第三章 螺旋桨基础理论及水动力特性

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1、第三章螺旋桨基础理论及水动力特性关于使用螺旋桨作为船舶推进器的思想很早就已确立，各国发明家先后提出过很多螺旋推进器的设计。在长期的实践过程中，螺旋桨的形状不断改善。自十九世纪后期，各国科学家与工程师提出多种关于推进器的理论，早期的推进器理论大致可分为两派。其中一派认为：螺旋桨之推力乃因其工作时使水产生动量变化所致，所以可通过水之动量变更率来计算推力，此类理论可称为动量理论。另一派则注重螺旋桨每一叶元体所受之力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩，此类理论可称为叶元体理论。它们彼此不相关联，又各能自圆其说，对于解释螺旋

2、桨性能各有其便利处，然亦各有其缺点。其后，流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨，解释叶元体的受力与水之速度变更关系，将上述两派理论联系起来而发展成螺旋桨环流理论。从环流理论模型的建立至今已有六十多年的历史，在不断发展的基础上已日趋完善。尤其近二十年来，由于电子计算机的发展和应用，使繁复的理论计算得以实现，并促使其不断完善。虽然动量理论中忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有一定距离，但这个理论能简略地说明推进器产生推力的原因，某些结论有一定的实际意义，故在本章中先对此种理论作必要介绍，再用螺旋桨环流理论的观点分析作

3、用在桨叶上的力和力矩，并阐明螺旋桨工作的水动力特性。至于对环流理论的进一步探讨，将在第十二章中再行介绍。§3-1理想推进器理论一、理想推进器的概念和力学模型推进器一般都是依靠拨水向后来产生推力的，而水流受到推进器的作用获得与推力方向相反的附加速度(通常称为诱导速度)。显然推进器的作用力与其所形成的水流情况密切有关。因而我们可以应用流体力学中的动量定理，研究推进器所形成的流动图案来求得它的水动力性能。为了使问题简单起见，假定：（1）推进器为一轴向尺度趋于零，水可自由通过的盘，此盘可以拨水向后称为鼓动盘(具有吸收外来

4、功率并推水向后的功能)。（2）水流速度和压力在盘面上均匀分布。（3）水为不可压缩的理想流体。根据这些假定而得到的推进器理论，称为理想推进器理论。它可用于螺旋桨、明轮、喷水推进器等，差别仅在于推进器区域内的水流断面的取法不同。例如，对于螺旋桨而言，其水流断面为盘面，对于明轮而言，其水流断面为桨板的浸水板面。设推进器在无限的静止流体中以速度VA前进，为了获得稳定的流动图案，我们应用运动转换原理，即认为推进器是固定的，而水流自无穷远前方以速度VA流向推进器(鼓动盘)274。图3-1(a)表示包围着推进器的流管。由于推进

5、器的作用，在流管中水质点的速度与流管外不同，在流管以外的水流速度和压力处处相等，均为VA和p0，故流管的边界ABC和A1BlC1是分界面。现在讨论流管内水流轴向速度和压力的分布情况。参阅图3-1(a)，在推进器的远前方(AA1剖面)压力为p0、流速为VA。离盘面愈近，由于推进器的抽吸作用，水流的速度愈大而压力下降，到盘面(BB1剖面)的紧前方时，水流的速度为VA+ua1而压力降为p1。当水流经过盘面时，压力突增为(这一压力突变是由于推进器的作用而产生)，而水流速度仍保持连续变化。水流离开盘面以后，速度将继续增大而

6、压力下降。到推进器的远后方(CC1剖面)处，速度将达到最大值VA+ua，而压力回复至p0，图3-1(b)和3-1(c)分别表示流管中水流速度和压力的分布情况。流管内水流轴向速度的增加使流管截面形成收缩，而流管内外的压力差由其边界面的曲度来支持。由于假定推进器在无限深广的流体中运动，故流管以外两端无限远处的压力图3-1和水流速度可视为不变。二、理想推进器的推力和诱导速度根据以上的分析，便可以进一步决定推进器所产生的推力和水流速度之间的关系。应用动量定理可以求出推进器的推力。单位时间内流过推进器盘面(面积为A0)的流

7、体质量为m=ρA0(VA+ua1)，自流管远前方AA1断面流入的动量为ρA0(VA+ua1)VA，而在远后方CC1274断面处流出的动量为ρA0(VA+ua1)(VA+ua)，故在单位时间内水流获得的动量增值为：ρA0(VA+ua1)(VA+ua)－ρA0(VA+ua1)VA=ρA0(VA+ua1)ua根据动量定理，作用在流体上的力等于单位时间内流体动量的增量。而流体的反作用力即为推力，故推进器所产生的推力Ti为：Ti=mua=ρA0(VA+ua1)ua　　　　　　　　　　(3-1)以上各式中，ρ为流体的密度。为

8、了寻求盘面处速度增量ua1与无限远后方速度增量ua的关系，在推进器盘面前和盘面后分别应用伯努利方程。在盘面远前方和紧靠盘面处有下列关系式，即p0+ρV=p1+ρ(VA+ua1)2故p1=p0+ρV－ρ(VA+ua1)2　(3-2)而在盘面远后方和紧靠盘面处有：p0+ρ(VA+ua)2=+ρ(VA+ua1)2故=p0+ρ(VA+ua)2-ρ(VA+ua1)2(3-3)盘面前