--螺旋槳基礎(chǔ)理論及水動力特性

1、第三章螺旋槳基礎(chǔ)理論及水動力特性關(guān)于使用螺旋槳作為船舶推進(jìn)器的思想很早就已確立，各國發(fā)明家先后提岀過很多螺旋 推進(jìn)器的設(shè)計。在長期的實踐過程中，螺旋槳的形狀不斷改善。自十九世紀(jì)后期，各國科學(xué) 家與工程師提出多種關(guān)于推進(jìn)器的理論，早期的推進(jìn)器理論大致可分為兩派。其中一派認(rèn)為: 螺旋槳之推力乃因其工作時使水產(chǎn)生動量變化所致，所以可通過水之動量變更率來計算推力, 此類理論可稱為動量理論。另一派則注重螺旋槳每一葉元體所受之力，據(jù)以計算整個螺旋槳 的推力和轉(zhuǎn)矩，此類理論可稱為葉元體理論。它們彼此不相關(guān)聯(lián)，又各能自圓英說，對于解 釋螺旋槳性能各有其便利處，然亦各有英缺點。苴后，流體力學(xué)中的機翼理論應(yīng)用于螺

2、旋槳，解釋葉元體的受力與水之速度變更關(guān)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。從環(huán)流理論模型的建立至今已有六十多 年的歷史，在不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上已日趨完善。尤其近二十年來，由于電子計算機的發(fā)展和應(yīng) 用，使繁復(fù)的理論計算得以實現(xiàn)，并促使其不斷完善。雖然動量理論中忽略的因素過多，所得到的結(jié)果與實際情況有一左距藹，但這個理論能 簡略地說明推進(jìn)器產(chǎn)生推力的原因，某些結(jié)論有一左的實際意義，故在本章中先對此種理論 作必要介紹，再用螺旋槳環(huán)流理論的觀點分析作用在槳葉上的力和力矩，并闡明螺旋槳工作 的水動力特性。至于對環(huán)流理論的進(jìn)一步探討，將在第十二章中再行介紹。§ 3-1理想推進(jìn)器理論一

3、、理想推進(jìn)器的概念和力學(xué)模型推進(jìn)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(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)器的作用力與其所形成的水流情況密切有關(guān)。 因而我們可以應(yīng)用流體力學(xué)中的動量左理，研究推進(jìn)器所形成的流動圖案來求得它的水動力 性能。為了使問題簡單起見，假定：（1）推進(jìn)器為一軸向尺度趨于零，水可自由通過的盤，此盤可以撥水向后稱為鼓動盤（具 有吸收外來功率并推水向后的功能）O（2）水流速度和壓力在盤而上均勻分布。（3）水為不可壓縮的理想流體。根據(jù)這些假左而得到的推進(jìn)器理論，稱為理想推進(jìn)器理論。它可用于螺旋槳、明輪、噴 水推進(jìn)器等，差別僅在于推進(jìn)器區(qū)域

4、內(nèi)的水流斷面的取法不同。例如，對于螺旋槳而言，其 水流斷而為盤而，對于明輪而言，其水流斷而為槳板的浸水板而。設(shè)推進(jìn)器在無限的靜止流體中以速度叫前進(jìn)，為了獲得穩(wěn)左的流動圖案，我們應(yīng)用運動轉(zhuǎn)換原理，即認(rèn)為推進(jìn)器是固左的，而水流自無窮遠(yuǎn)前方以速度叫流向推進(jìn)器(鼓動盤)。圖3-1 G/)表示包II習(xí)著推進(jìn)骼的流管。由于推進(jìn)器的作用，在流管中水質(zhì)點的速度與流管外不同, 在流管以外的水流速度和壓力處處相等，均為久和處，故流管的邊界ABC和人是分界而。 現(xiàn)在討論流管內(nèi)水流軸向速度和壓力的分布情況。參閱圖3-1(“)，任推進(jìn)器的遠(yuǎn)前方G4A剖 面)壓力為內(nèi)、流速為VAa離盤而愈近，由于推進(jìn)器的抽吸作用，水流的

5、速度愈大而壓力下降, 到盤而(BB：剖而)的緊前方時，水流的速度為匕+心而壓力降為"。當(dāng)水流經(jīng)過盤面時，壓力 突增為”(這一壓力突變是由于推進(jìn)器的作用而產(chǎn)生)，而水流速度仍保持連續(xù)變化。水流離 開盤而以后，速度將繼續(xù)增大而壓力下降。到推進(jìn)器的遠(yuǎn)后方(CG剖面)處，速度將達(dá)到最大 值叫+仏，而壓力回復(fù)至處，圖3-1 (b)和3-1 (c)分別表示流管中水流速度和壓力的分布情況。 流管內(nèi)水流軸向速度的增加使流管截而形成收縮，而流管內(nèi)外的壓力差由其邊界而的曲度來支持。由于假立推進(jìn)器在無限深廣的流體中運動，故流管以外兩端無限遠(yuǎn)處的壓力和水流速度 可 視 為 不 變。二A'r段 c-二

6、-IBCiA：|二VaVa(")(b)p279圖31二、理想推進(jìn)器的推力和誘導(dǎo)速度根據(jù)以上的分析，便可以進(jìn)一步?jīng)Q定推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力和水流速度之間的關(guān)系。應(yīng)用動量左理可以求出推進(jìn)器的推力。單位時間內(nèi)流過推進(jìn)器盤面(而積為血)的流體質(zhì) 量為m=pA.(匕+如),自流管遠(yuǎn)前方AA斷而流入的動量為(叫+如)叫，而在遠(yuǎn)后方CG斷 而處流岀的動量為pAo(Va+wJ故在單位時間內(nèi)水流獲得的動量增值為：pA.(VA+uJ (Va+/g)pA0(Va+zGi) Va = pA.(VA+waI)根據(jù)動量左理，作用在流體上的力等于單位時間內(nèi)流體動雖:的增量。而流體的反作用力即為 推力，故推進(jìn)器所產(chǎn)生的

7、推力7；為：T = m h尸 p A°(V；+g)心(3-1)以上各式中，Q為流體的密度。為了尋求盤而處速度增量g與無限遠(yuǎn)后方速度增量“"的關(guān)系，在推進(jìn)器盤而前和盤而后 分別應(yīng)用伯努利方程。在盤而遠(yuǎn)前方和緊靠盤而處有下列關(guān)系式，即內(nèi)+牙p V；=門+牙p (匕 +uj2故P = p» + pV p(V +Z/H)：(3-2)2 2而在盤而遠(yuǎn)后方和緊靠盤而處有：Pu P( Va +Wj)=p d pV +/G1)2 2故= pu p (V, +ic)' p(V, + Mu)"(3-3)2 2盤而前后的壓力差p -p.就形成了推進(jìn)器的推力，由(3-2

8、)及(33)式可得：p Pi =p(Va + -zg)z<.(3-4)因推進(jìn)器的盤而枳為血，故推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力7；的另一種表達(dá)形式為：T, = p)A“= p Ai(Va + u) «4(3-5)2比較(3-1)及(3-5)兩式可得：“=ut(3-6)2由上式可知，在理想推進(jìn)器盤而處的速度增量為全部增量的一半。水流速度的增量心及 “"稱為軸向誘導(dǎo)速度。由(3-1)式或(3式可見，軸向誘導(dǎo)速度愈大，推進(jìn)器產(chǎn)生的推力也愈 大。三、理想推進(jìn)器的效率推進(jìn)器的效率等于有效功率和消耗功率的比值?，F(xiàn)以絕對運動觀點來討論理想推進(jìn)器的 效率。推進(jìn)器在靜水中以速度認(rèn)前進(jìn)耐產(chǎn)生推力幾 則

9、其有效功率為T,V但推進(jìn)器在工作 時，每單位時間內(nèi)有pAAV.&-u)質(zhì)量的水通過盤而得到加速而進(jìn)入尾流，尾流中的能量隨2水消逝乃屬損失.故單位時間內(nèi)損失的能量(即單位時間內(nèi)尾流所取得的能量)為：1z 1,1pA i ( Va + Mai) llg= TiUa2 2 2從而推進(jìn)器消耗的功率為：Tt V + Tai. = T, (+ /J2 2因此，理想推進(jìn)器的效率加為：T.VxVa(3-7)W、+如)厶+如由(3-5)式可見，推進(jìn)器必需給水流以向后的誘導(dǎo)速度才能獲得推力，故從(3-刀式可知, 理想推進(jìn)器的效率總是小于lo理想推進(jìn)器的效率還可用列外的形式來表達(dá)，根據(jù)(3-5)式解心的二次

10、方程可得：* 眉 j(3'8)或?qū)懽鳎?= Jl +1(3-9)式中，5=稱為推進(jìn)器的負(fù)荷系數(shù)。將(39)式代入(37)可得效率的表達(dá)式為：yMY；2/.a= 一；=(3-10)1 + J1 + 叭由(3-9)及(3J0)式可見，若已知推進(jìn)器的載荷系數(shù)°,便可以確定誘導(dǎo)速度仏(或” 丄及效率加。圖3-2表示仏，2上與載荷系數(shù)-之間的關(guān)系曲線。愈小則效率愈高。在推 Va-S0.6().20.1Va力7；和速度匕一左的條件下，要取得小的載荷系數(shù)必須增大盤面積凡，對螺旋槳來說需增大 直徑D,從而提髙效率。這一結(jié)論具有重要的現(xiàn)實意義。§ 3-2理想螺臨槳理論(尾流陡轉(zhuǎn)的影響

11、)兩者合成作用表現(xiàn)為水流經(jīng)過螺圖33圖3-4在理想推進(jìn)器理論中，規(guī)左推進(jìn)器具有吸收外來功率并產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速度的功能。然而, 對于推進(jìn)器是怎樣吸收外來功率，又如何實現(xiàn)推水向后等問題，卻未予說明。對于螺旋槳來 說，它是利用旋轉(zhuǎn)運動來吸收主機功率的。因而，實際螺旋槳在工作時，除產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速 度外還產(chǎn)生周向誘導(dǎo)速度，其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同, 旋槳盤而后有扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖33所示。為了便于簡要地分析周向誘導(dǎo)速度的存在對螺旋槳 性能的影響，茲討論具有無限多槳葉的螺旋槳在理想流體 中的運動情況，即同一半徑處周向誘導(dǎo)速度為常量。按動量矩泄理，必需有對軸線之外力矩才能變更流體 對此軸的動量矩，因為我們假眾水

12、是理想流體，故在流體 中任何而上僅有垂宜的力。在槳盤以前，水柱之任何兩切 而間所受的圧力或通過軸線、或平行于軸線，對軸線皆無 力矩，故動量矩保持不變，因而水質(zhì)點不能產(chǎn)生周向的附加速度，亦即在盤而以前水流的周 向誘導(dǎo)速度總是等于零。水流經(jīng)過盤而時，因螺旋槳的轉(zhuǎn)動作用使水流獲得周向誘導(dǎo)速度。水流過螺旋槳后直到遠(yuǎn)后方，作用在流體上的外力矩又等于零，所以流體的動量矩不變©若 槳盤后尾流的收縮很小，則可近似認(rèn)為從螺旋槳緊后方和遠(yuǎn)后方的周向誘導(dǎo)速度為一常數(shù)。一、旋轉(zhuǎn)力與周向誘導(dǎo)速度的關(guān)系設(shè)螺旋槳在無限、靜止流場中以速度前進(jìn)，以角速度0 = 212旋轉(zhuǎn)。為了便于討論， 假左螺旋槳仍以。旋轉(zhuǎn)但不前進(jìn)

13、，而水流在遠(yuǎn)前方以軸向速度認(rèn)流向推進(jìn)器?，F(xiàn)分別以心和仏表示槳盤處和遠(yuǎn)后方的周向誘導(dǎo)速度(其方向與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同)， 并對盤而上半徑r處d,段圓環(huán)中所流過的水流應(yīng)用動量矩左理。參閱圖3斗，設(shè)d/»為單位時 間內(nèi)流過此圓環(huán)的流體質(zhì)咼，其值為：d/w = pcL4.)(Va + £ m4)式中，曲”為槳盤上半徑r至(r+dr)段的環(huán)形面積。若L和厶”分別表示質(zhì)量為d加的流體在 槳盤緊前方和緊后方的動咼矩，貝IJ:Lr = 0L“ = d/nru式中為螺旋槳緊后方的周向誘導(dǎo)速度。在單位時間內(nèi)動量矩的增量為:L”一U = dmw：(3-11)根據(jù)動量矩左理：流體在單位時間內(nèi)流經(jīng)流

14、管兩截而的動量矩增量等于作用在流管上的 力矩。在我們所討論的情形下，是指對螺旋槳軸線所取的力矩。即厶一厶QdQ(3-12)設(shè)螺旋槳在旋轉(zhuǎn)時dr圓環(huán)范用內(nèi)作用于流體的旋轉(zhuǎn)力為dE,則英族轉(zhuǎn)力矩為rdF,故 作用在流體上的力矩應(yīng)為：dQ = rdF.(3-13)由(3-11)及(3-13)兩式可得：dE=d/?/；(3-14)質(zhì)呈:為d川的流體經(jīng)過槳盤之后，不再遭受外力矩的作用，故其動量矩保持不變。若槳盤 后尾流的收縮很小，則可以近似地認(rèn)為槳盤后的周向誘導(dǎo)速度為一常數(shù)，亦即槳盤緊后方及 遠(yuǎn)后方處的周向誘導(dǎo)速度相等，故(3-15)根據(jù)動能左理可知，質(zhì)雖:為d川的流體在旋轉(zhuǎn)運動時動能的改變應(yīng)等于旋轉(zhuǎn)力

15、dR在單位時間內(nèi)所作的功，即dF, uu = dm 2式中，螞為槳盤處的周向誘導(dǎo)速度。將(3-14)式代入式中，并經(jīng)簡化后可得：(3-16)上式表明，螺旋槳盤而處的周向誘導(dǎo)速度等于盤而后任一截而處(包括遠(yuǎn)后方)的周向誘 導(dǎo)速度的一半。二、誘導(dǎo)速度的正交性(肌與心間的關(guān)系)心段圓環(huán)而積d/V吸收的功率為wdF，它消耗于三部分：完成有效功d7M,水流軸向運動所耗損的動能和水流周向運動所耗損的動能0因此，2 2cordF. = dTx VA + d/? w；' + d/? u'(3-17)2 2將dF- d加如 代入(3-17)式左邊并消去兩端dm整理后可得：(3-18)若將盤而處遠(yuǎn)

16、前方及遠(yuǎn)后方三項的水流速度（相對于半徑r處的圓環(huán)）作岀圖3-5所示的 速度多角形。則據(jù)（3-18）式可知,由矢量（臥+“、（w妬）和組成的直角三角形與弘、 和心組成的直角三角形相似。從而得到一個非常重要的結(jié)論：誘導(dǎo)速度見垂直于合速協(xié)。圖 中必和匕分別表示遠(yuǎn)前方和遠(yuǎn)后方的合速。三、理想螺旋槳的效率設(shè)d7：為流體在環(huán)形而積dA上的推力，則單位時間內(nèi)所做的有用功為dr.VA,而吸收的 功率為dFe兒故半徑廠處cb段圓環(huán)的理想效率為：(3-19)d7y、d“匕"必7/,=dF(wr (mucor utco?' 將(3 J 8)式代入(3 式得到V s 牙/.= 乩 /;.t（3-20

17、）厶+竺期2式中，仏即為理想推進(jìn)器效率，也可稱為理想螺旋槳的軸向誘導(dǎo)效率。而cor(3-21)稱理想螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率。從(3-20)式可見，由于實際螺旋槳后的尾流旋轉(zhuǎn)，故理想螺旋槳效率"，總是小于理想推 進(jìn)器效率加。這里尚須提醒的是：(3-20)式乃是半徑丿處d,段圓環(huán)的理想效率，只有在各半 徑處的dr圓環(huán)對應(yīng)的7都相等時，該式所表示的才是整個理想螺旋槳的效率。§ 3-3作用在槳葉上的力和力矩一、速度多角形根據(jù)上而的分析可知，螺旋槳在操作時周用的水流情況可簡要地描述如下：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，而在盤而處的軸向誘導(dǎo)速度 等于遠(yuǎn)

18、后方處的一半。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。圖3-6嚴(yán)格說來，上述結(jié)論只適用于在理 想流體中工作的具有無限葉數(shù)的螺旋 槳。但對于有限葉數(shù)的螺旋槳，在螺旋 槳槳葉上的誘導(dǎo)速度與遠(yuǎn)后方相應(yīng)位宜 處誘導(dǎo)速度間的關(guān)系也是這樣，且在一 泄條件下(3-18)式的關(guān)系也是成立的。綜上所述，當(dāng)我們在討論螺旋槳周 囤的流動情況時，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。在絕對運動系統(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。參閱圖3-6,以半徑為的共軸圓柱而與 槳葉

19、相交并展成平而，則葉元體的傾斜角&即為螺距角，且可據(jù)下式?jīng)Q左:P27設(shè)螺旋槳的進(jìn)速為認(rèn)，轉(zhuǎn)速為”，則葉元體將以進(jìn)速匕、周向速度U =2nrn 運動。經(jīng) 過運動轉(zhuǎn)換以后，葉元體即變?yōu)楣绦共粍?，而水流以軸向速度和周向速度流向槳葉切而。 軸向誘導(dǎo)速度“丿2的方向與迎而水流的軸向速度叫相同，而周向誘導(dǎo)速度血2的方向則與圓 周速度相反。從而得到與圖3-5相類似的葉元體的速度多角形圖(3-6) o圖中0稱為進(jìn)角、 A稱為水動力螺距角、協(xié)為相對來流的合成速度。由圖3-6所示的速度多角形可知，槳葉切而 的復(fù)雜運動最后可歸結(jié)為水流以速度、攻角久流向槳葉切而。因此，在討論槳葉任意半徑 處葉元體上的作用力時

20、，可以把它作為機翼剖而來進(jìn)行研究。二、作用在機翼上的升力和阻力簡單回顧一下作用在機翼上的升力和阻力，將有助于槳葉上受力情況的討論。對于二因次機翼，我們可以用環(huán)量為廠的一根無限長的渦線來代替機翼，這根渦線稱為 附著渦。在理想流體中，作用在單位長度機翼上的只有垂直于來流方向的升力厶其值為：L = pVT(3-22)式中，Q為流體的密度，y為來流速度。(3-22)式即為著名的茹柯夫斯基公式。實際上流體是有粘性的，所以無限翼展機翼除了產(chǎn)生與運動方向相垂宜的升力厶外，尚 有與運動方向相反的阻力D.機翼在實際流體中所受的升力、阻力和力矩可以借風(fēng)筒試驗來 測定。圖3-7(“)是某一機翼的G.、Cd和&

21、;的關(guān)系曲線。圖中：升力系數(shù)G一 (3-23)"s2圖37阻力系數(shù)Cd二(3-24)2式中V來流的速度(即機翼前進(jìn)的速度):機翼平而的而積:L 機翼的升力：D 機翼的阻力。實驗證明，在實用范圍內(nèi)，升力系數(shù)G與幾何攻角心約略成線性關(guān)系。當(dāng)幾何攻角為零 時，G不等于零，這是因為機翼剖面不對稱之故。升力為零時的攻角稱為無升力角，以O(shè)o表 示。升力為零的來流方向稱為無升力線，來流與此線的夾角a稱為流體動力攻角或絕對攻角， 如圖3-7 (b)所示。顯然，a = a)+。對于有限翼展機翼，由于機翼上下表而的壓差作用，下表而髙圧區(qū)的流體會繞過翼梢流 向上表而的低壓區(qū)。翼梢的橫向繞流與來流的共同作用

22、，使機翼后緣形成旋渦層。這些旋渦 稱為自由渦。它們在后方不遠(yuǎn)處卷成兩股大旋渦而隨流速廠延伸至無限遠(yuǎn)處，如圖38所示。3z低壓(b)/IJW)由圖亦于自由渦的存在，在空間產(chǎn)生一個誘導(dǎo)速度場。在機翼后緣處，誘導(dǎo)速度垂直于運動方向，故也稱下洗速 度。由于產(chǎn)生下洗速度，使機翼周用的流動圖形有所改變，相當(dāng)于無限遠(yuǎn)處來流速度U發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，真正的攻角發(fā)生變化，如圖39所示。由于機翼處下洗速度唧2, 使得原來流速V改變?yōu)?真正的攻角由a；改變?yōu)榫茫琣；為三元的輕義弦線攻角，久稱為 有效幾何攻角。Aa=< -aK稱為下洗角，一般約為2°3° ,因此可近似地認(rèn)為：圖39丄a =話(3-2

23、5)考慮了尾渦的誘導(dǎo)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翼的一段, 如果在y處的環(huán)雖為廠(y),從茹柯夫斯基升力公式可知，dy段機翼所受的升力d厶垂直于來 流，其大小為：dL = p VRr(y) d y(3-26)也就是說，有限翼展的機翼微段相當(dāng)于來流速度為，攻角為久的二因次機翼，故機翼微段 將受到與協(xié)垂直的升力dL和與方向一致的粘性阻力dDa三、螺旋槳的作用力由上而的分析可知，在給泄螺旋槳的進(jìn)速和轉(zhuǎn)速”時，如能求得誘導(dǎo)速度仏及兒，則 可根據(jù)機翼理論求岀任意半徑處葉元體上的作用力，進(jìn)而求出整個螺旋槳的作用力。取半徑r處“段的葉元體進(jìn)行討論，英速度多角形如圖3-10所示。當(dāng)水流

24、以合速度、 攻角&流向此葉元體時，便產(chǎn)生了升力dL和阻力dDo將升力d厶分解為沿螺旋槳軸向的分dLUnTdD.dLd/dd211/77圖 3-10力dL.和旋轉(zhuǎn)方向的分力d厶，阻力dD相應(yīng)地分解為dD和dD,o因此該葉元體所產(chǎn)生的推力d；T及遭受 的旋轉(zhuǎn)阻力dF是：dT = d厶廠 dD = d厶cos0-d£)sinAdF二 d厶 + dD = dLsin.+ dDcos* f(3-27)根據(jù)茹柯夫斯基升力公式，葉元體上dr段產(chǎn)生的升力為：dL=pV.r(r)d/ (3-28)將(3-28)式代入(3-27)式，并考慮到dD = edL(s為葉元體的阻升比)，葉元體轉(zhuǎn)矩dQ

25、 = rdf, 可得到：(3-29)dT = pr(r) VR cos 屈(l-£ tgB) dr dQ = p r(r) VRSin £ (1 +cctg燦'從從圖3J0可得到如下關(guān)系式:Vr cos A = cor- z/.1VR sin = VA+ 2將這些關(guān)系式代入(3-29)式，可得：dT = p r(r)(初一 mJ (1 -£ tg B)d廣2L(3-30)dQ=p r(r) (VA + u) (1 +s ctg B)皿2類似地，可以求得葉元體的效率為：_ VAdT _ 匕dUcos* -£sin“J _ 匕cos0(l-£

26、;tgA)"orcordF °d 厶(sin 0 +wcos 0) Q7sin0(l + £Ctg “J二1匕込“ cor(3-31)1 + tgA其中加和w分別為軸向誘導(dǎo)效率和周向誘導(dǎo)效率，"尸(1-£迄)/(1+£您0)稱為葉元體的結(jié) 構(gòu)效率，是因螺旋槳運轉(zhuǎn)于具有粘性的實際流體中所引起。在實際流體中，因£工0,故從<1, 說明螺旋槳在實際流體中工作的效率比在理想流體中要低。圖3-6中曾立義“為進(jìn)角，A為水動力螺距角，利用關(guān)系式：tg=cor匕+空cor - 2就可以將葉元體效率沿表達(dá)為列一種簡單而有用的形式如下:(

27、3-32)也就是說，葉元體的理想效率為:(3-33)將(3-30)式沿半徑方向從槳轂至葉梢進(jìn)行積分并乘以葉數(shù)Z以后，便可得到整個螺旋槳 的推力和轉(zhuǎn)矩，即T = Zp f r(r) (car- u) (.Is tgR) dr >(3-34)Ie廠fM+址皿式中，幾為槳轂半徑，/?為螺旋槳半徑。(3-34)式把螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)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(jié)果要精密完整得多。當(dāng)螺旋槳以進(jìn)速匕和轉(zhuǎn)速"進(jìn)行工作時，必須吸收主機所供給的轉(zhuǎn)矩Q才能發(fā)出推力T, 其所作的有用功率為7V、，而吸收的功率為2皿唱，故螺旋槳的效率為：TV.2nnQ(3-35)由(3-34)

28、式可見，欲求某一螺旋槳在給龍的進(jìn)速和轉(zhuǎn)速時所產(chǎn)生的推力、轉(zhuǎn)矩和效率， 則必須知道環(huán)疑3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)流理論解 決。本章中暫且不討論利用這些式子來計算螺旋槳的水動力性能，但對上述基本理論的了解 將有助于我們深入討論有關(guān)問題。§ 3-4擦旋槳的水動力性能所謂螺旋槳的水動力性能是指：一龍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(jìn)速匕和轉(zhuǎn)速小間的關(guān)系。為了淸楚地描述它們之間的關(guān)系，有必要先介紹表征螺旋槳運動的性征系數(shù)并分析螺旋槳在不同運動狀態(tài)下水動力性能的變化。設(shè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速為小進(jìn)速為以，則其旋 轉(zhuǎn)一周在軸向所前進(jìn)的距離h

29、=V.Jn稱為進(jìn) 程。圖3-11表示螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周時半徑'處葉 元體的運動情況。螺距和進(jìn)程九之差(PTQ稱 為滑脫，滑脫與螺距的比值稱為滑脫比并以S 來表示，即p嘰P(3-36)圖 3-11進(jìn)程心與螺旋槳直徑D的比值稱為進(jìn)速 系數(shù)，以丿來表示，即(3-37)由(3-36)及(3-37)兩式，可得進(jìn)速系數(shù)J與滑脫比S之間的關(guān)系為:P J = (1-S)(3-38)D在螺距P立的情況下，若不考慮誘導(dǎo)速度，則滑脫比S的大小即標(biāo)志著攻角a；的大小, 滑脫比S大(進(jìn)速系數(shù)丿小)即表示攻角a；大，若轉(zhuǎn)速一泄，則螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩亦大。因 此，滑脫比(或進(jìn)速系數(shù)/)是影響螺旋槳性能的重要參數(shù)，其重要

30、性與機翼理論中的攻角a； 相似。現(xiàn)在進(jìn)一步討論進(jìn)速系數(shù)丿的變化對螺旋槳性能的影響。當(dāng)進(jìn)速系效丿=0時，由（3-37） 式知，這時進(jìn)速為零，即螺旋槳只旋轉(zhuǎn)而不前進(jìn)，如船舶系柱情況，其速度和力的關(guān)系如圖 32（“）所示。升力將與推力重合，各葉元體具有最大的攻角比，所以推力和轉(zhuǎn)矩都達(dá)到最大 值。dL dD3卩1ndL0Idir1叫/dDrdLs/dD<圖 3-12當(dāng)轉(zhuǎn)速保持不變，隨著認(rèn)（亦即/值）的增加，攻角a；隨之減小，從而推力和轉(zhuǎn)矩也相應(yīng) 減小。當(dāng)丿增加到某一數(shù)值時，螺旋槳發(fā)岀的推力為零，英實質(zhì)乃是水流以某一負(fù)幾何攻角 與葉元體相遇（圖3-120）,而此時作用于葉元體上的升力dL及阻力dD在軸向的分力大小 相等方向相反，故葉元體的推力等于零，但在這種情況下，葉元體仍遭受旋轉(zhuǎn)阻力（所討