船舶推進概念

船舶推進概念1推進器：在船上需設(shè)有把能源（發(fā)動機）發(fā)出的功率轉(zhuǎn)換為推船前進的功率的專門的裝置或機構(gòu)。1-2快速性：指船舶在給定主機功率情況下，在一定裝載下（以一定的航速航行的能力）于水中航行的快慢問題。3對快速性的要求四方面：①船舶于航行時所遭受的阻力要小，即所謂的優(yōu)良線型的選擇問題②選擇推力足夠，且效率高的推進器③選取合適的主機④推進器與船體和主機之間協(xié)調(diào)一致。1-4推進器類型及特點：①螺旋槳：構(gòu)造簡單、價格低廉、使用方便、效率較高②風帆：可利用無代價的風力，但推力依賴于風向和風力，故船的速度和操縱性能都受到限制③明輪：機構(gòu)笨重，在波濤中操縱性差且易損壞④直葉推進器：操縱性能好，效率較高，洶涌海面下，工作情況也較好，但機構(gòu)復雜，造價昂貴，葉片易損壞⑤噴水推進器：具有良好的保護性，操縱性能好，但減少了船的有效載重，且推進效率低⑥水力錐形推進器：構(gòu)造簡單，設(shè)備輕便，常用于航行在淺水及阻塞航道中的船。1-5有效功率（推進器所產(chǎn)生的實際有效功率）時間內(nèi)所消耗的功為Rv，而有效推力為有效功率PE。6推進系數(shù)PC：有效功率與主機功率之比，為多種效率相乘之綜合名稱，通?？梢员硎居媚撤N機器及推進器以推進船舶之全面性能，推進系數(shù)越高，船舶的推進性能越好。1-7本課程主要研究：推進器在水中運動時產(chǎn)生推力的基本原理以及它的性能好壞（效率高低）等問題，然后解決如何根據(jù)實際的要求設(shè)計出一個性能優(yōu)良的推進器問題。①②船-槳-機配合問題③螺旋槳設(shè)計。2-1螺旋槳各部分名稱（通常由槳葉和槳轂構(gòu)成）力，在槳轂后端加的整流罩，旋槳槳葉的一面為葉面，另一面為葉背槳正車旋轉(zhuǎn)時槳葉邊緣在前面者為導邊，另一邊為隨邊形軌跡⑧螺旋槳直徑D：梢圓的直徑轉(zhuǎn)時，由船后向前看去所見到的旋轉(zhuǎn)方向為順時針者為右旋槳，反之為左旋槳。2-2螺距P：母線繞行一周在軸向前進的距離①②若母線為直線但不垂直于軸線，則形成斜螺旋面③2-3節(jié)線及螺旋線：將半徑為線（矩形的對角線）為節(jié)線。母線上任意一固定點在運動過程中所形成的軌跡，或任意共軸圓柱面與螺旋面相交的交線為螺旋線。2-4螺距角e：節(jié)線與底邊間的夾角，2-5螺旋槳的螺距：①等螺距螺旋槳旋槳葉面各半徑處的面螺距不等）2-6螺距比P/D：面螺距P2-7槳葉的切面（葉切面或葉剖面）較高，但空泡性能較差②弓形切面：空泡性能較好，但效率較低③2-8內(nèi)弦：連接切面導邊與隨邊的直線；外弦。對于系列圖譜螺旋槳，外弦為弦線；理論設(shè)計螺旋槳：內(nèi)弦為弦線。弦長為b。9葉厚：切面厚度以垂直于所取弦線方向與切面上下面交點的距離來表示，其最大厚度2-10葉厚比（切面的相對厚度）2-11拱線、拱度及拱度比：的拱度，以fM表示°fM與弦長2-12槳葉（葉面或輻射）參考線：2-13縱斜角￡：若為斜螺旋面，參考線與軸線的垂線成的夾角。度（縱斜螺旋槳一般向后傾斜，可增大槳葉與尾框架或船體間的間隙，以減小螺旋槳誘導的船體振動。Te在單位時間內(nèi)所作的功為與槳轂形成一光順流線型體④葉根：⑨螺旋槳的盤面積R的圓柱面展成平面，則為一底邊長tane=P/2nR（r102〉e3）:螺旋槳上任意半徑處的面螺距07R或075R處的面螺距代表螺旋槳的螺距，b之比，f=fM/b。Tev，兩者數(shù)值相等，故推進器（效率、空泡、強度、振動）由船尾后面向前看時所見到的螺槳葉的外端⑩右（左）旋槳：2nR高為P月牙形切面。zR：參考線線段在軸線上的投影長R，則阻力R在單位Tev（或Rv）②轂帽：為減小水阻⑥導邊及隨邊：螺旋當螺旋槳正車旋②變螺距螺旋槳（螺P07R或P075R。①機翼形切面：效率t為葉厚。螺旋槳與尾軸連接部分⑤葉梢：螺旋槳旋轉(zhuǎn)時（設(shè)無前后運動）葉梢的圓的矩形，螺旋線變?yōu)榈男?。與直徑棱形切面④6=t/b。切面的中線或平均線稱為拱線（中線）。拱線到內(nèi)弦線的最大垂直距離為切面縱斜但縱斜不宜過大，會因離心力而增加葉根處的彎曲應(yīng)力，對槳葉強度不利）。14投影輪廓：槳葉在垂直于槳軸的平面上的投影為正投影，其外形輪廓為投影輪廓。投影輪廓對稱與參考線的為對稱葉形，反之為不對稱葉形。投射面積AP：螺旋槳所有槳葉投影輪廓包含面積的總和。2-15伸張輪廓：將各半徑處共軸圓柱面與槳葉相截的各切面展成平面后，以其弦長置于相應(yīng)半徑的水平線上，并光順連接端點所得之輪廓。伸張面積AE：螺旋槳各葉伸張輪廓所包含的面積的總和。16展開輪廓：將槳葉葉面近似展放在平面上所得的輪廓。展開面積AD：各槳葉展開輪廓所包含面積的總和。2-17三種面比：①投射面比：投射面積AP與盤面積Ao之比②伸張面比：伸張面積AE與盤面積Ao之比③展開面比：展開面積AD與盤面積Ao之比（伸張面積和展開面積極為接近，均為葉面積，伸張面比和展開面比均稱盤面比2-18側(cè)斜某S及側(cè)斜角的側(cè)斜方向一般與螺旋槳的轉(zhuǎn)向相反，合理選擇側(cè)斜可明顯減緩旋槳誘導的船體振動）2-19葉根厚度：與槳轂相連處的切面最大厚度。2-20葉厚分數(shù)：葉面參考線與最大厚度線的延長線在軸線上的交點的距離2-21槳轂直徑（轂徑）2-22轂徑比：轂徑2-23槳葉的平均寬度2-24正（斜）螺旋面：為斜。2-25側(cè)投影：槳葉與平行于包含軸線和葉面參考線的平面上的投影。的投影。26最大厚度線：切面最大厚度沿徑向的分布情況，不表示最大厚度沿切面弦向的位置。2-27螺旋槳參數(shù)的選擇：其他條件一定時，葉數(shù)越多振動越?。﹥煞矫?。直徑張面積比），投射面積比，展開面積比，縱斜3-1推進器理論（研究螺旋槳的方法）可通過水的動量變更率來計算推力，包括①原體所受的力，據(jù)以計算整個螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩與水之速度變更關(guān)系，包括①3-2誘導速度：推進器撥水向后來產(chǎn)生推力，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，即誘導速度。3理想推進器假設(shè)：動盤（具有吸收外來功率并推水向后的功能）②流體。根據(jù)以上假定得到的推進器理論為理想推進器理論（可用于螺旋槳、明輪、噴水推進器等，差別在于推進器區(qū)域內(nèi)的水流斷面的取法不同）4理想推進器效率3-5推進器的載荷系數(shù)載荷系數(shù)，對螺旋槳來說需增大直徑3-6理想螺旋槳理論：導速度，其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同，兩者合成作用表現(xiàn)為水流經(jīng)過螺旋槳盤面后有扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。3-7理想螺旋槳效率器效率）niA與理想螺旋槳的周向誘導效率（只有在各半徑出的es：不對稱槳葉的葉梢與參考線間的距離為側(cè)斜：葉面參考線與槳轂表面相交處至軸線距離的兩倍，以d與螺旋槳直徑bm：表示槳葉的寬窄，側(cè)視圖上，參考線與軸線垂直的螺旋槳葉面為正。若參考線與軸線的垂線成角度從效率（增加升力線理論②①推進器為一軸向尺度趨近于零、水可自由通過的盤，此盤可以撥水向后，稱為鼓niA:有效功率和消耗功率之比°ZT：ZT越小效率越高。在推力在理想流體中工作的具有無限葉數(shù)的螺旋槳，除產(chǎn)生軸向誘導速度外還產(chǎn)生周向誘ni=niAniT：dr圓環(huán)對應(yīng)的D之比。bm=AE/Z（R-d/2）,Z為葉數(shù)?；蚱骄鶎挾缺龋瑃表示該半徑處葉切面的最大厚度，D提高效率，在其他條件一定時，葉數(shù)越少效率越高）D,葉數(shù)Z，轂徑比zR，縱斜角￡，側(cè)斜某S：㈠動量理論：螺旋槳的推力乃因其工作時水產(chǎn)生動量變化所致，理想推進器理論②理想螺旋槳理論㈢螺旋槳環(huán)流理論：升力面理論③面元法。水流速度和壓力在盤面上均勻分布③。Ti和速度VA一定的條件下，增大盤面積D，從而提高效率。niT之積。由于實際螺旋槳后的尾流旋轉(zhuǎn)，故理想螺旋槳效率^1都相等時，ni才是整個理想螺旋槳效率）總是小于理想推進器效率某S，相應(yīng)角度為側(cè)斜角t0與直徑ddh/D，螺距比6㈡葉元體理論：應(yīng)用機翼理論解釋葉原體的受力eso（槳葉。D之比。bm/D。它僅表示不同半徑處、振動（在P/D，盤面比（伸研究每一葉水為不可壓縮的理想Ao來減?。ɡ硐胪七Mni或葉面比。盤面比大小表示槳葉的寬窄，相同葉數(shù)下，盤面比越大，槳葉越寬）。來表示。正投影：槳葉在垂直于槳軸平面上該線與參考線之間的軸向距離，葉厚比。所做的有用功與吸收功率的比值，理想螺旋槳的軸向誘導效率niA。8螺旋槳操作時周圍水流情況：軸向誘導速度自槳盤遠前方的零值起逐漸增加，至槳盤遠后方處達到最大值，而在盤面處的軸向誘導速度等于遠后方處的一半。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。3-9速度多角形：①盤面半徑r處：遠前方，盤面處及遠后方的水流速度（相對于半徑r處的圓環(huán)）②葉元體：葉元體固定不動，而水流以軸向速度VA和周向速度2nnr流向槳葉切面，軸向誘導速度ua/2與迎流水面的軸向速度VA相同，周向誘導速度ut/2與周向速度2nnr相反。（螺旋槳本身前進速度VA及旋轉(zhuǎn)速度2nnr，軸向誘導速度與螺旋槳前進方向相反，周向誘導速度與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同）。3-10速度多角形中的名稱：。為葉元體的傾斜角即螺距角，B為進角，Bi為水動力螺距角，VR為相對來流的合成速度?？芍?，水流以速度VR，攻角aK流向槳葉切面。3-11附著渦：對于二因次機翼，可用環(huán)量為r的一根無限長的渦線來代替機翼，這根渦線為附著渦。3-12葉元體效率nor二niAniTne：ns葉元體結(jié)構(gòu)效率，影響因素：軸向誘導速度，周向誘導速度（速度越大，效率越低），推力負荷系數(shù)（推力增加效率降低），槳盤上的半徑即盤面積（盤面積增加，效率增高）元體的阻升比和水動力螺旋角（阻升比越小，效率越高）。3-13螺旋槳的水動力性能：一定幾何形體的螺旋槳在水中運動時所產(chǎn)生的推力、消耗的轉(zhuǎn)矩和效率與其運動（進速VA和轉(zhuǎn)速n）間的關(guān)系。3-14進程hp：hp二VA/n?；摚≒-hp）其大小表示槳葉剖面（葉元體）=（P-hp）/P=1-VA/Pn。進速系數(shù)J：J=hp/D=VA/nD=P（1-）/Do3-15滑脫比對螺旋槳性能的影響：在螺距一定的情況下，若不考慮誘導速度，的大小，大（J?。﹦t攻角大，若轉(zhuǎn)速一定，則螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩亦大。3-16進速系數(shù)J對螺旋槳性能的影響：㈠當J=0,進速為零，即螺旋槳只旋轉(zhuǎn)不前進（船舶系柱情況）升力與推力重合，各葉元體具有最大攻角，推力和轉(zhuǎn)矩都達到最大值㈡當轉(zhuǎn)速不變，隨著進速的增加，增加，攻角減小，推力和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。當J增加到某一數(shù)值時，螺旋槳發(fā)出的推力為零，其實質(zhì)乃水流以某一負幾何攻角與葉元體相遇，此時葉元體上的升力dL及阻力故葉元體的推力為零，此時葉元體仍遭受旋轉(zhuǎn)阻力。螺旋槳再不發(fā)生推力時旋轉(zhuǎn)一周所前進的距離為推力進程P1（實效螺距）㈢若J再增至某一值，螺旋槳不遭受旋轉(zhuǎn)阻力，其實質(zhì)乃升力周向的分力大小相等方向相反，故旋轉(zhuǎn)阻力為零，此時螺旋槳產(chǎn)生負推力。螺旋槳再不遭受旋轉(zhuǎn)阻力時旋轉(zhuǎn)一周所前進的距離為無轉(zhuǎn)矩進程P2（無轉(zhuǎn)矩螺距）。17實效滑脫比1：P2>P1>P，船舶航行時，螺旋槳必須產(chǎn)生向前的推力來克服船阻力，故螺旋槳實際操作時轉(zhuǎn)一周前進的距離hp小于實效螺距P1。實效滑脫（P1-hp），實效滑脫比3-18螺旋槳敞水效率n0：n0二KTJ/KQ2n。2敞水試驗的目的及作用：①進行系列試驗，繪制設(shè)計圖譜②對性能的影響，為改善性能指出方向③校核和驗證理論方法④配合自航試驗，分析推進效率成分，比較方案優(yōu)劣，選擇最佳螺旋槳。，葉即負荷的大小，滑脫比：則的大小標志著攻角a'K，JdD在軸向的分力大小相等方向相反，無dL及阻力dD在1=（P1-hp）/P1=1-VA/P1n。KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ及效率n0僅與又因討論的是孤立螺旋槳（未的攻角大小，根據(jù)系列試驗結(jié)果分析螺旋槳的幾何要素4-3螺旋槳的相似定律（幾何相似，運動相似，動力相似）：㈠理論上：①進速系數(shù)VA/nD:運動相似的基本條件，該數(shù)相同，則螺旋槳及其模型在各對應(yīng)點處的流體質(zhì)點的速度具有相同方向，且比值為常數(shù)，即對應(yīng)點處的流體質(zhì)點的行跡相似②雷諾數(shù)nD2/v:粘性力相似的條件，該數(shù)相同，則兩者粘性力系數(shù)相等③弗如德數(shù)n2D2/gD（n2n2D2/gD）:重力相似的條件，與螺旋槳運轉(zhuǎn)時的水面興波情況有關(guān)，即螺旋槳在水面下的沉沒深度。當沉沒深度h>0.625D時，興波的影響不計，故弗如德數(shù)不予考慮。㈡試驗時：模型與實槳幾何相似，模型試驗時如要求滿足進速系數(shù)和雷諾數(shù)同時相等的條件，則槳模的轉(zhuǎn)速和進速都將過高而難以實現(xiàn)，推力過大無法測量。因此敞水試驗時，通常只滿足進速系數(shù)J相等，對于雷諾數(shù)則僅要求超過臨界雷諾數(shù)值Rec，即Re>Rec的條件下，KT=f1（J）；KQ=f2（J）；n0=f3（J）o4-4尺度效應(yīng)（尺度作用）：槳模和實槳因雷諾數(shù)不同而引起兩者水動力性能的差異（敞水試驗時，螺旋槳的進速系數(shù)和雷諾數(shù)不能同時相等，只能使雷諾數(shù)大于某一臨界值，這樣槳模和實槳的雷諾數(shù)不相等，由此引起的性能差異稱為尺度效應(yīng)）。在實用上，僅適用于槳模和實槳均在超臨界區(qū)時因雷諾數(shù)不同之影響。雷諾數(shù)對升力系數(shù)CL影響不大，即CLm^CL。對阻力系數(shù)兩者之差^CD=CDm-CD即為實物模型間的尺度作用?？芍?，尺度作用對推力影響較小，對扭矩影響較大。因此同一J時KTm<KT，KQm>KQ，n0m5臨界雷諾數(shù)：保證模型界層中達到紊流狀態(tài)的最低雷諾數(shù)。雷諾數(shù)足夠大時，界層中的流動才能達到紊流狀態(tài)，若雷諾數(shù)過低，則槳葉大部分處于層流區(qū)或變流區(qū)，故槳葉切面上的流動狀態(tài)與實槳不同，試驗數(shù)據(jù)無法修正而用于實槳，結(jié)果將無實用價值。4-6模型試驗結(jié)果的尺度修正方法：①不修正：槳模光滑，抵消了尺度作用②公式對KQ進行修正③ITTC1978年推薦方法。4-7試驗需測數(shù)據(jù)：欲知螺旋槳的水動力性能，需測出槳模在試驗中的轉(zhuǎn)速4-8敞水試驗方法（的不同的J值）：①保持槳模的轉(zhuǎn)速不變，以不同進速進行試驗（拖曳水池）②模的進速不變，以不同轉(zhuǎn)速進行試驗（空泡水筒），該方法轉(zhuǎn)速不能無限加大，得到“系柱”時的情況。9敞水試驗的主要測量儀器：螺旋槳動力儀，分為機械式動力儀、電測式、機電綜合式。4-10螺旋槳性征曲線組：將葉數(shù)和盤面比相同，而螺距比不同的一組螺旋槳的敞水性征曲線繪在同一圖內(nèi)。1近似方法的實質(zhì)（分別研究船體和螺旋槳的單獨性能，然后再近似考慮兩者間的相互影響）和螺旋槳仍然看作是孤立的，即認為螺旋槳是在船后流場中單獨工作，而船體位于螺旋槳所影響的水流中運動。2伴流（跡流）：船在水中以某一速度V向前航行時，附近的水受到船體的影響而產(chǎn)生運動，其表現(xiàn)為船體周圍伴隨著一股水流，這股水流稱為伴流（伴流速度與船速同向為正，反向為負）旋槳盤面出的伴流，使螺旋槳附近的水流的相對速度和船速不同。5-3伴流的成因及分類：伴流速度場用相對于螺旋槳的軸向速度、周向（切向）速度和徑向速度三個分量來表示，其中周向（切向）速度和徑向速度為二階小量，不考慮。動引起。首尾處為正伴流，舷側(cè)處為負，離船體越遠，船體表面界層內(nèi)水質(zhì)點具有向前的速度，形成正伴流，緊靠船身處最大，船后相當距離處依然存在，為總伴流的主要部分。其大小與船型、表面粗糙度、雷諾數(shù)及螺旋槳的位置等有關(guān)用引起。船航行時水面形成波浪，若螺旋槳附近為波峰，則水質(zhì)點具有向前的速度，若為波谷則向后。5-4伴流速度u：螺旋槳進速VA=V-u；u=up+uf+uw。船速5-5伴流分數(shù)?：?=u/V=1-VA/V；VA=（1-3）V。6標稱伴流：在未裝螺旋槳之船模（實船）后面，用各種流速儀測定螺旋槳盤面處的水流速度，可得標稱伴流。5-7實效伴流：根據(jù)船后螺旋槳試驗或自航試驗結(jié)果與螺旋槳敞水試驗結(jié)果比較分析可得實效伴流。5-8標稱伴流的測量方法：利用畢托耙測量，或葉輪伴流儀、CD影響較大，實物雷諾數(shù)較高，只修正n、①勢（形勢）伴流：②摩擦伴流：V，軸向伴流速度u。環(huán)形伴流儀還有激光測速儀。故CD:把船體。通常所說的是螺船身周圍的流線運船運動時，③波浪伴流:船舶興波作測的槳盤面處進速勢伴流越小水的粘性引起。若干同心圓周上等距離點的水流軸向速度。用體積積分法求的整個盤面的平均伴流。5-9實效伴流的測量方法：船速和螺旋槳的轉(zhuǎn)速一定時，伴流的大小直接決定螺旋槳的進速，因而決定螺旋槳所發(fā)生的推力和吸收的轉(zhuǎn)矩，故可根據(jù)推力和轉(zhuǎn)矩測定伴流（ufVAfT,Q，則T,QfVAfu）。首先在船模后試驗螺旋槳，量出船模速度V及螺旋槳的轉(zhuǎn)速n、推力TB、轉(zhuǎn)矩QB，然后進行敞水試驗①等推力法：保持轉(zhuǎn)速n不變，調(diào)節(jié)進速直到發(fā)出的推力T0等于上述TB值時，