第三章螺旋桨基础理论及水动力特性

1、第三章 螺旋桨基础理论及水动力特性 关于使用螺旋桨作为船舶推进器的思想很早就已确立，各国发明家先后提出过很多螺旋推进器的设计。在长期的实践过程中，螺旋桨的形状不断改善。自十九世纪后期，各国科学家与工程师提出多种关于推进器的理论，早期的推进器理论大致可分为两派。其中一派认为：螺旋桨之推力乃因其工作时使水产生动量变化所致，所以可通过水之动量变更率来计算推力，此类理论可称为动量理论。另一派则注重螺旋桨每一叶元体所受之力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩，此类理论可称为叶元体理论。它们彼此不相关联，又各能自圆其说，对于解释螺旋桨性能各有其便利处，然亦各有其缺点。 其后，流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨，

2、解释叶元体的受力与水之速度变更关系，将上述两派理论联系起来而发展成螺旋桨环流理论。从环流理论模型的建立至今已有六十多年的历史，在不断发展的基础上已日趋完善。尤其近二十年来，由于电子计算机的发展和应用，使繁复的理论计算得以实现，并促使其不断完善。虽然动量理论中忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有一定距离，但这个理论能简略地说明推进器产生推力的原因，某些结论有一定的实际意义，故在本章中先对此种理论作必要介绍，再用螺旋桨环流理论的观点分析作用在桨叶上的力和力矩，并阐明螺旋桨工作的水动力特性。至于对环流理论的进一步探讨，将在第十二章中再行介绍。 3-1 理想推进器理论一、理想推进器的概念和力学模型

3、 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其所形成的水流情况密切有关。因而我们可以应用流体力学中的动量定理，研究推进器所形成的流动图案来求得它的水动力性能。为了使问题简单起见，假定：（1）推进器为一轴向尺度趋于零，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)。（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。 根据这些假定而得到的推进器理论，称为理想推进器理论。它可用于螺旋桨、明轮、喷水推进器等，差别仅在于推进器区域内的水流断面的取法不同。例如，对于

4、螺旋桨而言，其水流断面为盘面，对于明轮而言，其水流断面为桨板的浸水板面。设推进器在无限的静止流体中以速度VA前进，为了获得稳定的流动图案，我们应用运动转换原理，即认为推进器是固定的，而水流自无穷远前方以速度VA流向推进器(鼓动盘)。图3-1(a)表示包围着推进器的流管。由于推进器的作用，在流管中水质点的速度与流管外不同，在流管以外的水流速度和压力处处相等，均为VA和p0，故流管的边界ABC和A1BlC1是分界面。现在讨论流管内水流轴向速度和压力的分布情况。参阅图3-1(a)，在推进器的远前方(AA1剖面)压力为p0、流速为VA。离盘面愈近，由于推进器的抽吸作用，水流的速度愈大而压力下降，到盘面

5、(BB1剖面)的紧前方时，水流的速度为VA +ua1而压力降为p1。当水流经过盘面时，压力突增为(这一压力突变是由于推进器的作用而产生)，而水流速度仍保持连续变化。水流离开盘面以后，速度将继续增大而压力下降。到推进器的远后方(CC1剖面)处，速度将达到最大值VA +ua，而压力回复至p0，图3-1(b)和3-1(c)分别表示流管中水流速度和压力的分布情况。流管内水流轴向速度的增加使流管截面形成收缩，而流管内外的压力差由其边界面的曲度来支持。由于假定推进器在无限深广的流体中运动，故流管以外两端无限远处的压力图3-1和水流速度可视为不变。 二、理想推进器的推力和诱导速度根据以上的分析，便可以进一步

6、决定推进器所产生的推力和水流速度之间的关系。应用动量定理可以求出推进器的推力。单位时间内流过推进器盘面(面积为A0)的流体质量为m=A0(VA+ua1)，自流管远前方AA1断面流入的动量为A0(VA+ua1)VA，而在远后方CC1断面处流出的动量为A0(VA+ua1)(VA+ua)，故在单位时间内水流获得的动量增值为：A0(VA+ua1)(VA+ua)A0(VA+ua1)VA = A0(VA+ua1)ua根据动量定理，作用在流体上的力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，故推进器所产生的推力Ti为：Ti = m ua= A0(VA+ua1)ua (3-1)以上各式中，为流体的

7、密度。为了寻求盘面处速度增量ua1与无限远后方速度增量ua的关系，在推进器盘面前和盘面后分别应用伯努利方程。在盘面远前方和紧靠盘面处有下列关系式，即p0 +V= p1+(VA +ua1)2故p1 = p0 +V(VA +ua1)2 (3-2)而在盘面远后方和紧靠盘面处有：p0 +(VA +ua)2 =+(VA +ua1)2故 = p0 +(VA +ua)2 -(VA + ua1)2 (3-3) 盘面前后的压力差p1就形成了推进器的推力，由(3-2)及(3-3)式可得： p1 = (VA +ua)ua (3-4) 因推进器的盘面积为A0，故推进器所产生的推力Ti的另一种表达形式为： Ti = (

8、p1)A0 = A0(VA +ua)ua (3-5)比较(3-1)及(3-5)两式可得： ua1= ua (3-6)由上式可知，在理想推进器盘面处的速度增量为全部增量的一半。水流速度的增量ua1及ua 称为轴向诱导速度。由(3-1)式或(3-5)式可见，轴向诱导速度愈大，推进器产生的推力也愈大。三、理想推进器的效率推进器的效率等于有效功率和消耗功率的比值。现以绝对运动观点来讨论理想推进器的效率。推进器在静水中以速度VA前进耐产生推力Ti，则其有效功率为TiVA，但推进器在工作时，每单位时间内有 A0(VA+ua)质量的水通过盘面得到加速而进入尾流，尾流中的能量随水消逝乃属损失，故单位时间内损失

9、的能量(即单位时间内尾流所取得的能量)为：A0(VA +ua1)u= Ti ua从而推进器消耗的功率为： Ti VA + Ti ua = Ti(VA +ua)因此，理想推进器的效率iA为：iA = = (3-7) 由(3-5)式可见，推进器必需给水流以向后的诱导速度才能获得推力，故从(3-7)式可知，理想推进器的效率总是小于1。 理想推进器的效率还可用另外的形式来表达，根据(3-5)式解ua的二次方程可得：ua=VA + (3-8)或写作： =1=1 (3-9)式中，= 称为推进器的负荷系数。将(3-9)式代入(3-7)可得效率的表达式为： iA = (3-10)由(3-9)及(3-10)式可

10、见，若已知推进器的载荷系数，便可以确定诱导速度ua(或ua1)及效率iA。图3-2表示iA，与载荷系数之间的关系曲线。愈小则效率愈高。在推力Ti和速度VA一定的条件下，要取得小的载荷系数必须增大盘面积A0，对螺旋桨来说需增大直径D，从而提高效率。这一结论具有重要的现实意义。图3-2 3-2 理想螺旋桨理论(尾流旋转的影响)在理想推进器理论中，规定推进器具有吸收外来功率并产生轴向诱导速度的功能。然而，对于推进器是怎样吸收外来功率，又如何实现推水向后等问题，却未予说明。对于螺旋桨来说，它是利用旋转运动来吸收主机功率的。因而，实际螺旋桨在工作时，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

11、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，如图3-3所示。 图3-3 为了便于简要地分析周向诱导速度的存在对螺旋桨性能的影响，兹讨论具有无限多桨叶的螺旋桨在理想流体中的运动情况，即同一半径处周向诱导速度为常量。按动量矩定理，必需有对轴线之外力矩才能变更流体对此轴的动量矩，因为我们假定水是理想流体，故在流体中任何面上仅有垂直的力。在桨盘以前，水柱之任何两切面间所受的压力或通过轴线、或平行于轴线，对轴线皆无力矩，故动量矩保持不变，因而水质点不能产生周向的附加速度，亦即在盘面以前水流的周向诱导速度总是等于零。水流经过盘面时，因螺旋桨的转动作用使水流获得周向诱导速度。水流过螺旋桨

12、后直到远后方，作用在流体上的外力矩又等于零，所以流体的动量矩不变。若桨盘后尾流的收缩很小，则可近似认为从螺旋桨紧后方和远后方的周向诱导速度为一常数。一、旋转力与周向诱导速度的关系 设螺旋桨在无限、静止流场中以速度VA前进，以角速度 = 2 n旋转。为了便于讨论，假定螺旋桨仍以旋转但不前进，而水流在远前方以轴向速度VA流向推进器。现分别以u tl和ut表示桨盘处和远后方的周向诱导速度(其方向与螺旋桨旋转方向相同)，并对盘面上半径r处dr段圆环中所流过的水流应用动量矩定理。参阅图3-4，设dm为单位时间内流过此圆环的流体质量，其值为： 图 3-4dm = dA0(VA +ua)式中，dA0为桨盘上

13、半径r至(r+dr)段的环形面积。若L 和L分别表示质量为dm的流体在桨盘紧前方和紧后方的动量矩，则：L = 0L = dmr式中，为螺旋桨紧后方的周向诱导速度。在单位时间内动量矩的增量为：LL = dm r (3-11) 根据动量矩定理：流体在单位时间内流经流管两截面的动量矩增量等于作用在流管上的力矩。在我们所讨论的情形下，是指对螺旋桨轴线所取的力矩。即 LL = dQ (3-12)设螺旋桨在旋转时dr圆环范围内作用于流体的旋转力为dFi，则其旋转力矩为rdFi，故作用在流体上的力矩应为： dQ = rdFi (3-13)由(3-11)及(3-13)两式可得：dFi = dm (3-14)

14、质量为dm的流体经过桨盘之后，不再遭受外力矩的作用，故其动量矩保持不变。若桨盘后尾流的收缩很小，则可以近似地认为桨盘后的周向诱导速度为一常数，亦即桨盘紧后方及远后方处的周向诱导速度相等，故 = ut (3-15)根据动能定理可知，质量为dm的流体在旋转运动时动能的改变应等于旋转力dFi在单位时间内所作的功，即dFi ut1 = dm式中，utl为桨盘处的周向诱导速度。将(3-14)式代入式中，并经简化后可得： ut1=ut (3-16)上式表明，螺旋桨盘面处的周向诱导速度等于盘面后任一截面处(包括远后方)的周向诱导速度的一半。二、诱导速度的正交性(ua与ut间的关系)dr段圆环面积dA0吸收的

15、功率为rdFi，它消耗于三部分：完成有效功dTiVA，水流轴向运动所耗损的动能dm和水流周向运动所耗损的动能dm。因此，rdFi = dTiVA +dm+dm (3-17) 将dFi = dm ut，代入(3-17)式左边并消去两端dm整理后可得： = (3-18)若将盘面处远前方及远后方三项的水流速度(相对于半径r处的圆环)作出图3-5所示的速度多角形。则据(3-18)式可知，由矢量(VA+ua1)、(rut1)和VR组成的直角三角形与ua、ur和un组成的直角三角形相似。从而得到一个非常重要的结论：诱导速度un垂直于合速VR。图中V0和V分别表示远前方和远后方的合速。图 3-5三、理想螺旋

16、桨的效率设dTi为流体在环形面积dA0上的推力，则单位时间内所做的有用功为dTiVA，而吸收的功率为dFir，故半径r处dr段圆环的理想效率为：i = (3-19)将(3-18)式代入(3-19)式得到i = iA iT (3-20)式中，iA即为理想推进器效率，也可称为理想螺旋桨的轴向诱导效率。而 iT = (3-21)称理想螺旋桨的周向诱导效率。 从(3-20)式可见，由于实际螺旋桨后的尾流旋转，故理想螺旋桨效率i总是小于理想推进器效率iA。这里尚须提醒的是：(3-20)式乃是半径r处dr段圆环的理想效率，只有在各半径处的dr圆环对应的i都相等时，该式所表示的才是整个理想螺旋桨的效率。 3

17、-3 作用在桨叶上的力和力矩一、速度多角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：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。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。图3-6严格说来，上述结论只适用于在理想流体中工作的具有无限叶数的螺旋桨。但对于有限叶数的螺旋桨，在螺旋桨桨叶上的诱导速度与远后方相应位置处诱导速度间的关系也是这样，且在一定条件下(3-18)式的关系也是成立的。 综上所述，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

18、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。参阅图3-6，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：设螺旋桨的进速为VA，转速为n，则叶元体将以进速VA、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的方向则与圆周速度U相反。从而得到与图3-5相类似的叶元体的速度多角形图(3-6)。图中称为进角、i称为

19、水动力螺距角、VR为相对来流的合成速度。由图3-6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VR、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。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，我们可以用环量为的一根无限长的涡线来代替机翼，这根涡线称为附着涡。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，其值为： L = V (3-22)式中，为流体的密度，V为来流速度。(3-22)式即为著名的茹柯夫斯基公式。实际上流体是有粘性的，所以无限

20、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(a)是某一机翼的CL、CD和K的关系曲线。图中： 升力系数 CL = (3-23)阻力系数 CD = (3-24)图 3-7式中 V 来流的速度(即机翼前进的速度)； S 机翼平面的面积； L 机翼的升力； D 机翼的阻力。 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，CL不等于零，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

21、对攻角，如图3-7(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厂延伸至无限远处，如图3-8所示。图 3-8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3-9所示。由于机翼处下洗速度un/2，图 3-9使得原来流速V改变为VR，真正的攻角由改

22、变为K，为三元的名义弦线攻角，K称为有效几何攻角。 =K称为下洗角，一般约为23，因此可近似地认为： = (3-25)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(y)，从茹柯夫斯基升力公式可知，d y段机翼所受的升力dL垂直于来流VR，其大小为：dL = VR(y)d y (3-26)也就是说，有限翼展的机翼微段相当于来流速度为VR，攻角为K的二因次机翼，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。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VA和转速n时，如能求得诱导速度ua及nt，则可根据机翼理论求出任

23、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。图 3-10取半径r处dr段的叶元体进行讨论，其速度多角形如图3-10所示。当水流以合速度VR、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：dT = dLa- dDa = dLcosi -dDsini dF = dLt + dD t = dLsini + dDcosi (3-27)根据茹柯夫斯基升力公式，叶元体上dr段产生的升力为：dL =VR(r)dr (3-28)将(3-28)式代

24、入(3-27)式，并考虑到dD = dL(为叶元体的阻升比)，叶元体转矩dQ = rdF，可得到：(3-29)dT = (r)VR cos i(1- tg i)drdQ = (r)VRsin i(1+ctg i)rdr从从图3-10可得到如下关系式：VR cos i = r -utVR sin i = VA +ua将这些关系式代入(3-29)式，可得：(3-30)dT = (r)(r -ut)(1- tg i)drdQ = (r)(VA +ua)(1+ ctg i)rdr类似地，可以求得叶元体的效率为：or = = iA iT (3-31)其中iA和iT分别为轴向诱导效率和周向诱导效率，=(1

25、- tg i)/(1+/tg i)称为叶元体的结构效率，是因螺旋桨运转于具有粘性的实际流体中所引起。在实际流体中，因0，故1，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：tg =tg i =就可以将叶元体效率or表达为另一种简单而有用的形式如下：or = (3-32)也就是说，叶元体的理想效率为：i = (3-33)将(3-30)式沿半径方向从桨毂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(3-34)T = Z(r)(r -ut)(1- tg i)drQ = Z(r)(VA +ua)(1+)rdr式中，rh为

26、桨毂半径，R为螺旋桨半径。(3-34)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。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2nQ，故螺旋桨的效率为：0 = (3-35)由(3-34)式可见，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入讨论有关问题。 3-4 螺旋桨的水动力性能

27、所谓螺旋桨的水动力性能是指：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。为了清楚地描述它们之间的关系，有必要先介绍表征螺旋桨运动的性征系数并分析螺旋桨在不同运动状态下水动力性能的变化。图 3-1l 设螺旋桨的转速为n，进速为VA，则其旋转一周在轴向所前进的距离hp =VA/n称为进程。图3-1l表示螺旋桨旋转一周时半径r处叶元体的运动情况。螺距和进程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S =1-=1- (3-36) 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 J = (3-37) 由(3-

28、36)及(3-37)两式，可得进速系数J与滑脱比S之间的关系为：J = (1-S) (3-38)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。现在进一步讨论进速系数J的变化对螺旋桨性能的影响。当进速系效J=0时，由(3-37)式知，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图 3-123-12(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。 当转速保持不变，随着VA(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(图3-12(b)，而此时作用于叶元体上的升力dL