船舶推进_螺旋桨基础理论
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
' 1 1 2 2 1 2
2
上两式相减：
p p 1 ( V A 12 u a ) u a
' 1
得出推力Ti的另一种表达形式为：
T i ( p p 1 ) A 0 A 0 ( V A 12 u a ) u a
' 1
17
3.1 理想推进器理论
T i m u a A 0 (V A u a 1 ) u a
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，适于螺旋桨、明轮、喷水推进器等。
7
3.1 理想推进器理论
理想推进器力学模型
远前方 盘面 远后方
诱导速度 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； 水流流过盘面后压力突增。
3.2 理想螺旋桨理论
根据动量矩定理：流体在单位时间内流经流管两截 面的动量矩增量等于作用在流管上的力矩。
L '' L ' d Q
作用在流体上的力矩：
d Q rd F i
其中，作用在流体上的旋转力
d Fi d m u
' t
u t' u t
桨盘紧后方的周 向诱导速度。 桨盘远后方的周 向诱导速度。
12
伯努利方程
v2 p z H 2g g
适用条件：只受到重力的不可压缩 的理想流体，定常流动。
13
物理意义
v2 p z H 2g g
单 位 重 力流体的 动能
位势能
压强势能
沿着同一根流线，流体的动能、位势能和 压强势能可以相互转变，三者之和保持不 变。
14
几何意义
船舶推进 Ship Propulsion
华中科技大学船海学院
课程安排
第1 章 第2 章 第3 章 第4 章 第5 章 第6 章 第7 章 第8 章 第9 章 概述（2学时） 螺旋桨几何特征（2学时） 螺旋桨基础理论（3学时） 螺旋桨模型的敞水试验（4学时） 螺旋桨与船体相互作用（4学时） 螺旋桨的空泡现象（4学时） 螺旋桨的强度校核（4学时） 螺旋桨图谱设计（7学时） 实船推进性能（2学时）
包围着推进器的流管
流管中水流速度和压力 的分布情况
8
3.1 理想推进器理论
螺旋桨流 排 出 流 吸 入 流
吸入流－范围较宽、流速较慢、流线平行 螺旋桨流 排出流－范围较窄、流速较快、流线螺旋
9
3.1 理想推进器理论
二、理想推进器的推力和诱导速度
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 流体质量为
p 0 12 V A2 p 1 12 ( V A u a 1 ) 2
即
p 1 p 0 12 V A2 12 ( V A u a 1 ) 2
而在盘面远后方和紧靠盘面处有：
p 0 12 ( V A u a ) 2 p 1' 12 ( V A u a 1 ) 2
5
第3章 螺旋桨基础理论
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
6
3.1 理想推进器理论
一、理想推进器的概念和力学模型
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 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。
m A 0 (V A u a 1 )
10
3.1 理想推进器理论
流入的动量为 M 流出的动量为 M
1 2
A 0 (V A u a 1 )V A A 0 ( V A u a 1 )( V A u a )
故在单位时间内水流获得的动量增值为：
dM M 2 M 1 A 0 (V A u a 1 )(V A u a ) A 0 (V A u a 1 )V A A 0 (V A u a 1 ) u a
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
31
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
一、速度多角形
螺旋桨在操作时周围的水流情况 1. 轴向诱导速度自桨盘远前方的零值起逐渐增加， 至桨盘远后方处达最大值，而在盘面处的轴向 诱导速度等于远后方处的一半； 2. 周向诱导速度在桨盘前并不存在，而在桨盘后 立即达到最大值，桨盘处的周向诱导速度是后 方的一半。
33
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
二、作用在机翼上的升力和阻力
z L F
u
¦Α
l
D
x
b
y
34
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
将一给定形状的机翼置于均匀流速 u 的来流中。给 定机翼冲角，产生与运动方向相垂直的升力 L 外， 尚有与运动方向相反的阻力 D。
从茹柯夫斯基升力公式可知，dy段机翼所受的升力 dL垂直于来流VR，其大小为： dL = ρV RΓ(y) d y
T i ( p 1' p 1 ) A 0 A 0 ( V A 12 u a ) u a
u a 1 12 u a
由上式可知，在理想推进器盘面处的速度增 量为全部增量的一半。
水流速度的增量ua1及 ua称为轴向诱导速度。
18
3.1 理想推进器理论
三、理想推进器的效率
T i A 0 (V A u a 1 ) u a
32
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
β：进角 βi ：水动力螺距角 θ：叶元体的倾斜角(螺距角) αk:攻角 2n
n 1/ T
2 / T ( : rad / s; n : Hz )
在绝对运动系统中，轴向诱导速度的方向与螺旋桨的前 进方向相反，而周向诱导速度的方向与螺旋桨的转向相 同。经过运动转换以后，叶元体即变为固定不动，轴向 诱导速度ua/2的方向与迎面水流的轴向速度VA相同，而 周向诱导速度ut/2的方向则与圆周速度U相反。
Ti ua Ti 1 1 1 T 1 T 1 1 VA 2 ρ A 0V A ρA0V A2 2 2
T iV A VA 1 iA 1 1 T i (V A 2 u a ) V A 2 u a 1 1 2 ua /VA
2 iA 1 1 σT
即
p 1' p 0 12 ( V A u a ) 2 12 ( V A u a 1 ) 2
16
3.1 理想推进器理论
2 2 1 p1 p0 1 V ( V u ) A A a1 2 2
p p0 (VA ua ) (VA ua1 )
2
第3章 螺旋桨基础理论
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
3
第3章 螺旋桨基础理论
理想推进器理论
早期的推进器理论分为两派
动量理论: 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。 叶元体理论: 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。
理想推进器的效率ηiA为：
T iV A VA iA 1 T i (V A 2 u a ) V A 1 2 ua
19
3.1 理想推进器理论
理想推进器的效率还可用另外的形式来表达，根据(35)式解ua的二次方程可得： T i ( p 1' p 1 ) A 0 A 0 ( V A 12 u a ) u a 2 Ti 2 u a V A V A σT ：推进器的载荷系数 A0
有效功率为TiVA 单位时间内损失的能量 ( 即单位时间内尾流所取得的 能量)为：
1 2
A 0 (V A u a 1 ) u a 12 T i u a
2
推进器消耗的功率为：
T i V A 12 T i u a T i ( V A 12 u a ) T i ( V A u a 1 )
22
3.2 理想螺旋桨理论
理想推进器：吸收外来功 率并产生轴向诱导速度。 理想螺旋桨：利用旋转运 动来吸收主机功率。
假定： 水是理想流体, 故在流体中任何面上仅有垂直的力； 在桨盘以前 , 动量矩保持不变, 在盘面以前水流的周向诱导 速度总是等于零。
23
3.2 理想螺旋桨理论
一、旋转力与周向诱导速度的关系
吸收的功率
ut r u aV A u a V A VA 2 i u t r u t r V u a r A 2
i iA iT
iA --理想推进器效率／理想螺旋桨的轴向诱导效率。 iT --理想螺旋桨的周向诱导效率。 30
第3章 螺旋桨基础理论
28
3.2 理想螺旋桨理论
ut ωr ua 2 ut V u a A 2
诱导速度un垂直于合速VR 。
29
3.2 理想螺旋桨理论
三、理想螺旋桨的效率 dT iV A dm u aV A u aV A 单位时间内所 i 做的有用功 dFi r dm u t r u t r
dFi dmut
26
3.2 理想螺旋桨理论
根据动能定理可知，质量为 dm 的流体在旋转运动时动 能的改变应等于旋转力dFi 在单位时间内所作的功，即
u dFi u t 1 dm 2
桨盘处的周向诱导 速度。
2 t
dFi dmut
ut ut 1 2
表明：螺旋桨盘面处的周向诱导速度等于盘面后任一截 面处（包括质量：
d m d A 0 ( V A 12 u a )
24
3.2 理想螺旋桨理论
桨盘紧前方的动量矩： 桨盘紧后方的动量矩：
''
L 0
'
L d m ru
' t
单位时间内动量矩的增量：
桨盘紧后方的周 向诱导速度。
' t
25
L L d m ru
'' '
v p z H 2g g
2
总水头
速度水头
位置水头
压强水头
沿着同一根流线，流线的速度水头、位置 水头和压强水头之和为常数。
15
3.1 理想推进器理论
（2） 用伯努利方程（重力场中的定常不可压缩流体）
v2 p gz C 2
在盘面远前方和紧靠盘面处有下列关系式：
27
3.2 理想螺旋桨理论
二、诱导速度的正交性( ua与ut间的关系)
1 1 2 2 rdF i dT iV A dm u a dm u t 2 2
吸收的功率 消耗的功率
d Fi d m ut
d T iV A d m u a V A
ut ωr ua 2 ut V u a A 2
4
第3章 螺旋桨基础理论
理想推进器理论
螺旋桨环流理论
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。
虽然动量理论中忽略的因素较多，所得的结果与实际情况 有一段距离，但这个理论能简略的说明推进器产生推力的 原因，某些结论有一些实际意义。
35
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
三、螺旋桨的作用力
11
3.1 理想推进器理论
d M A 0 (V A u a 1 ) u a
（ 1 ）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：
Ft dM
而流体的反作用力即为推力，故推进器所产生
的推力Ti为：
m A 0 (V A u a 1 )
T i A 0 (V A u a 1 ) u a m u a
20
3.1 理想推进器理论
ηiA与载荷系数之间的关系曲线
载荷系数越小， 推进效率越高； 推力Ti 和速度VA 一定的条件下, 要取得小的载荷 系数必须增大盘 面积A0
2 iA 1 1 σT
T
Ti 1 ρA0V A2 2
21
第3章 螺旋桨基础理论
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
2
上两式相减：
p p 1 ( V A 12 u a ) u a
' 1
得出推力Ti的另一种表达形式为：
T i ( p p 1 ) A 0 A 0 ( V A 12 u a ) u a
' 1
17
3.1 理想推进器理论
T i m u a A 0 (V A u a 1 ) u a
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，适于螺旋桨、明轮、喷水推进器等。
7
3.1 理想推进器理论
理想推进器力学模型
远前方 盘面 远后方
诱导速度 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； 水流流过盘面后压力突增。
3.2 理想螺旋桨理论
根据动量矩定理：流体在单位时间内流经流管两截 面的动量矩增量等于作用在流管上的力矩。
L '' L ' d Q
作用在流体上的力矩：
d Q rd F i
其中，作用在流体上的旋转力
d Fi d m u
' t
u t' u t
桨盘紧后方的周 向诱导速度。 桨盘远后方的周 向诱导速度。
12
伯努利方程
v2 p z H 2g g
适用条件：只受到重力的不可压缩 的理想流体，定常流动。
13
物理意义
v2 p z H 2g g
单 位 重 力流体的 动能
位势能
压强势能
沿着同一根流线，流体的动能、位势能和 压强势能可以相互转变，三者之和保持不 变。
14
几何意义
船舶推进 Ship Propulsion
华中科技大学船海学院
课程安排
第1 章 第2 章 第3 章 第4 章 第5 章 第6 章 第7 章 第8 章 第9 章 概述（2学时） 螺旋桨几何特征（2学时） 螺旋桨基础理论（3学时） 螺旋桨模型的敞水试验（4学时） 螺旋桨与船体相互作用（4学时） 螺旋桨的空泡现象（4学时） 螺旋桨的强度校核（4学时） 螺旋桨图谱设计（7学时） 实船推进性能（2学时）
包围着推进器的流管
流管中水流速度和压力 的分布情况
8
3.1 理想推进器理论
螺旋桨流 排 出 流 吸 入 流
吸入流－范围较宽、流速较慢、流线平行 螺旋桨流 排出流－范围较窄、流速较快、流线螺旋
9
3.1 理想推进器理论
二、理想推进器的推力和诱导速度
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 流体质量为
p 0 12 V A2 p 1 12 ( V A u a 1 ) 2
即
p 1 p 0 12 V A2 12 ( V A u a 1 ) 2
而在盘面远后方和紧靠盘面处有：
p 0 12 ( V A u a ) 2 p 1' 12 ( V A u a 1 ) 2
5
第3章 螺旋桨基础理论
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
6
3.1 理想推进器理论
一、理想推进器的概念和力学模型
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 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。
m A 0 (V A u a 1 )
10
3.1 理想推进器理论
流入的动量为 M 流出的动量为 M
1 2
A 0 (V A u a 1 )V A A 0 ( V A u a 1 )( V A u a )
故在单位时间内水流获得的动量增值为：
dM M 2 M 1 A 0 (V A u a 1 )(V A u a ) A 0 (V A u a 1 )V A A 0 (V A u a 1 ) u a
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
31
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
一、速度多角形
螺旋桨在操作时周围的水流情况 1. 轴向诱导速度自桨盘远前方的零值起逐渐增加， 至桨盘远后方处达最大值，而在盘面处的轴向 诱导速度等于远后方处的一半； 2. 周向诱导速度在桨盘前并不存在，而在桨盘后 立即达到最大值，桨盘处的周向诱导速度是后 方的一半。
33
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
二、作用在机翼上的升力和阻力
z L F
u
¦Α
l
D
x
b
y
34
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
将一给定形状的机翼置于均匀流速 u 的来流中。给 定机翼冲角，产生与运动方向相垂直的升力 L 外， 尚有与运动方向相反的阻力 D。
从茹柯夫斯基升力公式可知，dy段机翼所受的升力 dL垂直于来流VR，其大小为： dL = ρV RΓ(y) d y
T i ( p 1' p 1 ) A 0 A 0 ( V A 12 u a ) u a
u a 1 12 u a
由上式可知，在理想推进器盘面处的速度增 量为全部增量的一半。
水流速度的增量ua1及 ua称为轴向诱导速度。
18
3.1 理想推进器理论
三、理想推进器的效率
T i A 0 (V A u a 1 ) u a
32
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
β：进角 βi ：水动力螺距角 θ：叶元体的倾斜角(螺距角) αk:攻角 2n
n 1/ T
2 / T ( : rad / s; n : Hz )
在绝对运动系统中，轴向诱导速度的方向与螺旋桨的前 进方向相反，而周向诱导速度的方向与螺旋桨的转向相 同。经过运动转换以后，叶元体即变为固定不动，轴向 诱导速度ua/2的方向与迎面水流的轴向速度VA相同，而 周向诱导速度ut/2的方向则与圆周速度U相反。
Ti ua Ti 1 1 1 T 1 T 1 1 VA 2 ρ A 0V A ρA0V A2 2 2
T iV A VA 1 iA 1 1 T i (V A 2 u a ) V A 2 u a 1 1 2 ua /VA
2 iA 1 1 σT
即
p 1' p 0 12 ( V A u a ) 2 12 ( V A u a 1 ) 2
16
3.1 理想推进器理论
2 2 1 p1 p0 1 V ( V u ) A A a1 2 2
p p0 (VA ua ) (VA ua1 )
2
第3章 螺旋桨基础理论
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能
3
第3章 螺旋桨基础理论
理想推进器理论
早期的推进器理论分为两派
动量理论: 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。 叶元体理论: 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。
理想推进器的效率ηiA为：
T iV A VA iA 1 T i (V A 2 u a ) V A 1 2 ua
19
3.1 理想推进器理论
理想推进器的效率还可用另外的形式来表达，根据(35)式解ua的二次方程可得： T i ( p 1' p 1 ) A 0 A 0 ( V A 12 u a ) u a 2 Ti 2 u a V A V A σT ：推进器的载荷系数 A0
有效功率为TiVA 单位时间内损失的能量 ( 即单位时间内尾流所取得的 能量)为：
1 2
A 0 (V A u a 1 ) u a 12 T i u a
2
推进器消耗的功率为：
T i V A 12 T i u a T i ( V A 12 u a ) T i ( V A u a 1 )
22
3.2 理想螺旋桨理论
理想推进器：吸收外来功 率并产生轴向诱导速度。 理想螺旋桨：利用旋转运 动来吸收主机功率。
假定： 水是理想流体, 故在流体中任何面上仅有垂直的力； 在桨盘以前 , 动量矩保持不变, 在盘面以前水流的周向诱导 速度总是等于零。
23
3.2 理想螺旋桨理论
一、旋转力与周向诱导速度的关系
吸收的功率
ut r u aV A u a V A VA 2 i u t r u t r V u a r A 2
i iA iT
iA --理想推进器效率／理想螺旋桨的轴向诱导效率。 iT --理想螺旋桨的周向诱导效率。 30
第3章 螺旋桨基础理论
28
3.2 理想螺旋桨理论
ut ωr ua 2 ut V u a A 2
诱导速度un垂直于合速VR 。
29
3.2 理想螺旋桨理论
三、理想螺旋桨的效率 dT iV A dm u aV A u aV A 单位时间内所 i 做的有用功 dFi r dm u t r u t r
dFi dmut
26
3.2 理想螺旋桨理论
根据动能定理可知，质量为 dm 的流体在旋转运动时动 能的改变应等于旋转力dFi 在单位时间内所作的功，即
u dFi u t 1 dm 2
桨盘处的周向诱导 速度。
2 t
dFi dmut
ut ut 1 2
表明：螺旋桨盘面处的周向诱导速度等于盘面后任一截 面处（包括质量：
d m d A 0 ( V A 12 u a )
24
3.2 理想螺旋桨理论
桨盘紧前方的动量矩： 桨盘紧后方的动量矩：
''
L 0
'
L d m ru
' t
单位时间内动量矩的增量：
桨盘紧后方的周 向诱导速度。
' t
25
L L d m ru
'' '
v p z H 2g g
2
总水头
速度水头
位置水头
压强水头
沿着同一根流线，流线的速度水头、位置 水头和压强水头之和为常数。
15
3.1 理想推进器理论
（2） 用伯努利方程（重力场中的定常不可压缩流体）
v2 p gz C 2
在盘面远前方和紧靠盘面处有下列关系式：
27
3.2 理想螺旋桨理论
二、诱导速度的正交性( ua与ut间的关系)
1 1 2 2 rdF i dT iV A dm u a dm u t 2 2
吸收的功率 消耗的功率
d Fi d m ut
d T iV A d m u a V A
ut ωr ua 2 ut V u a A 2
4
第3章 螺旋桨基础理论
理想推进器理论
螺旋桨环流理论
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。
虽然动量理论中忽略的因素较多，所得的结果与实际情况 有一段距离，但这个理论能简略的说明推进器产生推力的 原因，某些结论有一些实际意义。
35
3.3 作用在桨叶上的力和力矩
三、螺旋桨的作用力
11
3.1 理想推进器理论
d M A 0 (V A u a 1 ) u a
（ 1 ）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：
Ft dM
而流体的反作用力即为推力，故推进器所产生
的推力Ti为：
m A 0 (V A u a 1 )
T i A 0 (V A u a 1 ) u a m u a
20
3.1 理想推进器理论
ηiA与载荷系数之间的关系曲线
载荷系数越小， 推进效率越高； 推力Ti 和速度VA 一定的条件下, 要取得小的载荷 系数必须增大盘 面积A0
2 iA 1 1 σT
T
Ti 1 ρA0V A2 2
21
第3章 螺旋桨基础理论
本章主要内容
3.1 理想推进器理论 3.2 理想螺旋桨理论 3.3 作用在桨叶上的力和力矩 3.4 螺旋桨的水动力性能