素有关。5-15推力减额与伴流的关系：推力减额的划分与伴流相同，其中形势推力减额是由于螺旋桨工作时引起船尾处压力降低，导致船体压阻力的增加，这部分附加阻力称为形势推力减额，为主要成分，摩擦及波浪推力减额极小可忽略。t tp。5-16 推进效率各成分：设船以速度 V 前进时，主机转速为n，带动螺旋桨旋转，螺旋桨发出推力T，克服阻力 R， 主机发出功率Ps； 传送（轴系）效率船后螺旋桨S：表示主机到螺旋桨的机械损耗；受到功率 PDB =SPs=2 nQB/75(马力，用于克服船后螺旋桨转速为n 是的转矩 )； 相对旋转效率 R = Q0/QB =PD0/P ，表示伴流不均匀性对转矩的影响；螺旋桨敞水收到功率PD0=2 nQ/75 ； 敞水效率=DB00TVA/2 nQ， 表 示 螺 旋 桨 自 身 效 率 ；螺旋桨推功率PT=TVA/75；船身效率0)，表示船体与螺旋桨之间的影响；有效功率 PE =RV/75（克服阻力 R 使船H =PE/PT=RV/TV A=(1-t)/(1-以航速 V 前进的功率）； 船后螺旋桨效率BT DBA/2B0TVA/QB0R0推进效率=P /P =TV nQ= Q2 n Q = ； ?D =PE/PDB =R0H； ? 推进系数PC=PE/Ps= SR0H=SBH=SD （包括机械性的轴系损失，表达推进系统中总的水动力性能） 。5-17 通过伴流分数 、推力减额分数t 和相对旋转效率R 把孤立的船体与敞水螺旋桨联系起来，使船体、螺旋桨和主机三者相配合：设已知船速 V 时遭受的阻力为R，则先估计伴流分数及推力减额分数t，设计或选择一个螺旋桨，要求他在进速V A =(1- )V时发出的推力 T = R /(1-t) 。假定该螺旋桨敞水效率为，转速为 n，转矩为 Q0，则估计相对旋转效率R，求出该螺旋桨在船后时的扭矩QB 及收到功率 PDB ，考虑到轴系传送效率S 后即可求出所需的主机功率Ps。5-18 快速性优秀： 具有最小的阻力最高的推进效率。5-19提高推进性能的节能技术作用原理：减小或消除船尾（桨毂帽后部）的水流分离，减小粘压阻力改善螺旋桨的进流，使进流更均匀，以改善船体和桨之间的匹配产生附加推力使桨的进流预旋或消除桨后周向诱导速度，使螺旋桨尾流中原先损失的旋转能量部分回收。5-20提高推进性能的措施：船尾形状：影响阻力和伴流及推力减额。后半体方形系数大者，伴流及推力减额较大，后者增加较大，所以总的船身效率较低方形系数一定时，船尾形状可为U 形、球尾及V 形。 U 形及球尾平均伴流较大，分布较均匀，除推进效率较高外，还有利于减小螺旋桨的激振力，但阻力较 V 形的大，总体来说，球尾为佳 船首形状： 球首不仅可减小兴波阻力，还对提高推进效率的作用相当显著。 无论大型球首或小型 “流鼻 ”，都可减低阻力， 提高推进效率 舵：位于螺旋桨后方的舵可减小尾流旋转动能的损失，提高推进效率，对推进效率的影响以推力减额分数表示，流线型舵优于平板舵，反应舵更优，配置整流帽更有利。方法有：舵附加推力翼螺旋桨进流补偿导管螺旋桨毂帽鳍在桨前方或后方加固定叶轮桨后自由叶轮 图谱设计桨和环流理论设计桨： 敞水效率两者相同，船后工作时环流桨具有较高的推进效率。5-21 伴流及推力减额与船型、螺旋桨尺度以及螺旋桨与船体间的相对位置等因素有关。5-22 估算伴流分数的近似公式：统计结果表明单桨船：平均而言泰勒公式误差最小对内河船，以巴普米尔公式的两倍与汉克歇尔公式的求和平均值为佳双桨船：各式均较接近，CB小时，相差较大巴普米尔公式适用性广，对求和而言，上三式平均值最佳。5-23 估算推力减额的近似公式：汉克歇尔公式：单桨标准商船（CB=0.540.84 ）： t=0.50C P-0.12单桨渔船： t=0.77C P-0.30双桨标准商船（CB =0.540.84）： t=0.50C P-0.18。5-24 相对旋转效率 的近似取值： 单桨船： =0.981.05双桨船： =0.971.00一般可近似地取为RRRR=1.0 。5-25 伴流分数的尺度作用：由于实船的雷诺数比船模的雷诺数大得多，其伴流较船模伴流小。伴流分数的差别是尺度作用引起的。6-1 船舶发展的两种趋势： 军用船舶主机不断向高转速和大功率方向发展，并将高速主机与螺旋桨直接相连。这类船的螺旋桨上的空泡在所难免船舶大型化和高功率。由于螺旋桨负荷增加，尾部流场的不均匀性使螺旋桨上产生时生时灭的空泡，导致桨叶剥蚀损伤，并伴有强烈的尾部振动。6-2 空泡的成因： 螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降低至临界值以下时，导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡 。该压力临界值即为该温度时水的 汽化压力（饱和蒸汽压力） p v。（ 在液体中产生空泡是因液体内本身存在某种“缺陷 ”或 “弱点 ”所致，这种缺陷或弱点就是气核）6-3 空泡的判别条件 （仅对汽化空泡近似正确）：若切面上某处减压系数 0，则压力降低。当压力将至该水温的汽化压力pv 时，该处即开始出现空泡。故产生空泡的条件为： pp空泡数 ，则该点即产生空泡。 因此产生空泡的条件也表v 若切面上某点处的减压系数示为： 若已知物体某一物体在一定运动情况下的最大减压系数为max（切面上的压力最低处） ，则由空泡数 决定其不发生空泡的极限速度V k值。不发生空泡的极限条件为max0v）k2，故物=或 =2 (p -p/ V体做高速运动时，若速度超过极限值V k=2 (p 0-pv） / max 0.5，则必然发生空泡。6-4 影响减压系数 ，空泡数 的因素： ：B 点处的流速 Vb对来流速度 V的比值（ Vb/V ），绕流条件00下：与切面形状，入射角点的位置有关；与 V 0 的大小无关（对一定切面来说，增加入射角其maxK 及 B亦增。同一入射角，机翼型切面max 较弓型大） ：与来流速度 V 0、水的汽化压力 pv 及静压力 p0 有关；与桨叶切面的几何特征无关（在V 0 和 p0=pa+hs一定时，水温越高，pv 越大， 越低；在 V 0 和大气压力pa一定时，桨叶的沉没深度越大，02VA20.5，转速 n 或进速 V A越大，合成越高；来流速度 V =(2 nr)+速度 V 0 越大， 则越小）。6-5 空泡分类：气化空泡：原溶解于水中的气体，由于降压或过饱和，以扩散的方式通过界面逸到存在于水里的气核中并成长到肉眼能见的程度汽化空泡： 液体分子因降压到汽化压力导致爆发式的汽化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀似是空泡： 原来以各种方式存在于水中的气核，虽然没有任何水汽或气体的逸入，但当外界压力降低时，它本身也会膨胀到肉眼可见的程度（气化空泡或似是空泡都可能在大于、小于或等于pv 时出现，而汽化空泡总在小于或等于pv 下才能出现。前者空泡成长缓慢，后者迅速）。6-6 剥蚀现象： 由于空泡溃灭，产生内爆，这种内爆之冲击力反复集中于一点，使叶表面材料被剥蚀而损坏。6-7 局部空泡： 水汽通过界面，进入气核并使之膨胀而形成球状空泡，常发生于叶切面上最大减压系数附近。6-8 叶切面空泡对性能的影响：第一阶段：空泡区域是局部的，对水动力性能无明显影响，但可能产生剥蚀第二阶段：空泡区拖到随边之外，对叶表面无剥蚀，但使对水动力性能恶化。6-9螺旋桨空泡形态（按发展的物理过程分）：涡空泡：出现在叶梢和毂部，由梢涡和毂涡引起，先于其他空泡发生，不影响水动力性能，无剥蚀。但桨载荷较高且在丰满尾部工作时，梢涡空泡的另一端可能贴到船底，不构成尾振 ，但使噪声明显增大泡状空泡：叶背上切面最大厚度处所产生的空泡，成泡沫状。在叶背后段溃灭，对水动力性能影响不大，但发生剥蚀片状空泡：在桨叶外半径部分导边附近产生，呈膜片状，长度不一，攻角较大时易产生这类空泡。若空泡从叶切面导边延伸至随边外，则形成超空泡流动，否则为局部空泡，对水动力性能有影响，前者无剥蚀作用，后者有剥蚀作用。云雾状空泡： 螺旋桨在不均匀流场中工作时，攻角时大时小的变化，使空泡周期性的产生消失，对螺旋桨的剥蚀最为严重。空泡在物面上周期性地生成和溃灭，消失时被水流冲向后方，形成云雾状，故称云雾状空泡。6-10 空泡对螺旋桨性能的影响：第一阶段： k，虽有空泡存在，但对水动力性能无影响，产生剥蚀第二阶段（全空泡螺旋桨） ： k时 K T， K Q， 0 急剧下降，空泡大部分或全部覆盖桨叶，影响性能，但无剥蚀作用。6-11 延缓螺旋桨空泡发生的措施：一般民船航速较低，不可能产生叶切面全为空泡所覆盖的片状空泡，若桨叶上发生空泡，则属第一阶段空泡，虽不影响水动力性能，但产生剥蚀，影响螺旋桨强度。因此应避免空泡发生 从降低最大减压系数max 着手： 增加盘面比，以减低单位面积上的平均推力，使叶背上的 下降（盘面比的增加相当于叶切面弦长加大，故可用较小的攻角来产生同样的升力，从而max 降低）采用弓型切面或压力分布较均匀的其他切面形式（切面的压力分布较均匀，max 相应较小，对延缓空泡发生有利）减小叶根附近切面的螺距（单桨船叶根部分的伴流较大，易产生空泡，将根部螺距适当减小，从而使该处的降低） 从提高空泡数着手： 增加桨的浸没深度，以增大减小桨的转max速，尽量选用低转速的主机对高速军舰，空泡在所难免，处理方法：允许桨上有部分空泡存在，在使用过程中根据其剥蚀情况予以调换速度再高时，设法促使其在第二阶段空泡状态下运转，即全空泡（超空泡）螺旋桨的设计问题。6-12 空泡试验的相似条件：若两几何相似螺旋桨进速系数相等，则对应点处的速度成比例，即各对应点的减压系数 相等；若两者空泡数相等，则对应点处的减压系数与空泡数 的关系一致，即模拟了空泡现象。 所以螺旋桨及其模型满足空泡相似的条件为进速系数J 相等空泡数 相等。 若桨模的沉没深度与实桨相等，则 p0m= p0s。常温下进行试验， pvm= pvs。因此 相等，则进速相同，即V Am= V As；若同时满足 J、 相等，则 nm=ns。由上可知，若在敞露的水池中进行空泡试验，则拖车速度与实桨进速速度相等，桨模转速为实桨的倍，且桨模的沉没深度需与实桨相同。上述条件难以实现，故采用特殊装置来进行螺旋桨模型的空泡试验，如空泡试验筒（调节（减小）静压力p0m，也可改变水温来调节汽化压力pvm）或减压水池。6-13 空泡试验（水）筒：由密封的循环水筒，驱动水泵，调压装置等组成，工作段有观察窗，试验时水循环流动，并减压使空泡数与实桨相等，用频闪仪和高速摄影机观察和记录试验，由动力仪测量桨的推力、转矩。6-14 空泡试验方法及测量数据的表达：定流速，调节转速改变J，调节筒内压力以获得所需空泡数。须测量水流速度V A ，桨模的转速n，推力 T，转矩 Q，轴线处的静压力p0 以及水温。根据试验结果绘制成进速 V A 一定时不同空泡数下的螺旋桨推力 T 、转矩 Q 与转速 n 的关系曲线， 并进一步绘制不同空泡数的性征曲线。6-15 空泡校核方法：柏利尔限界线，根据各类船舶螺旋桨的统计资料，提出的校核空泡的限界线。图中以 07R 处切面的空泡数07R 为横坐标，单位投射面积上的平均推力系数c为纵坐标。6-16 空泡校核： 在设计螺旋桨时应考虑其是否发生空泡或空泡的发展程度，故需进行空泡现象的预测，以便确定所设计的螺旋桨是否合理。7-1 强度校核： 为了船舶安全航行，须保证螺旋桨具有足够的强度（设计时需强度计算并确定桨叶厚度分布），使其在正常航行状态下不致破损或断裂。7-2 桨叶受力： 工作时，桨叶上的流体动力有轴向的推力和与转向相反的阻力，两者都使桨叶产生弯曲和扭转桨旋转时桨叶本身的质量产生的径向离心力，使桨叶受拉伸，若桨叶具有侧斜或纵斜，则离心力还使桨叶产生弯曲桨叶上可能受到意外的突然载荷桨处在不均匀的尾流场中，使桨叶受力产生周期性变化。7-3 螺旋桨的强度校核方法：规范校核法：确定桨叶厚度分析计算法：静态负荷（假定作用于桨叶的外力负荷不变）下螺旋桨的强度计算。计算出每一桨叶上的推力、旋转阻力及离心力对计算切面的弯矩，再根据几何特性确定所受的应力。桨工作时，桨叶根部所受的应力最大，应用分析计算法来校核桨叶强度时，主要计算叶根处的切面强度。7-4桨叶的叶梢厚度： D3.0 m 时， t =0.0045D ； D3.0 m 时， t =0.0035D 。7-5桨叶厚度的径向分布： 线性分布： t 到 0.25R处厚度连直线非线性分布：t 0.6R0.25R 处厚度连成光顺曲线荷兰船模试验水池建议的厚度分布：tx=f x(t0.2-t )+t， tx： x=r/R处切面的厚度； f x：系数（查表确定） 。7-6 螺距修正： 螺旋桨设计中，有些参数与所用系列桨不同（强度校核计算所得的桨厚小于选用系列的厚度时，可直接采用系列桨厚度及厚度分布，但浪费材料；若大于则为满足强度要求需增加桨叶厚度，导致设计桨的叶厚分数大于系列桨的；有时设计桨的毂径比不同于系列桨） ，此时需要修正设计桨螺距，使两者性能相同毂径比不同叶厚比不同（为满足强度要求而增加桨叶厚度，导致设计桨的叶厚分数大于系列桨）。7-7 叶厚比不同修正原则： 0.7R 处切面的螺距角与无升力角 0 之和等于常数。8-1 螺旋桨设计问题的分类：初步设计：对新设计的船，根据设计任务书对航速的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力已知船速V ，有效马力PE，根据选定的直径 D ，确定最佳转速n，效率 0，螺距比 P/D 和主机马力 PS已知船速 V ，有效马力 PE，根据选定的转速 n，确定最佳直径D，效率 0，螺距比 P/D 和主机马力 PS（已知量： V，PE；给定量： D 或 n，求解 ，0P/D ，P ）终结设计： 主机马力和转速决定后，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度，即已知主机马力P ，SS转速 n 和有效马力 PE 曲线，确定最大船速V ，直径 D ，螺距比 P/D 及效率 0。8-2 设计螺旋桨的方法： 图谱设计法： 根据敞水试验绘制成的各类图谱进行设计（计算方便， 易于掌握，结果较满意）环流理论设计法：根据环流理论及各种叶切面的理论和试验数据进行设计。8-3 由敞水曲线绘制B型图谱： 在同一叶数和盘面比的敞水曲线上，取一定P/D 值，读取该螺距比的性征曲线上与 J 相应的一系列KQ 及 0由 B P 及 的定义， 算出 BP0.5 和 在纵坐标为 P/D，横坐标为B P0.5 的图上，通过上述计算作P/D 的水平线，并在其上标明与每一B P0.5 值对应的 0和 值，此线既能代表螺距比为 P/D 的螺旋桨水动力特性对不同的P/D 的螺旋桨性征曲线作上述处理并绘制在同一图上，将 0 和 值的等值线将各B P0.5=常数时效率最高点连成光顺曲线，即0 和 值相同的点连成曲线，得为最佳效率线。8-4AU 型螺旋桨（等螺距螺旋桨）形式： AU 型螺旋桨的原型：初始阶段发展的模型，为部分5叶和 6叶桨所采用改进AU 型（ MAU ）：减小部分切面的前缘高度，适当降低面空泡的裕度，增大叶背的抗空泡性能 AU W 型：桨叶切面后缘有一定翘度，6 叶桨采用。8-5 图谱的应用： 设计时先确定伴流分数、推力减额分数 t、相对旋转效率 及传送效率 螺旋桨的RS初步设计问题：已知船速V ，PE0S，根据选定的 D ，确定最佳 N， ， P/D 和 P ：首先选定螺旋桨形式，叶数和盘面比。假定一组转速N 进行计算，然后以N 为横坐标， PS， PTE ，P/D ， 0 分别为纵坐标。根据已知船速 V 时的有效马力值PE 做水平线与 PTE 曲线相交，交点即为所求的螺旋桨，由此可读出转速N，要求的主机马力 PS0P0.5-图谱中的最佳效率曲线应为最佳直径曲线而不是最佳