浙海院船舶快速性课件02船舶推进-3基础理论及水动力特性

第3章

基础理论及水动力特性

本章主要内容§3-1理想推进器理论§3-2理想螺旋桨理论§3-3作用在桨叶上的力和力矩

§3-4螺旋桨的水动力性能

早期的推进器理论可分为动量理论:

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。叶元体理论:

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。螺旋桨环流理论流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨，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。§3-1理想推进器理论一、理想推进器的概念和力学模型

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。

理想推进器力学模型图3-1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）的流体质量为流入的动量为流出的动量为故在单位时间内水流获得的动量增值为：二、理想推进器的推力和诱导速度根据动量定理，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：伯努利方程适用条件：质量只有重力的不可压缩的理想流体，定常流动。沿着同一根流线，流体的动能、位势能和压强势能可以相互转变，三者之和保持不变。单位重力流体的动能位势能压强势能物理意义沿着同一根流线，流线的速度水头、位置水头和压强水头之和为常数。速度水头位置水头压强水头几何意义总水头在盘面远前方和紧靠盘面处有下列关系式：即：而在盘面远后方和紧靠盘面处有：即：伯努利方程的应用推力Ti的另一种表达形式为：

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。三、理想推进器的效率

有效功率为TiVA

单位时间内损失的能量(即单位时间内尾流所取得的能量)为：推进器消耗的功率为：

理想推进器的效率ηiA为：：推进器的载荷系数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：

下图表示ηiA与载荷系数之间的关系曲线。§3-2理想螺旋桨理论理想推进器：吸收外来功率并产生轴向诱导速度。理想螺旋桨：利用旋转运动来吸收主机功率。一、旋转力与周向诱导速度的关系

单位时间内流过此圆环的流体质量：单位时间内动量矩的增量：桨盘紧前方的动量矩：桨盘紧后方的动量矩：桨盘紧后方的周向诱导速度。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。作用在流体上的力矩：其中，作用在流体上的旋转力

桨盘紧后方的周向诱导速度。

桨盘远后方的周向诱导速度。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

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。

桨盘处的周向诱导速度。二、诱导速度的正交性吸收的功率消耗的功率诱导速度un垂直于合速VR。三、理想螺旋桨的效率--理想推进器效率／理想螺旋桨的轴向诱导效率。--理想螺旋桨的周向诱导效率。§3-3作用在桨叶上的力和力矩一、速度多角形

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。

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。经过运动转换以后，叶元体即变为固定不动，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。

图3-6二、作用在机翼上的升力和阻力

将一给定形状的机翼置于均匀流速u的来流中。给定机翼冲角，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。

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：

dL

=ρV

RΓ(y)dy

三、螺旋桨的作用力

dT

=dLa－dDa=dLcosβi－dDsinβidF

=dLt

+

dDt=dLsinβi+dDcosβi图3-10dT

=dLa-dDa=dLcosβi-dDsinβi

dF

=dLt

+

dDt=dLsinβi+dDcosβi

dL

=ρVRΓ（r）dr

dD

=εdL（ε

叶元体的阻升比）

dT

=ρΓ（r）VRcosβi（1-ε

tgβi）dr

dQ

=ρΓ（r）VRsinβi（1+εctgβi）rdr

从前图可得到如下关系式：

dT

=ρΓ（r）（ωr

–ut）（1-ε

tgβi）dr

dQ

=ρΓ（r）（VA

+ua）（1+ε

ctgβi）rdr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T=Zρ

Γ(r)(ωr

-ut)(1-εtgβi)drQ=Zρ

Γ(r)(VA

+ua)(1+)rdr

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2πnQ，故螺旋桨的效率为：η0=§3-4

螺旋桨的水动力性能

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。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。

螺距和进程hp之差（P－hp）称为滑脱。图3-1l滑脱与螺距的比值称为滑脱比并以S来表示。S==1-=1-

进程hp与螺旋桨直径D的比值称为进速系数，以J来表示。J==

由上述两式，可得进速系数J与滑脱比S

之间的关系为：J=(1-S)

进速系数J的变化对螺旋桨性能的影响

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P1来表示。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距螺距，并以P2表示。

对于一定的螺旋桨而言，显然P2＞P1＞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hp小于实效螺距P1。实效螺距P1与进程hp之差(P1-hp)称为实效滑脱，其与实效螺距P1的比值称为实效滑脱比，以S1来表示，即

S1==1-