第5節(jié)螺旋槳與船體間的相互作用

1、第五章 螺旋槳與船體間的相互作用 在上面各章中，我們只討論了孤立螺旋槳在敞水中(或稱在均勻流場中)的水動力性能，而在“船舶阻力”課程中也只研究了孤立船體(即不帶螺旋槳)在靜水中航行時(shí)所遭受的阻力。實(shí)際螺旋槳是在船后工作的，螺旋槳和船體成為一個(gè)系統(tǒng)，兩者之間必然存在相互作用。這種相互作用表現(xiàn)為船體所形成的速度場和螺旋槳所形成的速度場之間的相互影響。在船后工作的螺旋槳因受到船體的影響，故進(jìn)入槳盤處的水流速度及其分布情況與敞水者不同，而船體周圍的水流速度分布及壓力分布受螺旋槳的影響也與孤立的船體不同。因此，船后螺旋槳與水流的相對速度不等于船速，螺旋槳發(fā)出的推力也不等于孤立船體所遭受的阻力。 如何把孤

2、立螺旋槳和孤立船體聯(lián)系起來，正是研究螺旋槳和船體相互影響的目的。嚴(yán)格說來，應(yīng)把船體與螺旋槳作為統(tǒng)一的整體來考慮。近年來也確有一些學(xué)者從事這方面的研究，但由于問題相當(dāng)復(fù)雜，未能付諸實(shí)用。所以，目前仍采用近似方法來解決，即分別研究船體和螺旋槳的單獨(dú)性能，然后再近似地考慮兩者之間的相互影響。這種近似方法的實(shí)質(zhì)是：把船體和螺旋槳仍然看作是孤立的，即認(rèn)為螺旋槳是在船后流場中單獨(dú)工作，而船體位于螺旋槳所影響的水流中運(yùn)動。這樣就可以把孤立螺旋槳和孤立船體相聯(lián)系起來，亦即考慮到上述情況以后，可以把螺旋槳敞水試驗(yàn)的結(jié)果和船模阻力試驗(yàn)的結(jié)果用之于船體-螺旋槳的整個(gè)系統(tǒng)。§ 5-1 船體對螺旋槳的影響-伴

3、流一、伴流的成因和分類 船在水中以某一速度V向前航行時(shí)，附近的水受到船體的影響而產(chǎn)生運(yùn)動，其表現(xiàn)為船體周圍伴隨著一股水流，這股水流稱為伴流或跡流。由于伴流的存在，使螺旋槳與其附近水流的相對速度和船速不同，在船舶推進(jìn)中，所感興趣的問題是船體對螺旋槳的影響，故通常所指的伴流即為船尾裝螺旋槳處(即漿盤處)的伴流。 船后伴流的速度場是很復(fù)雜的，它在螺旋槳盤面各點(diǎn)處的大小和方向是不同的。一般來說，伴流速度場可以用相對于螺旋槳的軸向速度，周向(或切向)速度和徑向速度三個(gè)分量來表示。測量結(jié)果表明，與軸向伴流速度相比較，周向和徑向兩種分量為二階小量，在螺旋槳設(shè)計(jì)問題中，?？刹挥杩紤]。因此，在本書中如無特別說明

4、，所謂伴流均系指軸向伴流。伴流的速度與船速同方向者稱為正伴流，反之則為負(fù)伴流。產(chǎn)生伴流的原固有下列三種： (1)船身周圍的流線運(yùn)動：船在水中以速度V向前航行時(shí)，船體周圍水流的流線分布情況大致如圖5-l所示。首尾處的水流具有向前速度，即產(chǎn)生正伴流，而在舷側(cè)處水流具有向后速度，故為負(fù)伴流。由此而形成的伴流稱為形勢伴流或勢伴流。因流線離船身不遠(yuǎn)處即迅速分散，故在船體略遠(yuǎn)處其作用即不甚顯著，亦即離船體愈遠(yuǎn)，形勢伴流之?dāng)?shù)值愈小。圖5-1 圖5-2 (2)水之粘性作用：因水具有粘性，故當(dāng)船在運(yùn)動時(shí)沿船體表面形成界層，界層內(nèi)水質(zhì)點(diǎn)具有向前速度，形成正伴流，通常稱為摩擦伴流。摩擦伴流在緊靠船身處最大，由船身向

5、外急劇減小，離船體不遠(yuǎn)處即迅速消失，但在船后相當(dāng)距離處摩擦伴流依然存在。圖5-2表示船身附近的界層(或稱摩擦伴流帶)，界層（實(shí)際上是尾流）在尾部后具有相當(dāng)?shù)暮穸?，與螺旋槳直徑相差不多，故摩擦伴流常為總伴流中的主要部分。摩擦伴流的大小與船型、表面粗糙度、雷諾數(shù)及螺旋槳的位置等有關(guān)。(3)船舶的興波作用：船在航行時(shí)水面形成波浪，若螺旋槳附近恰為波峰，則水質(zhì)點(diǎn)具有向前速度，如恰為波谷，則具有向后速度。由于船舶本身興波作用而形成的伴流稱為波浪伴流，其數(shù)值常較前兩者為小。但對于高速雙槳船(例如驅(qū)逐艦)因其尾部常為波谷，且螺旋槳的位置處于船后兩側(cè)，摩擦伴流和勢伴流較小，故其總伴流可能為負(fù)值。由伴流之成因可

6、知，伴流是一股很復(fù)雜的水流，在螺旋槳盤面各處伴流速度的大小和方向各不相同。因而，在利用螺旋槳系列敞水圖譜設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，常取盤面處伴流的平均軸向速度近似地估計(jì)槳盤處的速度場。若船速為V，槳盤處伴流的平均軸向速度為u，則螺旋槳與該處水流的相對速度(即進(jìn)速)VA為 VA = V - u (5-1)根據(jù)伴流的成因，可將伴流速度u寫成u up + uf + uw (5-2)式中 up 槳盤處形勢伴流的軸向平均速度； uf 槳盤處摩擦伴流的軸向平均速度； uw 槳盤處波浪伴流的軸向平均速度。二、伴流分?jǐn)?shù) 伴流的大小通常用伴流速度u對船速V的比值來表示，稱為伴流分?jǐn)?shù)或泰洛伴流分?jǐn)?shù)，即 = 1- (5-3)

7、若已知伴流分?jǐn)?shù)，則可由下式?jīng)Q定螺旋槳的進(jìn)速：VA(1-)V (5-4)根據(jù)伴流的成因，伴流數(shù)也叫寫作：p+f+w (5-5)式中 p 形勢伴流分?jǐn)?shù)； f 摩擦伴流分?jǐn)?shù)； w 波浪伴流分?jǐn)?shù)。 各類船舶的伴流分?jǐn)?shù)數(shù)值大致如表5-1所示。表 5-1 船 舶 類 型 伴 流 分 數(shù) 船 舶 類 型 伴 流 分 數(shù) 快速船和郵船 0.100.18 輕巡洋艦 0.0350.10 單槳商船（CB0.50.7） 0.200.30 大型驅(qū)巡艦 0.000.10雙槳商船（CB0.50.7） 0.080.20 驅(qū)逐艦和護(hù)航艦 0.000.03肥大船（CB為0.8左右） 0.300.40 潛水艇 0.100.25主力

8、艦及重巡洋艦 0.150.20 魚類快艇 0.000.04 三、伴流的測定 伴流的大小一般系用試驗(yàn)方法求得，因測量的方法不同可分為標(biāo)稱伴流和實(shí)效伴流兩種。在未裝螺旋槳之船模(或?qū)嵈?后面，用各種流速儀測定螺旋槳盤面處水流速度，可得標(biāo)稱伴流；根據(jù)船后螺旋槳試驗(yàn)或自航試驗(yàn)結(jié)果與螺旋槳敞水試驗(yàn)結(jié)果比較分析可得實(shí)效伴流。 經(jīng)驗(yàn)證明，上述兩種測量結(jié)果是不同的。其差別在于是否考慮了螺旋槳工作的影響，因?yàn)楫?dāng)船尾有螺旋槳工作時(shí)，螺旋槳產(chǎn)生抽吸作用，從而改變了船尾的流線、界層厚度、波形 等。由于螺旋槳在船后工作，以實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)來計(jì)算螺旋槳進(jìn)速比較合理，故通常說的伴流 分?jǐn)?shù)均指實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)。1測量標(biāo)稱伴流的方法

9、現(xiàn)時(shí)測量船模(或?qū)嵈?標(biāo)稱伴流場最常用的儀器是畢托耙。圖5-3所示之照片為上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室在測量伴流時(shí)畢托耙安裝在船模尾部的情況。圖 5-3為了測得整個(gè)槳盤面處的速度場，畢托耙需在360º范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，測試角度的間隔一般為10º。 由此我們可 以測得槳盤面處若干同心圓周上等距離點(diǎn)的水流軸向速度圖5-4(a)，此速度即為螺旋槳在該點(diǎn)的“局部進(jìn)速”VA(r，)，由船模(或?qū)嵈?速度減去VA(r，)便可得到伴流速度u(r，)。圖5-4(b)為某單螺旋槳船槳盤面上不同半徑處伴流分?jǐn)?shù)在圓周方向的分布曲線，在某一半徑處伴流分?jǐn)?shù)分布曲線變化的大小表示該半徑處伴流沿周向的不均勻

10、程度。圖5-4(c)為盤面上伴流的等值曲線，該圖完整地表示了槳盤面處的伴流場，其變化的大小表示整個(gè)槳盤處伴流的不均勻程度。 根據(jù)測量結(jié)果，即可求得各半徑處圓周上的平均伴流及整個(gè)盤面上(除去槳轂部分)的平均伴流，在計(jì)算時(shí) 一般可用體積積分法。例如半徑為r圓周上的平均伴流分?jǐn)?shù)為： (r) = (5-6)整個(gè)盤面上的平均伴流分?jǐn)?shù)為： = (5-7)圖5-4式中，R為螺旋槳半徑，為槳轂半徑。 過去曾有人用葉輪伴流儀或環(huán)形伴流儀量取槳盤面上各半徑處伴流在圓周方向的平 均值，但此類儀器目前已極少使用。近年來已有用激光測速儀量取船模的伴流場，由于儀器本身比較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用尚不普遍。 2測量實(shí)效伴流的方

11、法 當(dāng)船速和螺旋槳的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，伴流的大小直接決定螺旋槳的進(jìn)速，因而決定螺旋槳所發(fā)生之推力及吸收之轉(zhuǎn)矩，故根據(jù)螺旋槳的推力或轉(zhuǎn)矩亦可測定伴流。圖 5-5 參閱圖5-5，首先在船模后試驗(yàn)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，將螺旋槳進(jìn)行敞水試驗(yàn)，保持轉(zhuǎn)速n不變，調(diào)節(jié)進(jìn)速直到發(fā)出之推力等于上述TB值時(shí)，量取其進(jìn)速VA及轉(zhuǎn)矩Q0，則u=V-VA即為實(shí)效伴流速度。 上述測定實(shí)效伴流的方法系使螺旋槳在船后與敞水中于同一轉(zhuǎn)速時(shí)發(fā)生相同的推力，故稱為等推力法，但此時(shí)Q0 QB。若螺旋槳進(jìn)行敞水試驗(yàn)時(shí)，保持轉(zhuǎn)速n不變，調(diào)節(jié)進(jìn)速直至Q0QB時(shí)，量取其進(jìn)速VA及推力T0，則得u1=V-

12、VA，也為實(shí)效伴流速度。這種方法稱為等轉(zhuǎn)矩方法，但此時(shí)T0TB。用等推力法得到的實(shí)效伴流u與等轉(zhuǎn)矩法得到的實(shí)效伴流u1是不相等的。等推力法是目前為大家廣泛采用的方法。除上述方法外，還可以用船模自航試驗(yàn)或?qū)嵈囼?yàn)來測定實(shí)效伴流，這將在第六章中再討論。大量試驗(yàn)資料表明，用各種方法測得的伴流分?jǐn)?shù)有一定的差異。一般說來，以等推力法所得到的實(shí)效伴流較等轉(zhuǎn)矩法所得者約大4%。至于標(biāo)稱伴流與實(shí)效伴流之間的大小視方形系數(shù)CB之大小有所不同。四、伴流不均勻性的影響在上面的討論中，已經(jīng)提到用等推力法決定實(shí)效伴流時(shí)，Q0QB，用等轉(zhuǎn)矩法決定實(shí)效伴流，則T0TB。引起這種差別的原因是由于船后槳盤處伴流的不均勻。船后槳

13、盤處各點(diǎn)的伴流速度(包括大小和方向)是不同的，伴流的軸向速度在盤面上的分布也是不均勻的。因而以平均伴流來估計(jì)船后螺旋槳的速度場是近似的。如果把同一螺旋槳分別在敞水中和船后進(jìn)行試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)速和進(jìn)速(對船后情況說來，進(jìn)速為船速與平均伴流速度之差)相同時(shí)，兩者的推力和轉(zhuǎn)矩是不同的，引起這種差別的原因在于兩者之流動狀態(tài)不同。螺旋槳在敞水中工作時(shí)，盤面上各處的進(jìn)速都相同，而在船后工作時(shí)，盤面上各處的局部進(jìn)速不同。故在同一進(jìn)速系數(shù)時(shí)，兩者的推力和轉(zhuǎn)矩不同。如以帶下標(biāo)“0”者表示敞水中測得的數(shù)值，帶下標(biāo)“B”表示船后相應(yīng)的數(shù)值，則：i1=為伴流不均勻性對推力的影響系數(shù)；i2=為伴流不均勻性對轉(zhuǎn)矩的影響系數(shù)；i

14、=為伴流不均勻性對效率的影響系數(shù)，表示在同一進(jìn)速系數(shù)下敞水螺旋槳效率和船后螺旋槳效率之間的關(guān)系。即或 (5-8)如前所述，目前廣為采用的是以等推力法來確定實(shí)效伴流，故T0=TB，而Q0QB，亦即i11.0，而i2=或= (5-9)式中，稱為相對旋轉(zhuǎn)效率。綜上所述，在用等推力法確定實(shí)效伴流的情況下，船體對螺旋槳的影響可歸結(jié)為：(1)平均實(shí)效伴流速度u，據(jù)此可以建立螺旋槳進(jìn)速VA與船速V之間的關(guān)系，即VA=V- u，如以伴流分?jǐn)?shù)來表示，則VA=V(1-)。(2)伴流不均勻性的影響，即相對旋轉(zhuǎn)效率，據(jù)此可以建立敞水螺旋槳和船后螺旋槳轉(zhuǎn)矩(或效率)之間的關(guān)系。§ 5-2 螺旋槳對船體的影響-

15、推力減額一、推力減額的成因螺旋槳在船后工作時(shí)，由于它的抽吸作用，使槳盤前方的水流速度增大。根據(jù)伯努利定理，水流速度增大壓力必然下降，故在螺旋槳吸水作用所及的整個(gè)區(qū)域內(nèi)壓力都要降低，其結(jié)果改變了船尾部分的壓力分布狀況。參閱圖5-6，曲線A表示孤立船體周圍的壓力分布曲圖5-6線，曲線B為螺旋槳在敞水中工作時(shí)槳盤前后的壓力分布曲線。螺旋槳在船后工作時(shí)船體周圍的壓力分布狀況可近似地認(rèn)為是上述兩種壓力的迭加，故圖中曲線C即表示螺旋槳在船后工作時(shí)壓力沿船體周圍的分布情況，其陰影部分即為壓力減小的數(shù)值，導(dǎo)致船體壓阻力增加。此外，船尾部水流速度的增大，使摩擦阻力也有所增加，但其數(shù)值遠(yuǎn)較壓阻力的增加為小。 由于

16、螺旋槳在船后工作時(shí)引起的船體附加阻力稱為阻力增額。若螺旋槳發(fā)出的推力為T，則其中一部分用于克服船的阻力R(不帶螺旋槳時(shí)的阻力)，而另一部分則為克服阻力增額，即 TR+ (5-10) 由(5-10)式可見，螺旋槳發(fā)出的推力中只有(T-)這一部分是用于克服阻力R并推船前進(jìn)的，故稱為有效推力Te。在習(xí)慣上，通常將稱為推力減額，并以表示。因此，螺旋槳的總推力T可寫作： TR+ (5-11)上式也可寫作：RT-二、推力減額分?jǐn)?shù) 在實(shí)用上，常以推力減額分?jǐn)?shù)來表征推力減額的大小，推力減額與推力T的比值稱為推力減額分?jǐn)?shù)t，即 t (5-12)由此可得船體阻力R和螺旋槳推力T之間的關(guān)系為：RT（1-t） (5-

17、13)推力減額分?jǐn)?shù)的大小與船型，螺旋槳尺度，螺旋槳負(fù)荷以及螺旋槳與船體間的相對位置等因素有關(guān)。用理論方法來計(jì)算推力減額是很困難的，通常都是根據(jù)船模自航試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式來決定的。表5-2中列舉了各類船舶推力減額分?jǐn)?shù)t的大致范圍。表 5-2船 舶 類 型 推力減額分?jǐn)?shù) t船 舶 類 型 推力減額分?jǐn)?shù)t快速船和郵船 0.060.15單槳商船（CB0.50.7） 0.080.20雙槳商船（CB0.50.7） 0.100.22肥大船 0.170.25主力艦及重巡洋艦 0.180.22輕巡洋艦 0.050.10大型驅(qū)逐艦 0.070.08驅(qū)逐艦和護(hù)航艦 0.060.08潛水艇 0.100.18魚雷快艇 0.

18、010.03三、推力減額與伴流的關(guān)系很早以前即有人認(rèn)識到推力減額與伴流間有密切關(guān)系，以后不少學(xué)者更進(jìn)行了具體分析，并仿照伴流分?jǐn)?shù)的劃分方法，將推力減額分?jǐn)?shù)t寫作：t = tp + tf + tw (5-14)式中 tp 形勢推力減額分?jǐn)?shù)； tf 摩擦推力減額分?jǐn)?shù)； tw 波浪推力減額分?jǐn)?shù)。在理論上分析伴流與推力減額之間的關(guān)系甚為復(fù)雜，且所得的結(jié)果并不一致，故僅作簡要的介紹。在理想流體中，螺旋槳工作時(shí)引起船尾處壓力降低，因而使船體的壓阻力增加，這部分附加阻力稱為形勢推力減額。富來申紐從理論上分析了流線型回轉(zhuǎn)體在理想流體中的運(yùn)動情況，得出形勢伴流和形勢推力減額之間關(guān)系為tpp (5-15)狄克曼以

19、理論計(jì)算方法來確定速度場的不均勻性對推力減額的影響，并得出伴流與推力減額之間的關(guān)系為 tpp (5-16)式中，V為船或船模速度，A0為螺旋槳的盤面積。由上式可見，形勢推力減額與螺旋槳之負(fù)荷有關(guān)，螺旋槳在一般工作情況下，tpp，但當(dāng)推力為零時(shí)，則tpp。高木又男等人從船體-螺旋槳系統(tǒng)的定常繞流的研究得到t = (5-17)由上式可見，假定螺旋槳裝于船后甚遠(yuǎn)處，則僅有摩擦伴流的作用，這時(shí)推力減額為零。假定水為理想流體，則f = 0，從而tpp。巴甫米爾研究了模型試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在系柱情況時(shí)的推力減額分?jǐn)?shù)t0近似地與形勢伴流分?jǐn)?shù)p相等，即t0p (5-18)其后，拉夫倫捷夫在理論上得到了上述關(guān)系。

20、螺旋槳工作時(shí)誘導(dǎo)速度所涉及的范圍不大，船尾因水流速度增大而增加的摩擦阻力很小，即摩擦推力減額較小。在正常情況下，tf值在測量誤差范圍內(nèi)，因而可不予考慮。船尾波系受螺旋槳工作的影響致使船的興波阻力發(fā)生改變，由此形成波浪推力減額。但螺旋槳在正常深度時(shí)所引起的波浪很小，對于船尾波系幾無影響，故一般認(rèn)為波浪推力減額分?jǐn)?shù)tw可不予考慮。綜上所述，形勢推力減額占總推力減額中的主要成分，且可認(rèn)為兩者大致相等，即ttp (5-19)§ 5-3 推進(jìn)系數(shù)及推進(jìn)效率的成分分析在本節(jié)中通過對功率傳遞和推進(jìn)效率成分的分析，以便讀者了解船體、螺旋槳及主機(jī)之間的相互關(guān)系，進(jìn)一步理解在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中把敞水螺旋槳和

21、孤立船體聯(lián)系起來的大體思路。此外，還將簡要討論提高推進(jìn)性能的若干措施。一、功率傳遞及推進(jìn)效率成分設(shè)船舶以速度V前進(jìn)時(shí)，主機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，發(fā)出的功率為Ps，主機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳發(fā)出的推力為T，克服船在航速V時(shí)所遭受的阻力R。在這一平衡系統(tǒng)中，功率的傳遞及各種效率成分可分析如下。1傳送效率主機(jī)發(fā)出的功率Ps經(jīng)過軸系傳送至螺旋槳，由于軸系的摩擦損耗等因素，致使螺旋槳在船后實(shí)際收到的功率為，即PDB =Ps (5-20)式中，稱為軸系傳送效率。若主機(jī)直接帶動螺旋槳，則螺旋槳的轉(zhuǎn)速亦為n。的數(shù)值一般取作：中機(jī)型船 0.97尾機(jī)型船 0.98在有減速裝置的情況下，螺旋槳的轉(zhuǎn)速n1j n，j為齒輪箱的減

22、速比。此時(shí)應(yīng)考慮減速裝置的效率(可據(jù)具體的減速裝置合理選取，對一般情況0.96)，故螺旋槳實(shí)際收到的功率為：PDB = Ps (5-21)，純粹是機(jī)械性的傳送效率，與船體及螺旋槳的水動力性能無關(guān)。2推進(jìn)系數(shù)及推進(jìn)效率主機(jī)發(fā)出的功率Ps真正有用的部分是克服阻力R使船以航速V前進(jìn)，亦即有用的功率為船的有效馬力PE。兩者之比值稱為推進(jìn)系數(shù)P.C，即P.C= (5-22)推進(jìn)系數(shù)P.C中包括機(jī)械性的軸系損失在內(nèi)。為了表達(dá)推進(jìn)系統(tǒng)中總的水動力性能，在船舶推進(jìn)中，采用船的有效馬力PE與螺旋槳的收到馬力PDB比值，稱為推進(jìn)效率(過去常稱為似是推進(jìn)系數(shù)QPC)，即= (5-23)這里需要說明的是，PDB系指在

23、船后的螺旋槳所收到的馬力，它用于克服船后螺旋槳轉(zhuǎn)速為n時(shí)的轉(zhuǎn)矩。因此PDB = (5-24)3推進(jìn)效率成分船后螺旋槳在收到功率PDB后發(fā)出推力T，其進(jìn)速為VA，故螺旋槳所作的功率為推馬力PT：PT = (5-25) 螺旋槳推馬力PT與收到馬力PDB之比值稱為船后螺旋槳的效率 (5-26)式中，為相對旋轉(zhuǎn)效率；為螺旋槳的敞水效率。 也可寫作螺旋槳敞水收到馬力PD0與船后收到馬力PDB比，即 (5-27) 船之有效馬力PE螺旋槳推馬力PT之比值稱為船身效率，即 (5-28) 由上式可見船身效率表示伴流與推力減額之合并作用。 通過上述分析，我們可以把推進(jìn)系數(shù)P.C表示為： P.C (5-29) 為了

24、便于了解組成推進(jìn)系數(shù)P.C的各效率成分及功率的傳遞，給出圖5-7所示的各種效率成分與馬力關(guān)系的示意圖。圖 5-7按上述效率成分分析的思路，可以把孤立的船體與敞水螺旋槳聯(lián)系起來，并使船體、螺旋槳和主機(jī)三者相配合。其程序大體是：設(shè)已知船速V時(shí)遭受的阻力為R，則先估計(jì)伴流分?jǐn)?shù)及推力減額分?jǐn)?shù)t，設(shè)計(jì)或選擇一個(gè)螺旋槳，要求它在進(jìn)速VA=V(1-)時(shí)發(fā)出推力T=。假定該螺旋槳的敞水效率為，轉(zhuǎn)速為n，轉(zhuǎn)矩為Q0，則估計(jì)相對旋轉(zhuǎn)效率，求出該螺旋槳在船后時(shí)的扭矩QB及收到馬力PDB，考慮到軸系傳送效率后即可得出所需的主機(jī)馬力。二、提高推進(jìn)性能的措施如前所述，推進(jìn)系數(shù)P.C是表征整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的全面衡準(zhǔn)，雖

25、便于船舶初步設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)船之速度與阻力估計(jì)所需的主機(jī)馬力，但因包括機(jī)械性能之傳送效率，不能正確表示船體與螺旋槳的水動力性能。推進(jìn)效率中包括螺旋槳的效率及船體與螺旋槳之間的相互影響，但未能表示船形對于阻力是否合適。若船形不佳，阻力過大，雖其推進(jìn)效率較高，亦不能確證其為優(yōu)良設(shè)計(jì)。因此，快速性優(yōu)秀之船舶應(yīng)具有最小的阻力和最高的推進(jìn)效率。 隨著船舶尺度和航速的不斷提高，螺旋槳誘導(dǎo)船體振動已成為設(shè)計(jì)師和業(yè)主煩惱的問題。因此，目前在船體和螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，往往從船體阻力、推進(jìn)性能和激振力等方面綜合考慮。這里僅就改善船舶推進(jìn)性能的途徑作一簡略的介紹，供讀者參考。至于激振等問題在以后有關(guān)章節(jié)中再行討論。 1船尾形狀

26、對推進(jìn)性能的影響圖 5-8 船尾形狀不僅影響船之阻力，而且對伴流及推力減額影響很大。船之后半體方形系數(shù)大者，其伴流及推力減額皆大，但推力減額分?jǐn)?shù)的增加較大，所以總的結(jié)果是船身效率較低。在方形系數(shù)一定時(shí)，有三種典型的船尾形狀可供選擇，即U型、球尾型和V型。U型及球尾之平均伴流較大，分布也較均勻，除推進(jìn)效率較高外，還有利于減小螺旋槳的激振力，但其阻力較V型者為大。世界各國對此問題研究甚多，現(xiàn)以瑞典國家船模試驗(yàn)池(SSPA)對30×104t油船的模型試驗(yàn)結(jié)果為例說明如下。試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂邢嗤氖撞烤€型，但配以三種典型的尾部線型(V型、U型及球尾)，如圖5-8所示。模型試驗(yàn)的結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)航速

27、16kn時(shí)V型尾的阻力最低，球尾及U型尾之阻力分別較V型尾約高3%及7%。球尾及U型尾的推進(jìn)效率都較V型尾為高，但就螺旋槳所需的收到馬力PD說來，球尾較V型尾約低4%，而U型尾較V型尾約高3%?？偟恼f來，似以球尾為佳。雙槳船具有普通尾部形狀者槳盤處的伴流分?jǐn)?shù)較低，船身效率及推進(jìn)效率亦低。如果將普通常規(guī)船尾恰當(dāng)?shù)馗臑轭愃朴趦蓚€(gè)單槳船尾的雙尾鰭形狀，同時(shí)合理選擇螺 旋槳的旋轉(zhuǎn)方向以充分利用伴流的周向成分，則可以得到極為顯著的效果。圖5-9為某沿海雙槳貨船(雙尾鰭)的線型。根據(jù)交大模型試驗(yàn)的結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)航速時(shí)雙尾鰭之阻力較普通尾約低4%；雙尾鰭配內(nèi)旋槳者推進(jìn)效率圖 5-9較普通尾約高10%，配外

28、旋槳者較普通尾約高4%。雙尾鰭配內(nèi)旋槳者所需的馬力較普通尾低13% 。上述模型試驗(yàn)結(jié)果已用之于實(shí)船，并為實(shí)船試航所證實(shí)。 2船首形狀對推進(jìn)性能的影響圖 5-10 圖 5-11 球首在減小船舶阻力方面的作用早已為人們所認(rèn)識，但對改善船舶推進(jìn)性能方面的積極作用常被忽視。不少的試驗(yàn)結(jié)果表明，無論大型球首或小型“流鼻”，在獲得減低阻力效果的同時(shí)，推進(jìn)效率也有所提高。圖5-10給出了2.5×104t散裝貨船球首和普通首的自航試驗(yàn)結(jié)果，從圖中可以看到，球首對提高推進(jìn)效率的作用相當(dāng)顯著。 3舵對推進(jìn)性能的影響 位于螺旋槳后方的舵可以減小尾流旋轉(zhuǎn)動能的損失，有利于提高推進(jìn)效率。但舵對推進(jìn)效率的影響通

29、常以推力減額分?jǐn)?shù)的大小來表示。一般來說，流線型舵優(yōu)于平板舵，反應(yīng)舵則更優(yōu)。如在舵上配置整流帽，則更有利于提高推進(jìn)效率。表5-3為上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室對2.5×104t散裝貨船配以不同形式的舵進(jìn)行自航試驗(yàn)的結(jié)果。4圖譜設(shè)計(jì)槳與理論設(shè)計(jì)槳對推進(jìn)性能的影響 就敞水效率而言，圖譜設(shè)計(jì)的螺旋槳和環(huán)流理論設(shè)計(jì)的螺旋槳基本相同，但與船體配合工作時(shí)兩者的推進(jìn)效率是有差別的。2.5×104t散裝貨船模型自航試驗(yàn)的結(jié)果表明，環(huán)流理論槳具有較高的推進(jìn)效率，如圖5-11所示。其中圖譜槳為AU型五葉螺旋槳，環(huán)流理論槳是按配合伴流最佳環(huán)量分布條件設(shè)計(jì)的。表5-3 2.5×104t散

30、裝貨船配置不同形式舵的(1-t)值航 速 V （kn）15.716.2 16.7反應(yīng)舵 + 整流帽流線型舵 + 整流帽反應(yīng)舵流線型舵0.7050.7180.7110.689 0.6960.696 0.6880.6750.6950.6890.6810.673§ 5-4 估算船體與螺旋槳相互影響系數(shù)的公式一、正確確定船體與螺旋槳相互影響系數(shù)的重要性 從上面的討論可知，通過伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)t和相對旋轉(zhuǎn)效率可把船體和螺旋槳聯(lián)系起來，從而解決了孤立螺旋槳和孤立船體的配合問題。因此在螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)船型估計(jì)伴流分?jǐn)?shù)、推力減額分?jǐn)?shù)t及相對旋轉(zhuǎn)效率，然后才能利用螺旋槳敞水系列圖譜。由此

31、可見，正確選取這些系數(shù)十分重要，如果選擇不當(dāng)將會產(chǎn)生不良的后果?，F(xiàn)以伴流分?jǐn)?shù)為例簡要說明如下。假定選取1、t、作為相互影響系數(shù)設(shè)計(jì)螺旋槳，而實(shí)際的相互影響系數(shù)卻是2、t、，且21。由于VA = V(1- )，故VA1 = V(1-1)VA2 = V(1-2)因?yàn)?1，故必然有VA2VA1。設(shè)計(jì)螺旋槳的工作狀態(tài)是J1=，而實(shí)際的工作狀態(tài)卻是J2=，且J2J1。圖5-12(a)為該螺旋槳某一代表切面處的速度圖，圖5-12(b)為該槳的敞水性征曲線。圖 5-12 從圖5-12(b)中可以看出：設(shè)計(jì)時(shí)以為螺旋槳發(fā)出的推力為：T1 = (KT)1而實(shí)際上螺旋槳發(fā)出的推力為：T2 = (KT)2且T2T1

32、。同樣，螺旋槳轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系為Q2Q1。由此可見，實(shí)際螺旋槳不能吸收預(yù)定馬力和發(fā)出要求的推力，從而無法達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)航速。這時(shí)螺旋槳處于輕載狀態(tài)，不能充分利用主機(jī)馬力。 反之，若21，則螺旋槳實(shí)際工作處于重載狀態(tài)，對主機(jī)工作不利。類似地，如果推力減額分?jǐn)?shù)選擇不當(dāng)，則螺旋槳發(fā)出的推力無法與實(shí)船阻力平衡。從上述分析中可見，、t、等系數(shù)的選擇是否合適，是螺旋槳設(shè)計(jì)成功與否的重要前提，必須予以充分的注意。二、估算伴流分?jǐn)?shù)的近似公式 伴流及推力減額與船型、螺旋槳尺度以及螺旋槳與船體間的相對位置等因素有關(guān)，故決定伴流和推力減額比較可靠的辦法是進(jìn)行專門的模型試驗(yàn)。但在無法進(jìn)行模型試驗(yàn)的情況下可以應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式

33、進(jìn)行估算。這些近似公式是根據(jù)某類或某幾類船型的實(shí)船試驗(yàn)或模型試驗(yàn)的結(jié)果歸納而成，其適用性有一定的范圍。用不同公式計(jì)算得到的結(jié)果往往相差很大，因此難以籠統(tǒng)肯定哪個(gè)公式最正確。設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)船型的特點(diǎn)選擇合適的公式。 1泰洛公式(適用于海上運(yùn)輸船舶) 對單螺旋槳船： 0.5CB0.05 (5-30) 對雙螺旋槳船： 0.55CB0.20 (5-31)式中，CB為船舶的方形系數(shù)。 2漢克歇爾公式 對于單槳標(biāo)準(zhǔn)型商船(CB0.540.84) 0.70CP0.18 (5-32) 對于單槳漁船 0.77CP0.28 (5-33) 對于雙槳標(biāo)準(zhǔn)型商船(CB0.540.84) 0.7CP0.3 (5-34)式中

34、，CP為縱向棱形系數(shù)。 3巴甫米爾公式 0.165 (5-35)式中，CB為方形系數(shù)；為船之排水量(m3)；D為螺旋槳直徑(m)；x為指數(shù)，x = 1時(shí)適用于中線處的螺旋槳，x2時(shí)適用于舷側(cè)螺旋槳；為伴流分?jǐn)?shù)修正值，與傅氏數(shù)有關(guān)，可根據(jù)下式?jīng)Q定： 當(dāng)Fr0.2時(shí)，0.1(Fr -0.2)； 當(dāng)Fr0.2時(shí)，0。 為了了解上述經(jīng)驗(yàn)公式的適用性，許凡脫納曾以35艘各類船舶的實(shí)測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式的估算結(jié)果進(jìn)行了分析比較。對于單槳船的主要結(jié)論如下： 平均而言，泰洛公式的誤差最小。 對于內(nèi)河船，以巴甫米爾公式，及巴甫米爾公式與漢克歇爾公式的求和平均值為佳，泰洛公式并不適用。 對于雙槳船的主要結(jié)論如下： 各

35、公式的計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果均較接近，其中以漢克歇爾公式為最好、巴甫米爾公式次之；但當(dāng)方形系數(shù)CB較小時(shí)，均相差較多，相對而言，巴甫米爾公式比較好些。 巴甫米爾公式的適用性較廣。對求和平均值而言， 以上述三式相加的平均值為最佳，泰洛公式加巴甫米爾公式、漢克歇爾公式加巴甫米爾公式次之。 我國在這方面積累的資料不多，但就我們掌握的實(shí)船資料來看，對于1.0×104t至1.0×104t的單槳海船，泰洛公式是較理想的。 4越智重信公式 對于漁船，在主機(jī)負(fù)荷為75100%的航速段內(nèi)所有裝載情況(其平均情況為B/L0.19，0.25，0.66)，伴流分?jǐn)?shù)按下式計(jì)算： 0.3010.053(0.

36、75CB) (5-36)或者，采用如下簡化式： (5-37)式中 dA 尾吃水； B 船寬； D 螺旋槳直徑； 槳軸中心入水深度。 近年來，回歸分析方法用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理日益廣泛，在大量的船模和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，得到一些估計(jì)伴流分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)公式，其中以荷蘭船模試驗(yàn)池供各類海船用的公式有代表性，現(xiàn)介紹如下。 5霍爾特洛潑公式 此公式基于大量模型和實(shí)船試驗(yàn)的結(jié)果(所統(tǒng)計(jì)的船舶類型包括油船、貨船、漁船、集裝箱船和巡洋艦等)，也可用于低長寬比()的大方形系數(shù)船和瘦船。 對于單槳船： (5-38)對于雙槳船： (5-39)上述兩式中，B 船寬； d 平均吃水； D 螺旋槳直徑； dA 在尾垂線(A.P.

37、)處的吃水； L 實(shí)船水線長度； CP 棱形系數(shù)；CB 方形系數(shù)；CV 粘性阻力系數(shù)，按下式計(jì)算：CV =(1k)CF + CA式中，CF為摩擦阻力系數(shù)，按1957 ITTC公式計(jì)算；CA為實(shí)船-船模相關(guān)系數(shù)，按下式計(jì)算：CA=其中，C4 = ，當(dāng)； C4 = 0.04，當(dāng)； dF為首吃水；C2為考慮球首對興波阻力的影響參數(shù)C2exp(-1.89)C30.56其中，ABT為球首橫剖面積(以水線面與首柱相交處計(jì)算)，hB為ABT面積中心在基線以上的高度。C9 與系數(shù)C8有關(guān)的系數(shù)，定義如下：C8，當(dāng)5；或C8， 當(dāng)5；其中，S為船的總濕面積(包括附體)，定義為： 其中，為船橫舯剖面系數(shù)；為水線面

38、面積系數(shù)。C9C8 當(dāng)C828或 C932 當(dāng)C828C11 系數(shù)，由下式確定：C11 當(dāng)2或 C110.0833333()3+1.33333 當(dāng)2CP1 由下式定義的系數(shù)，CP1其中，為0.5L前的縱向浮心位置，以L的百分?jǐn)?shù)計(jì)。 與尾部形狀有關(guān)的系數(shù)，由表5-4 決定。 表5-4船后體形狀V型剖面常規(guī)剖面形狀帶霍格納尾的U型剖面100+10 此公式在形式上比較復(fù)雜，但如有可編程序的 袖珍計(jì)算器，則使用并不困難。加之，霍爾特洛潑采用同樣形式的不同統(tǒng)計(jì)公式提供了估算實(shí)船性能 的近似方法，是有其實(shí)用價(jià)值的。 三、估算推力減額分?jǐn)?shù)的近似公式 1. 漢克歇爾公式 對于單槳標(biāo)準(zhǔn)型商船(CB0.540.8

39、4)： t = 0.50CP0.12 (5-40) 對于單槳漁船： t = 0.77CP0.30 (5-41) 對于雙槳標(biāo)準(zhǔn)型商船(CB0.540.84)： t = 0.50CP0.18 (5-42) 2. 商赫公式 對于單螺旋槳船： t k (5-43)式中，k為系數(shù)，視舵的形式而定， k0.500.70，適用于裝有流線型舵或反應(yīng)舵； k0.700.90，適用于裝有方形舵柱之雙板舵； k0.901.05，適用于裝有單板舵者。 對于雙螺旋槳船采用軸包架者： t0.25+0.14 (5-44) 對于雙螺旋槳船采用軸支架者： t0.70+0.06 (5-45) 3哥鐵保公式 對于單槳標(biāo)準(zhǔn)型商船(C

40、B0.60.85)： t (5-46) 對于雙槳標(biāo)準(zhǔn)型商船(CB0.60.85)： t (5-47)式中，為水線面面積系數(shù)。 根據(jù)許凡脫納的比較分析，對于單槳船的主要結(jié)論為： 上述各式都差得較大，相對而言，以漢克歇爾公式為好； 對于內(nèi)河船舶均不甚適用，對于CB較小或較大的船，用商赫公式較為接近。 對于雙槳船，其結(jié)論為： 幾乎所有公式的計(jì)算值都偏高。比較接近的是漢克歇爾公式，商赫公式最差。 對于拖船，以漢克歇爾公式和哥鐵保公式之平均值最佳，對于采用軸支架者，則以商赫公式為佳。 4. 霍爾特洛潑公式 對于單槳船：t0.001979 (5-48)式中，的定義如下： ， 當(dāng)5.2或 ，當(dāng)5.2其他符號

41、與(5-38)式同。對于雙槳船：t0.325CB0.1885 (5-49)四、相對旋轉(zhuǎn)效率 目前可供計(jì)算相對旋轉(zhuǎn)效率的經(jīng)驗(yàn)公式成熟者不多，通常借螺旋槳船后試驗(yàn)或自航試驗(yàn)來獲得。普通單槳船之相對旋轉(zhuǎn)效率約在0.98至1.05之間，雙槳船約在0.97至1.0之間，在缺少資料時(shí)，一般可近似地取為： 1.0 (5-50)或采用霍爾特洛潑公式， 對于單槳船： 0.99220.05908 (5-51) 對于雙槳船： (5-52)式中 盤面比； 螺距比； 其它符號與(5-38)式同。 有關(guān)估計(jì)相互影響系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式甚多，這里不再一一列舉。應(yīng)該注意的是，在選用經(jīng)驗(yàn)公式或資料時(shí)宜慎重，尤其對那些由船模伴流分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)推算到實(shí)船相應(yīng)的公式，更應(yīng)注意其試驗(yàn)條件，船模尺度等因素，否則會導(dǎo)致較大的誤差。五、伴流分?jǐn)?shù)的尺度作用 用經(jīng)驗(yàn)公式估算伴流分?jǐn)?shù)和推力減額分?jǐn)?shù)，難免帶有局限性，因而一般認(rèn)為：比較可靠的辦法是進(jìn)行專門的模型試驗(yàn)(如船后試驗(yàn)或船模自航試驗(yàn))。但是隨著實(shí)船建造經(jīng)驗(yàn)的積累和人們認(rèn)識的深化，發(fā)現(xiàn)船模的伴流分?jǐn)?shù)m與實(shí)船伴流分?jǐn)?shù)s有很大的差別。表5-5給出了我國三種典型船舶船模和實(shí)船軸向平均伴流的資料，可見實(shí)船的伴流分?jǐn)?shù)顯著小于船模的