Chapter第节螺旋桨分析.ppt

第四节 螺旋浆装置 1．螺旋浆的结构和几何参数 1）结构：螺旋桨是一种反作用式推进器。当螺旋桨转动时，桨推水向后（或向前），并受到水的反作用力而产生向前（或向后）的推力，使船舶前进（或后退）。螺旋桨由桨叶和桨毂构成。桨叶通常为3—5片，最多为6片，各片之间按等距布置。 桨叶靠近桨毂的部分称叶根，最外端称叶梢；从船尾向船首看，看到的叶面为压力面（推力面），桨叶的另一面为吸力面（吸水面）。按正车方向旋转时，桨叶先入水的一边为导边，后入水的一边为随边。螺旋桨旋转时叶梢顶尖画出的圆称叶梢圆，其直径为螺旋桨直径，用D表示。从船尾向船首看，螺旋桨在正车时沿顺时针方向旋转者称右旋桨，沿逆时针方向旋转者称左旋桨。 压力面是一个螺旋面，有等螺距螺旋面和变螺距螺旋面两种。如图，与轴线相交的线段以等角速度绕轴线旋转，同时以等线速度沿轴线向下（或向上）移动，其在空间划过的轨迹所形成的曲面即为螺旋面。线段上任意一点运动的轨迹为一螺旋线。母线上的任一点旋转一周在轴线方向上移动的距离称为该螺旋桨的螺距，以H表示。若组成螺旋桨的各螺旋线螺距相等，这个螺距即为螺旋面的螺距，而该螺旋面称为等螺距螺旋面。 如图，若把螺旋线所在圆筒面沿垂直方向剪开展平，螺旋线为一直线，从而得到一直角三角形，称为螺距三角形。螺旋线与圆筒面底边所构成的倾角称为螺距角，用γ表示。 若母线上各点以等转速旋转但各点下降的速度不同，这样形成的螺旋面称为径向变螺距螺旋面。大型船舶螺旋桨的压力面大多由径向变螺距螺旋面构成，其吸力面通常则是一个复杂的螺旋面。 2）几何参数： （1）螺距H：系指压力面的螺距，径向变螺距螺旋桨的螺距，通常自叶根向叶梢逐渐增加，一般以0.7R或2R/3处的螺距代表螺旋桨的螺距，此值约等于螺旋桨的平均螺距。 （2）螺距比H/D：是螺旋浆主要的结构参数之一，其大小直接影响螺旋浆的性能。 （3）盘面比A/Ad：所有浆叶展开面积总和与盘面积之比，是螺旋浆的另一个重要的结构参数。盘面比大，说明浆叶肥大，推水的总面积大。 2．螺旋浆的工作原理 1）工作原理：若取一与桨毂共轴的圆筒形刀切割桨叶，将切得的断面展开后所得的面称为叶素断面。半径为r和r+Δr的两个叶素断面间的这部分桨叶称为叶素（或叶原体）。整个桨叶的作用可以看成是无数叶素作用的总和。螺旋桨在水中同时参与两种运动，即绕桨毂轴线的回转运动和沿桨毂轴线的轴向运动。设螺旋桨的转速为n，则在半径r处的叶素一方面以2πr?n绕轴心回转，一方面又以进速Vp前进，它相对于水的速度w即为这种速度的合成。 如把叶素视为不动，根据运动转换原理，则各种速度的方向如图所示。水流速度w与弦线间的夹角称为冲角。由于叶素断面的形状与机翼断面相似，因此可以利用机翼在空气中运动时产生的升力来说明螺旋桨的受力情况。根据机翼工作的原理，在叶素上将产生升力dy和阻力dx。升力dy垂直于w，阻力dx则沿着w的方向。把升力dy和阻力dx各自分解成轴向和回转方向的分力，于是，在叶素上产生的推力dT，在回转方向产生阻力dQ。 此阻力作用在距轴心半径r的叶素上，它对螺旋桨产生一个阻力矩dM=rdQ。螺旋桨桨叶是由无数叶素合成的，各桨叶所有叶素上产生的推力dT的总和即为螺旋桨的推力T。各桨叶所有叶素上产生的阻力矩dM的总和即为螺旋桨的阻力矩M。因此，为了使螺旋桨产生推力，必须由主机发出功率克服螺旋桨的阻力矩。 2）滑失与滑失率 当螺旋浆在水中运动时，水被它推向后移，由于螺旋桨和水之间存在轴向方向的相对滑动，因此螺旋浆前进的距离比螺距要小，这种现象称为滑失现象。螺旋浆旋转一周在轴向前进的距离称为进程hp，进程与浆直径的比值称为进程比λp=hp/D。螺距H与进程的差值（H-hp）称为滑失。H-hp/H称为滑失比（率），即： S=（H – hp）/H = （H·n –Vp）/H·n 3．螺旋浆的工作特性 1）螺旋桨的推力 ： T=K1ρn2D**4 （N） =C1 n2 2）螺旋浆的阻力矩： M=K2ρn2D**5 （N·m） =C2 n2 3）螺旋浆的效率： ηp=K1λp/2πK2 =C0 4）螺旋浆的功率： Pp=2πnM =C·n3 螺旋桨的工作曲线 对于几何形状一定的螺旋桨，推力系数K1和扭矩系数K2都取决于进程比，其随进程比的变化规律如图。 Λp=hp/D=vp/nD 对于一定的螺旋桨，进程比取决于船舶的航行工况。 4．影响螺旋浆特性的因素 1）螺旋浆结构参数 桨的结构参数主要有直径D、螺距比H/D。直径D对螺旋桨产生的推力和吸收的扭矩影响很大，分别为四次方和五次方的关系，所需要的功率也是五次方的关系。对于同一直径的螺旋桨，其螺距越大即H/D越大，所需的功率也越大，因此螺旋浆的特性曲线越陡。对于一定功率的主机，必须选配合适的螺旋桨。 若直