船舶推进螺旋桨与船体相互作用.pdf
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船舶推进华中科技大学船海学院Ship Propulsion2课程安排第 1章 概述（ 2学时）第 2章 螺旋桨几何特征（ 2学时）第 3章 螺旋桨基础理论（ 3学时）第 4章 螺旋桨模型的敞水试验（ 4学时）第 5章 螺旋桨与船体相互作用（ 4学时）第 6章 螺旋桨的空泡现象（ 4学时）第 7章 螺旋桨的强度校核（ 4学时）第 8章 螺旋桨图谱设计（ 7学时）第 9章 实船推进性能（ 2学时）3第 5章 螺旋桨与船体相互作用本章主要内容5.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响5.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响5.3 推进系数及推进效率的各种成分5.4 提高推进性能的措施和节能装置5.5 估算螺旋桨与船体相互影响系数的公式4第 5章 螺旋桨与船体相互作用概 述 实际螺旋桨是在船后工作的 ， 螺旋桨和船体成为一个系统 ， 两者之间必然存在相互作用 这种相互作用表现为船体所形成的速度场和螺旋桨所形成的 速度场之间的相互影响 ① 在 船后 工作的螺旋桨因受到船体的影响 ， 故 进入桨盘处的水流速度及其分布情况与敞水者不同 ； ② 而船体周围的水流速度分布及压力分布受螺旋桨的影响也与孤立的船体不同 。
船后螺旋桨与水流的 相对速度不等于船速 ， 螺旋桨发出的 推力 也 不等于 孤立船体所遭受的 阻力 5第 5章 螺旋桨与船体相互作用 实质：把船体和螺旋桨仍然看作是孤立的 ， 即认为螺旋桨是在船后流场中单独工作 ， 而船体位于螺旋桨所影响的水流中运动 可以 把孤立螺旋桨和孤立船体相联系起来 ， 亦即考虑到上述情况以后 ， 可以把螺旋桨敞水试验的结果和船模阻力试验的结果用之于船体 — 螺旋桨的整个系统 采用 近似方法 来解决：分别研究 船体 和 螺旋桨 的单独性能 ， 然后再近似地考虑两者之间的相互影响 6第 5章 螺旋桨与船体相互作用本章主要内容5.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响5.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响5.3 推进系数及推进效率的各种成分5.4 提高推进性能的措施和节能装置5.5 估算螺旋桨与船体相互影响系数的公式75.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响一 、 伴流 （ wake current） 的成因和分类 船在水中以某一速度 V 向前航行时 ， 附近的水受到船体的影响而产生运动 ， 其表现为船体周围伴随着一股水流 ， 这股水流称为 伴流 或 迹流 。
伴流速度场可用相对与螺旋桨的轴向速度 、 周向速度和径向速度三个分量来表示 与轴向速度相比 ，其它两个为二阶小量 ， 常不予考虑 所谓伴流均指轴向伴流 85.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响（形）势伴流（ potential wake current）产生伴流的原因 ： (1) 船身周围的流线运动 首尾处的水流具有向前速度 ，即产生 正伴流 ； 舷侧处的水流具有向后速度 ，即产生 负伴流 ； 离船体愈远 ，形式伴流的数值愈小 95.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响摩擦伴流带摩擦伴流（ frictional wake current） 由于水具有粘性 ， 故当船在运动时沿船体表面形成界层 ， 界层内水的质点具有向前的速度 ， 形成正伴流 ，通常称为 摩擦伴流 ； 摩擦伴流是常为总伴流的 主要部分 ； 摩擦伴流的大小与 船型 、 表面粗糙度 、 雷诺数 及 螺旋桨的位置 等有关 产生伴流的原因 ： (2) 水之粘性作用105.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响L( b )L( a ) 兴波伴流（ wavemaking wake current）产生伴流的原因 ： (3) 船舶的兴波作用 由船舶本身兴波作用而形成的伴流称为 波浪伴流 ， 其数值通常比形式伴流和摩擦伴流小 。
对于 高速双浆船 因其尾部通常为波谷，且螺旋桨的位置处于船后两侧，摩擦伴流和形式伴流较小，故其总伴流可能为负值115.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响 若船速为 V， 桨盘处伴流的 平均轴向速度 为 u， 则螺旋桨与该处水流的 相对速度 (即进速 )VA为：VA = V - u 根据伴流的成因 ， 可将伴流速度 u 写成：u ＝ up + uf + uw up ──桨盘处形势伴流的轴向平均速度； uf ──桨盘处摩擦伴流的轴向平均速度； uw ──桨盘处波浪伴流的轴向平均速度 125.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响二 、 伴流分数 (wake fraction)根据伴流的成因，伴流分数 ω 也写作：1AAV V VuV V V ( 1 )AVV wfp 135.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响二 、 伴流分数 (wake fraction)145.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响三 、 伴流的测定 伴流的大小一般系用试验方法求得 ， 因测量的方法不同可分为 标称伴流 (nominal wake)和 实效伴流 (effective wake)两种 。
在 未装螺旋桨 之船模 (或实船 )后面 ， 用各种流速仪测定螺旋桨盘面处水流速度 ， 可得 标称伴流 根据 船后螺旋桨试验 或自航试验结果与螺旋桨敞水试验结果比较分析可得 实效伴流 上述 两种测量结果是不同 的 其差别在于是否考虑了螺旋桨工作的影响 由于螺旋桨在船后工作 ， 以实效伴流分数来计算螺旋桨进速比较合理 ， 故 通常说的伴流分数 均指 实效伴流分数 155.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响 1．测量标称伴流的方法 测量船模 (或实船 )标称伴流场最常用的仪器是 毕托粑 00. 20. 40. 60. 81. 0π / 4 π / 2 3 π / 4 πr=2cm3456789101 1c m0 .90π0 .10 .20 .30 .40 .70 .80 .60 .51 3 95 11cm π/2165.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响① 用毕托耙测得整个桨盘面处的速度场 ② 根据测量结果求各半径处圆周上的平均伴流及整个盘面上 (除去桨毂部分 )的 平均 伴流③ 进而计算整个盘面上的 平均 伴流分数2 π2 π02 π 00( , ) d 1( ) ( , ) d2 πdr θ r θr r θ r θr θ hh2 π02 π0( , ) d dddRrRrr θ rr θr r θ船后浆盘处各点的 伴流速度 （ 大小和方向 ） 是不同的 ， 伴流的 轴向速度 在盘面上的分布也是不均匀的 ， 所以用平均伴流来估算船后螺旋桨的速度场是近似的 。
175.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响 2．测量实效伴流的方法(a)(b) 首先 在船模后试验螺旋桨 ， 量出船模速度 V及螺旋桨的转速 n、推力 TB、 转矩 QB 然后 ， 将螺旋桨进行敞水试验 ， 保持转速n不变 ， 调节进速直到发出之推力 等于 上述 TB值时 ， 量取其进速 VA及转矩 Q0， 则 u =V－ VA即为实效伴流速度 上述测定实效伴流的方法系使螺旋桨在船后与敞水中于同一转速时发生相同的推力 ， 故称为 等推力法 ， 但此时 Q0≠QB185.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响 若螺旋桨进行敞水试验时 ， 保持转速 n不变 ， 调节进速直至 Q0 ＝ QB时 ， 量取其进速 VA及推力 T0， 则得u1=V－ VA， 也为实效伴流速度 这种方法称为 等转矩方法 ， 但此时 T0≠ TB 用等推力法得到的实效伴流 u与等转矩法得到的实效伴流 u1是 不相等 的 等推力法是目前为大家 广泛采用 的方法 195.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响四 、 伴流不均匀性的影响 i1 ： 为伴流不均匀性对推力的影响系数； i2 ： 为伴流不均匀性对转矩的影响系数； i ：为伴流不均匀性对效率的影响系数 ， 表示在同一进速系数下敞水螺旋桨效率 η0和船后螺旋桨效率ηB之间的关系 。
iiiTTnQVTnQVTBBABABB 2100000 π2π2ηη205.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响002ηηη1η RBiηR为相对旋转效率 在用 等推力法 确定实效伴流的情况下 ， 船体对螺旋桨的影响 可归结为：(1) 平均实效伴流速度 u， 据此可以建立螺旋桨进速VA与船速 V之间的关系 ， 即 VA=V - u， 如以伴流分数 ω来表示 ， 则 VA=V(1- ω)2) 伴流不均匀性 的影响 (即相对旋转效率 )， 据此可以建立 敞水螺旋桨和船后螺旋桨转矩 (或效率 )之间的关系 常采用的是以等推力法来确定为实效伴流 ， 故 T0 = TB21第 5章 螺旋桨与船体相互作用本章主要内容5.1 伴流 —— 船体对螺旋桨的影响5.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响5.3 推进系数及推进效率的各种成分5.4 提高推进性能的措施和节能装置5.5 估算螺旋桨与船体相互影响系数的公式225.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响一 、 推力减额 (thrust deduction)的成因 螺旋桨在船后工作时，由于它的抽吸作用，使 桨盘前方的水流速度增大 。
根据伯努利定理，水流速度增大压力必然下降，故在螺旋桨吸水作用所及的整个区域内压力都要降低，其结果改变了船尾部分的压力分布状况 船体压阻力增加； 另外 ， 船尾部分水流速度增大 ， 使摩擦阻力也有所增加 ， 但其数值比压阻力的增加要小 235.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响p - p 012 ρV20+-ACBA曲线 A — 表示孤立船体周围的压力分布曲线 曲线 B — 为螺旋桨在敞水中工作时桨盘前后的压力分布曲线 曲线 C — 即表示螺旋桨在船后工作时压力沿船体周围的分布情况 ， 其阴影部分即为压力减小的数值 ， 导致船体压阻力增加 245.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响 由于螺旋桨在船后工作时引起的船体附加阻力称为 阻力增额 若螺旋桨发出的推力为 T， 则其中一部分用于克服船的阻力 R(不带螺旋桨时的阻力 )， 而另一部分则为克服 阻力增额 ， 即T ＝ R ＋ ∆R 螺旋桨发出的推力中只有 (T - ∆R)这一部分是用于克服阻力 R并推船前进的 ， 故称为 有效推力 Te 在习惯上 ， 通常将 ∆R称为 推力减额 ， 并以 ∆T表示 因此 ， 螺旋桨的总推力 T 可写作：T ＝ R ＋ ∆T255.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响二 、 推力减额分数 (thrust deduction fraction)TRTTTTTTt e Δ 船体阻力 R 和螺旋桨推力 T 之间的关系为：R＝ T（ 1－ t）推力减额分数的大小与 船型 、 螺旋桨尺度 、 螺旋桨负荷 及 螺旋桨与船体的相对位置 等因素有关。
26二 、 推力减额分数 (thrust deduction fraction)5.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响275.2 推力减额 —— 螺旋桨对船体的影响三 、 推力减额与伴流的关系 力减额分数 t 写作 :t = tp + tf + twtp ：形势推力减额分数 ;tf ：摩擦推力减额分数 ;tw：波浪推力减额分数 富来申纽从理论 : 狄克曼以理论计算方法 : ppt 形势推力减额占总推力减额中的主要成分：t ≈ tp220f2111( 1 )2pptTρ AV28第 5章 螺旋桨与船体相互作用本章主要内容5.1 伴流 —— 船。
