船舶推進(jìn)第3章螺旋槳基礎(chǔ)理論.ppt

1,船舶原理,2007年11月18日,2,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,一、早期的推進(jìn)器理論分為兩派,1、動(dòng)量理論：螺旋槳的推力乃因其工作時(shí)使水產(chǎn)生動(dòng)量變化所致，所以可通過水的動(dòng)量變更率來(lái)計(jì)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(jì)算整個(gè)螺旋槳的推力及轉(zhuǎn)矩。,3,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,二、螺旋槳環(huán)流理論,流體力學(xué)的機(jī)翼理論應(yīng)用于螺旋槳，解釋葉元體的受力與水的速度的變更關(guān)系，將上述兩派理論聯(lián)系起來(lái)而發(fā)展成螺旋槳環(huán)流理論。,雖然動(dòng)量理論中忽略的因素較多，所得的結(jié)果與實(shí)際情況有一段距離，但這個(gè)理論能簡(jiǎn)略的說明推進(jìn)器產(chǎn)生推力的原因，某些結(jié)論有一些實(shí)際意義。,4,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,3-1 理想推進(jìn)器理論,一、誘導(dǎo)速度,推進(jìn)器一般都是依靠撥水向后來(lái)產(chǎn)生推力的，而水流受到推進(jìn)器的作用獲得與推力方向相反的附加速度，通常稱為誘導(dǎo)速度。顯然推進(jìn)器的作用力與所形成的水流情況密切有關(guān)。,5,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,二、理想推進(jìn)器理論的基本假定,1、推進(jìn)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(dòng)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(duì)于螺旋槳而言，其水流斷面為盤面；對(duì)明輪而言，其水流斷面為漿板的浸水板面。,6,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,三、理想推進(jìn)器的力學(xué)模型,7,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,四、理想推進(jìn)器的推力,1、單位時(shí)間內(nèi)通過推進(jìn)器盤面的流體質(zhì)量：,2、自流管遠(yuǎn)前方AA1斷面流入的動(dòng)量：,3、流管遠(yuǎn)后方CC1斷面流出的動(dòng)量：,8,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,4、根據(jù)動(dòng)量定理，作用于流體上的立等于單位時(shí)間內(nèi)流體動(dòng)量的增量。而流體的反作用力即為推力：,9,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,五、盤面處速度增量與遠(yuǎn)后方速度增量的關(guān)系,1、在盤面前和盤面后應(yīng)用伯努力方程：,10,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,2、在盤面遠(yuǎn)后方和緊靠盤面處應(yīng)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(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,4、推力的另一種表達(dá)式：,軸向誘導(dǎo)速度越大，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力也越大。,12,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,六、理想推進(jìn)器的效率,推進(jìn)器的效率等于有效功率與消耗功率的比值,1、推進(jìn)器在靜水中航行時(shí)產(chǎn)生推力，則其有效功率為：,2、推進(jìn)器工作時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)尾流所取得的能量為：,13,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,3、推進(jìn)器消耗的功率：,4、理想推進(jìn)器的效率：,14,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,5、理想推進(jìn)器的效率的另一種表達(dá)式：,15,船舶推進(jìn)第二章 螺旋槳幾何特征,6、理想推進(jìn)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(jié)論具有重要意義,16,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,3-2 理想螺旋槳理論,17,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,一、周向誘導(dǎo)速度,18,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,根據(jù)理想螺旋槳力學(xué)模型，然后運(yùn)用動(dòng)量矩，經(jīng)過相應(yīng)的推導(dǎo)可得漿盤處和遠(yuǎn)后方的周向誘導(dǎo)速度有如下關(guān)系：,19,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,二、周向和軸向誘導(dǎo)速度的正交性,20,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,三、理想螺旋槳的效率,周向誘導(dǎo)效率：,21,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)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(shí)周圍的水流情況可簡(jiǎn)要地描述如下： 1、軸向誘導(dǎo)速度自槳盤遠(yuǎn)前方的零值起逐漸增加，至槳盤遠(yuǎn)后方處達(dá)最大值，而在盤面處的軸向誘導(dǎo)速度等于遠(yuǎn)后方處的一半。 2、周向誘導(dǎo)速度在槳盤前并不存在，而在槳盤后立即達(dá)到最大值，槳盤處的周向誘導(dǎo)速度是后方的一半。,22,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,當(dāng)我們?cè)谟懻撀菪龢車牧鲃?dòng)情況時(shí)，除考慮螺旋槳本身的前進(jìn)速度及旋轉(zhuǎn)速度外，還需要考慮軸向誘導(dǎo)速度和周向誘導(dǎo)速度。,在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，軸向誘導(dǎo)速度的方向與螺旋槳的前進(jìn)方向相反，而周向誘導(dǎo)速度的方向與螺旋槳的轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換以后，葉元體即變?yōu)楣潭ú粍?dòng)，而水流以軸向速度和周向速度流向槳葉切面。,23,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,結(jié)論：漿葉切面的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)最后可歸結(jié)為水流以速度 、攻角 流向漿葉切面。,24,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,二、作用在機(jī)翼上的升力和阻力,25,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,實(shí)驗(yàn)證明，在使用范圍內(nèi)，升力系數(shù)與幾何攻角約成線性關(guān)系。,為幾何攻角,為無(wú)升力角,為流體動(dòng)力攻角或絕對(duì)攻角,當(dāng)幾何攻角等于零時(shí)，升力系數(shù)不等于零。這是因?yàn)闄C(jī)翼剖面不對(duì)稱的緣故。,26,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,自由渦：翼梢的橫向繞流與來(lái)流的共同用，使機(jī)翼后緣形成旋渦層，這些旋渦稱為自由渦。,27,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,由于自由渦的存在，在空間產(chǎn)生一個(gè)誘導(dǎo)速度場(chǎng)。在機(jī)冀后緣處，誘導(dǎo)速度垂直于運(yùn)動(dòng)方向，故也稱下洗速度。,28,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,考慮了尾渦的誘導(dǎo)速度后，我們可以將有限翼展的機(jī)翼微段近似地看作二元機(jī)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(jī)翼所受的升力dL垂直于來(lái)流VR，其大小為：,也就是說，有限翼展的機(jī)翼微段相當(dāng)于二因次機(jī)冀，故機(jī)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(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,三、螺旋槳的作用力,30,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,上式把螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)矩與流場(chǎng)及螺旋槳的幾何特征聯(lián)系起來(lái)，因而比動(dòng)量理論的結(jié)果要精密完整得多。,31,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,由上式可知，欲求某一螺旋槳在給定的進(jìn)速和轉(zhuǎn)速時(shí)所產(chǎn)生的推力、轉(zhuǎn)矩和效率，則必須知道速度環(huán)量和誘導(dǎo)速度沿半徑方向的分布情況。這些問題可應(yīng)用螺旋槳環(huán)流理論來(lái)解決。,32,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,四、螺旋槳的效率,當(dāng)螺旋槳以進(jìn)速VA和轉(zhuǎn)速n進(jìn)行工作時(shí)，必須吸收主機(jī)所供給的轉(zhuǎn)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(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,3-4 螺旋槳水動(dòng)力性能,一、螺旋槳的水動(dòng)力性能,一定的幾何形體的螺旋槳在水中運(yùn)動(dòng)是所產(chǎn)生的推力、消耗的功率和效率與其運(yùn)動(dòng)（進(jìn)速和轉(zhuǎn)速）的關(guān)系。,34,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,二、滑脫比,1、進(jìn)程：螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周在軸向所前進(jìn)的距離。,2、滑脫：螺距和進(jìn)程之差。,3、滑脫比：滑脫和螺距的比值。,35,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,三、進(jìn)速系數(shù),1、進(jìn)速系數(shù)：進(jìn)程與螺旋槳直徑的比值。,2、進(jìn)速系數(shù)與滑脫比的關(guān)系,在螺距一定的情況下，若不考慮誘導(dǎo)速度，則滑脫比大（進(jìn)速系數(shù)小）即表示攻角大，若轉(zhuǎn)速一定，則螺旋槳的推力轉(zhuǎn)矩也大。,36,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,四、進(jìn)速系數(shù)的變化對(duì)螺旋槳性能的影響,滑脫比（進(jìn)速系數(shù)）是影響螺旋槳性能的重要參數(shù)，其重要性與機(jī)翼理論中的攻角相似。,1、當(dāng)進(jìn)速為零，即螺旋槳只旋轉(zhuǎn)而不前進(jìn)，其速度和力的關(guān)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(zhuǎn)矩都達(dá)到最大。,37,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,2、當(dāng)轉(zhuǎn)速不變，隨進(jìn)速的增大，攻角隨之減小，從而力矩和推力也相應(yīng)減小。,當(dāng)進(jìn)速的增大到某一數(shù)值時(shí)，螺旋槳發(fā)出的推力為零。此時(shí)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(shí)旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為無(wú)推力進(jìn)程或?qū)嵭菥?。,38,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,3、當(dāng)進(jìn)速再增大到某一數(shù)值時(shí)，螺旋槳不遭受旋轉(zhuǎn)阻力，其實(shí)質(zhì)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(fù)推力。,螺旋槳不遭受旋轉(zhuǎn)阻力時(shí)旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離稱為無(wú)轉(zhuǎn)矩進(jìn)程或無(wú)轉(zhuǎn)矩螺距 。,39,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,對(duì)于一定的螺旋槳，有：,船舶在航行時(shí)，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(jìn)。所以螺旋槳在實(shí)際操作時(shí)，其每旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離小于實(shí)效螺距。,實(shí)效滑脫比：實(shí)效滑脫與實(shí)效螺距的比值。,40,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,轉(zhuǎn)速一定時(shí)螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩隨進(jìn)程的變化曲線,41,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,五、推力和轉(zhuǎn)矩的無(wú)因次系數(shù),42,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)理論,六、螺旋槳的效率,七、螺旋槳的特性曲線：推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率對(duì)進(jìn)速系數(shù)的關(guān)系曲線。,43,船舶推進(jìn)第三章 螺旋槳基礎(chǔ)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。,