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1、1,船舶原理,2007年11月18日,2,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,第三章 螺旋槳基礎理論,一、早期的推進器理論分為兩派,1、動量理論：螺旋槳的推力乃因其工作時使水產(chǎn)生動量變化所致，所以可通過水的動量變更率來計算推力。,2、葉元體理論：注重螺旋槳每一葉元體所受的力，據(jù)以計算整個螺旋槳的推力及轉矩。,3,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,二、螺旋槳環(huán)流理論,流體力學的機翼理論應用于螺旋槳，解釋葉元體的受力與水的速度的變更關系，將上述兩派理論聯(lián)系起來而發(fā)展成螺旋槳環(huán)流理論。,雖然動量理論中忽略的因素較多，所得的結果與實際情況有一段距離，但這個理論能簡略的說明推進器產(chǎn)生推力的原因，某些結論有一些
2、實際意義。,4,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,3-1 理想推進器理論,一、誘導速度,推進器一般都是依靠撥水向后來產(chǎn)生推力的，而水流受到推進器的作用獲得與推力方向相反的附加速度，通常稱為誘導速度。顯然推進器的作用力與所形成的水流情況密切有關。,5,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,二、理想推進器理論的基本假定,1、推進器為一軸向尺寸趨于零、水可自由通過的盤，此盤可以撥水向后，稱為鼓動盤。,2、水流速度和壓力在盤面上均勻分布。,3、水為不可壓縮的理想流體。,注意：對于螺旋槳而言，其水流斷面為盤面；對明輪而言，其水流斷面為漿板的浸水板面。,6,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,三、理想推進器的力學模型
3、,7,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,四、理想推進器的推力,1、單位時間內通過推進器盤面的流體質量：,2、自流管遠前方AA1斷面流入的動量：,3、流管遠后方CC1斷面流出的動量：,8,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,4、根據(jù)動量定理，作用于流體上的立等于單位時間內流體動量的增量。而流體的反作用力即為推力：,9,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,五、盤面處速度增量與遠后方速度增量的關系,1、在盤面前和盤面后應用伯努力方程：,10,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,2、在盤面遠后方和緊靠盤面處應用伯努力方程,3、盤面前后的壓力差就形成了推力：,11,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,4、推力的另一種表達
4、式：,軸向誘導速度越大，推進器產(chǎn)生的推力也越大。,12,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,六、理想推進器的效率,推進器的效率等于有效功率與消耗功率的比值,1、推進器在靜水中航行時產(chǎn)生推力，則其有效功率為：,2、推進器工作時，單位時間內尾流所取得的能量為：,13,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,3、推進器消耗的功率：,4、理想推進器的效率：,14,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,5、理想推進器的效率的另一種表達式：,15,船舶推進第二章 螺旋槳幾何特征,6、理想推進器的效率曲線,載荷系數(shù)愈小效率愈高。增大直徑D可減小載荷系數(shù)，從而提高效率。著一結論具有重要意義,16,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論
5、,3-2 理想螺旋槳理論,17,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,一、周向誘導速度,18,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,根據(jù)理想螺旋槳力學模型，然后運用動量矩，經(jīng)過相應的推導可得漿盤處和遠后方的周向誘導速度有如下關系：,19,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,二、周向和軸向誘導速度的正交性,20,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,三、理想螺旋槳的效率,周向誘導效率：,21,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,3-3 作用在漿葉上的力及力矩,一、速度多邊形,根據(jù)上面的分析可知，螺旋槳在操作時周圍的水流情況可簡要地描述如下： 1、軸向誘導速度自槳盤遠前方的零值起逐漸增加，至槳盤遠后方處達最大值，而在盤面處
6、的軸向誘導速度等于遠后方處的一半。 2、周向誘導速度在槳盤前并不存在，而在槳盤后立即達到最大值，槳盤處的周向誘導速度是后方的一半。,22,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,當我們在討論螺旋槳周圍的流動情況時，除考慮螺旋槳本身的前進速度及旋轉速度外，還需要考慮軸向誘導速度和周向誘導速度。,在絕對運動系統(tǒng)中，軸向誘導速度的方向與螺旋槳的前進方向相反，而周向誘導速度的方向與螺旋槳的轉向相同。參閱下圖，以半徑為r的共軸圓柱面與槳葉相交并展成平面，則葉元體的傾斜角為螺距角。,經(jīng)過運動轉換以后，葉元體即變?yōu)楣潭ú粍?，而水流以軸向速度和周向速度流向槳葉切面。,23,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,結論：漿葉切
7、面的復雜運動最后可歸結為水流以速度 、攻角 流向漿葉切面。,24,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,二、作用在機翼上的升力和阻力,25,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,實驗證明，在使用范圍內，升力系數(shù)與幾何攻角約成線性關系。,為幾何攻角,為無升力角,為流體動力攻角或絕對攻角,當幾何攻角等于零時，升力系數(shù)不等于零。這是因為機翼剖面不對稱的緣故。,26,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,自由渦：翼梢的橫向繞流與來流的共同用，使機翼后緣形成旋渦層，這些旋渦稱為自由渦。,27,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,由于自由渦的存在，在空間產(chǎn)生一個誘導速度場。在機冀后緣處，誘導速度垂直于運動方向，故也稱下洗速度。
8、,28,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,考慮了尾渦的誘導速度后，我們可以將有限翼展的機翼微段近似地看作二元機冀的一段，如果已知在y處的環(huán)量，從茹柯夫斯基升力公式可知，dy段機翼所受的升力dL垂直于來流VR，其大小為：,也就是說，有限翼展的機翼微段相當于二因次機冀，故機翼微段將受到與VR垂直的升力dL和與VR方向一致的粘性阻力dD。,29,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,三、螺旋槳的作用力,30,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,上式把螺旋槳的推力、轉矩與流場及螺旋槳的幾何特征聯(lián)系起來，因而比動量理論的結果要精密完整得多。,31,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,由上式可知，欲求某一螺旋槳在給定的進
9、速和轉速時所產(chǎn)生的推力、轉矩和效率，則必須知道速度環(huán)量和誘導速度沿半徑方向的分布情況。這些問題可應用螺旋槳環(huán)流理論來解決。,32,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,四、螺旋槳的效率,當螺旋槳以進速VA和轉速n進行工作時，必須吸收主機所供給的轉矩Q才能發(fā)出推力T，其所作的有用功率為TVA，而吸收的功率為 ，故螺旋槳的效率為：,33,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,3-4 螺旋槳水動力性能,一、螺旋槳的水動力性能,一定的幾何形體的螺旋槳在水中運動是所產(chǎn)生的推力、消耗的功率和效率與其運動（進速和轉速）的關系。,34,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,二、滑脫比,1、進程：螺旋槳旋轉一周在軸向所前進的距離
10、。,2、滑脫：螺距和進程之差。,3、滑脫比：滑脫和螺距的比值。,35,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,三、進速系數(shù),1、進速系數(shù)：進程與螺旋槳直徑的比值。,2、進速系數(shù)與滑脫比的關系,在螺距一定的情況下，若不考慮誘導速度，則滑脫比大（進速系數(shù)?。┘幢硎竟ソ谴?，若轉速一定，則螺旋槳的推力轉矩也大。,36,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,四、進速系數(shù)的變化對螺旋槳性能的影響,滑脫比（進速系數(shù)）是影響螺旋槳性能的重要參數(shù)，其重要性與機翼理論中的攻角相似。,1、當進速為零，即螺旋槳只旋轉而不前進，其速度和力的關系如圖所示。,升力將與推力重合，各葉元體具有最大攻角，推力和轉矩都達到最大。,37,船舶推進
11、第三章 螺旋槳基礎理論,2、當轉速不變，隨進速的增大，攻角隨之減小，從而力矩和推力也相應減小。,當進速的增大到某一數(shù)值時，螺旋槳發(fā)出的推力為零。此時作用于葉元體上的升力及阻力在軸向的分力大小相等方向相反，故葉元體的推力等于零。,螺旋槳不發(fā)出推力時旋轉一周所前進的距離稱為無推力進程或實效螺距 。,38,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,3、當進速再增大到某一數(shù)值時，螺旋槳不遭受旋轉阻力，其實質乃是升力dL及阻力dD在周向的分力大小相等方向相反。但在此種情況下螺旋槳產(chǎn)生負推力。,螺旋槳不遭受旋轉阻力時旋轉一周所前進的距離稱為無轉矩進程或無轉矩螺距 。,39,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,對于一定的
12、螺旋槳，有：,船舶在航行時，螺旋槳必須產(chǎn)生向前的推力以克服船舶阻力，才能使船以一定的速度前進。所以螺旋槳在實際操作時，其每旋轉一周前進的距離小于實效螺距。,實效滑脫比：實效滑脫與實效螺距的比值。,40,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,轉速一定時螺旋槳推力和轉矩隨進程的變化曲線,41,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,五、推力和轉矩的無因次系數(shù),42,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,六、螺旋槳的效率,七、螺旋槳的特性曲線：推力系數(shù)、轉矩系數(shù)和效率對進速系數(shù)的關系曲線。,43,船舶推進第三章 螺旋槳基礎理論,螺旋槳的敞水特性曲線：如果只討論孤立的螺旋槳的性能，即不考慮船體的影響，則稱為螺旋槳的敞水特性曲線。,
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