第11章特种推进器.docx
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第11章特种推进器
第十一章特种推进器
上述各章中我们所讨论的推进器均为普通螺旋桨,广泛用于一般商船和军舰。
除普通螺旋桨外,还有许多其他形式的推进器,如导管螺旋桨、可调螺距螺旋桨、喷水推进器、隧道螺旋桨、串联螺旋桨和对转螺旋桨及风帆等。
各类推进机构在特殊情况下各有其优点,为了更好地满足各种特殊船舶所要求的性能,采用相应的推进器型式是有利的。
由于篇幅所限,本章将着重讨论应用较广的导管螺旋桨和可调螺距螺旋桨,至于其他型式的推进器仅作一般介绍。
§11-1导管螺旋桨
导管螺旋桨亦称套筒螺旋桨(见图l1-1),是在螺旋桨的外围加上一个环形套筒而成。
套筒的剖面为机翼型或折角线型。
由于它能改善重载螺旋桨的效率,故首先在螺旋桨载荷较重的船舶上得到广泛应用(如拖船、顶推船以及拖网渔船)。
最近十多年来,船舶向大型化、高功率发展,导致螺旋桨的载荷加重。
实践证明,此类船上采用导管螺旋桨不仅可提高推进效率,而且有利于减小振动。
图11-2为各类船用推进器最佳效率的比较,图的上方还标出了各类船舶Bp的大致范围。
从图中可以看出,当Bp值约为25时,导管螺旋桨开始显示出其优越性,载荷越高,效率上的收益越大。
近代大型油船的Bp值一般在40以上,采用导管螺旋桨能使效率有明显的提高。
至于渔船及拖船,其Bp值分别在60及100以上,导管螺旋桨的效率远远超过普通螺旋桨,故在这类船上采用导管螺旋桨的优越性是毫无疑问的。
采用导管螺旋桨除能提高重载螺旋桨的效率外,尚有下列优点:
①将导管兼作舵用,可显著提高船舶的操纵性能;
②导管螺旋桨盘面处的水流速度受船速变化的影响远较普通螺旋桨为小,因此导管螺旋桨吸收的功率受船速变化的影响较小,在各种载荷(如拖曳或自由航行等)情况下都能良好地运转;
③纵摇较小,可减小波浪中失速;
④保护螺旋桨不与异物相碰,浅吃水时可防止空气吸入现象。
一、导管螺旋桨的工作原理
在第三章中,我们已求得推进器的理想效率ηiA与载荷系数σT之间的关系如下:
(11-1)
上式也可用尾流截面积(图3-1中的CC1断面)A1来表示,根据连续性方程有:
将上述关系式代入(3-5)式,得:
Ti=ρA1(VA+ua)ua
从上式解出ua,得:
代入(3-7)式并经整理后得:
(11-2)
其中,
为推进器的载荷系数,ρ为水的密度,Ti为推进器的推力,VA为推进器进速,A为推进器盘面积,A1为尾流截面积。
从(11-1)及(11-2)式可见,理想效率随推进器载荷系数σT的增加或尾流截面积的减小而降低。
若要提高推进器的理想效率,必须设法减小推进器的载荷系数或尾流截面积的收缩(这两方面实际上是一致的)。
而要减小尾流收缩,正确的途径只有增加单位时间内通过桨盘的流量。
在螺旋桨叶梢外面加上导管后,就可以大致达到这一目的。
事实证明,加上导管后,不仅可以减少尾流收缩,有时还能使尾流稍有扩展。
为了探讨导管螺旋桨的工作原理,我们仍用鼓动盘来代替整个推进器,简化后的导管螺旋桨的流动模型如图11-3(a)所示。
由于忽略了尾流中水流的旋转,得出的结果虽然比较粗略,但可用以定性地分析导管螺旋桨的性能。
由动量理论(参见图11-3)可知,导管螺旋桨整个系统的总推力为:
T=ρ(VA+u1)Au2(11-3)
其中,u1为推进器在盘面处的诱导速度和导管产生的诱导速度之和,u2为无限远后方的诱导速度。
分别对盘面前后应用伯努利定理,并计算桨盘前后的压力差,可求得螺旋桨产生的推力为:
(11-4)
由于单位时间内流过盘面的流体质量为:
ρ(VA+u1)A,故尾流中的动能损失为:
(11-5)
因此,导管螺旋桨系统的理想效率可表示为:
(11-6)
其中,τ=TP/T为螺旋桨推力与总推力之比,简称推力比。
在没有导管的情况下,图11-3(a)中的u1等于u2/2,则(11-3)式与(11-4)式完全相同,也即T=TP,因而τ=1,此时(11-6)式也就与(11-1)式完全相同,但在导管存在的情况下,围绕导管的环流将使桨盘处的水流加速,有可能使u1>u2/2,T>TP。
从(11-6)式可见,对此类型式的导管来说,由于τ<l,在同样的总推力系数下,导管螺旋桨与普通螺旋桨相比,有较高的理想效率,τ越小效率越高,故τ值可以看作衡量导管螺旋桨性能的一个指标。
图11-3(b)表示了理想效率、载荷系数及推力比三者之间的关系。
实际上水具有粘性。
τ值的减小受到在导管上发生水流分离的限制,τ值过小,意味着要求导管承担过大的推力,这时导管剖面的升力系数也就很大,在机翼理论中我们已经知道翼切面升力系数的最大值一般约在1.0~1.5之间(具体数值视机翼形状而定),大于上述数值时翼背的某处将出现分离点,导管上发生水流分离的原因与此极为相似。
理论和实验都表明,对某一个给定的总推力,大致存在一个使效率最佳的τ值,这个τ值也就是对应于这一载荷时为保证不发生水流分离所容许的最小值。
此外,水的粘性还使导管本身产生阻力,所以导管螺旋桨的实际效率将由下面两个部分组成:
η0=ηi·ηε(11-7)
其中,ηi为理想效率;ηε即为结构效率,其数值与导管的阻力DN有关:
ηε=(T-DN)/T(11-8)
有时,两个导管螺旋桨在某一个载荷时τ值有明显的不同,但效率上并无多大差异,甚至τ值小者效率反略低,这似乎与(11-6)式所得出的结论相矛盾,在引入结构效率之后,这一现象也能得到合理的解释。
在简单讨论了导管螺旋桨的原理之后,我们就可以对导管螺旋桨能使重载螺旋桨效率提高的原因作进一步的说明。
导管螺旋桨效率的提高,并不是由于在导管上产生了什么额外的推力,因为在导管上产生推力的同时,桨盘处的水流受到加速,螺旋桨产生的推力减小了,所以这仅是总推力分配关系的改变。
但是螺旋桨的部分推力转移到导管上,却意味着螺旋桨的一部分尾涡变成了导管的附着涡(正是这些涡引起导管上的环流),从而减少了尾流的能量损失,只要这种减小的损失在数量上超过导管本身阻力的损失,那末导管螺旋桨的效率就高于普通桨。
螺旋桨的载荷越重,尾流能量损失越大,采用导管带来的好处就越多。
对于轻载情况,由于尾流收缩很小,损失能量亦小,导管阻力的损失反而高于尾流的损失,因而也就得不偿失,故轻载时(如BP在20以下)不宜采用此类导管。
上面所讨论的导管称为加速型导管,其作用可改善重载螺旋桨的效率。
导管本身对进入桨盘的水流速度具有控制作用,采用不同形状的导管,可使流入桨盘的水流加速或减速,因此近年来还出现了一种减速型导管(见图11-4)。
由于减速导管使进入桨盘处的水流速度降低,能延缓空泡的发生,且有利于减少噪声,故可用于军用舰艇,但总的说来,目前使用得最普遍的还是加速型导管,本节将着重介绍加速型导管。
二、导管螺旋桨系列试验及设计图谱
导管螺旋桨除导管及螺旋桨各自的几何形状对其性能有影响外,还与两者互相配合的一些几何参数有关,如叶梢间隙、螺旋桨在导管中的位置等。
三言两语未必能分析清楚各种参数对性能的影响,鉴于多数设计者感兴趣的是利用现有优秀型式导管螺旋桨的图谱设计导管螺旋桨,故本节着重介绍有关这方面的资料。
在国外发表的导管螺旋桨系列试验资料中,以荷兰船模试验池的No.19A+Ka螺旋桨系列最为著名,随后,为改善后退性能又提供了No.37A+Ka螺旋桨系列,其结果都已绘制成BP-δ型设计图谱可供应用。
国内对导管螺旋桨的研究也相当活跃。
中国船舶科学研究中心通过对两组六个不同剖面的导管与螺旋桨系列的敞水试验,研究了导管各种几何参数对导管螺旋桨性能的影响,并推荐了性能优良的导管螺旋桨系列。
上海交通大学船舶流体力学研究室根据使用单位要求简化导管的加工工艺,在系列研究基础上推荐了两组简易导管螺旋桨系列,即:
JD75+Ka螺旋桨系列和JD7704+Ka螺旋桨系列。
前者为适用于改善操纵性能的转动导管,后者是兼顾后退性能的导管,由于其加工方便,而性能又与机翼型导管相接近,故为不少单位所采用。
1.No.19A导管+Ka螺旋桨系列
19A导管的长度l与螺旋桨直径D的比值(简称长径比)l/D=0.5,其切面形状如图11-5所示,切面型值列于表11-1。
切面沿轴线方向的位置以横坐标y与导管长度l的比值y/l表示;外表面和内表面坐标分别用Xu和Xi与l的比值Xu/l及Xi/l表示。
表11-1No.19A导管剖面型值表
y/l
0
1.25
2.50
5.0
7.5
10
15
20
25
30
40
50
60
70
80
90
95
100
Xi/l
18.25
14.66
12.80
10.87
8.00
6.34
3.87
2.17
1.10
0.48
圆柱部分
0.29
0.82
1.45
1.86
2.36
Xu/l
---
20.72
21.07
20.80
直线部分
6.36
Ka系列螺旋桨是等螺距螺旋桨,其外形为宽叶梢的扇形轮廓,根部切面为机翼型,梢部切面为弓型,如图l1-6所示。
桨叶形状和切面型值列于表11-2和表11-3。
表11-2Ka螺旋桨系列
的尺寸
r/R
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
以0.6R处的叶
片切面最大长度
的百分比表示的
叶片切面长度
从中心线
到随边
30.21
36.17
41.45
45.99
49.87
52.93
55.04
56.33
56.44
在0.6R的叶片切面长度
=1.969AE·D/AD·Z
从中心线
到导边
36.94
40.42
43.74
47.02
50.13
52.93
55.04
56.33
56.44
总长
67.15
76.59
85.19
93.01
100.0
105.86
110.08
112.66
112.88
以直径的百分比表示的最大叶片厚度
4.00
3.52
3.00
2.45
1.90
1.38
0.92
0.61
0.50
在轴中心的最大厚度=0.049D
以切面长度百分比表示的最大厚度与导边间的距离
34.98
39.76
46.02
49.13
49.98
----
----
----
----
导管螺旋桨的敞水试验方法及数据表达方式与普通螺旋桨相同,只是在测量螺旋桨推力时,须同时测量导管的推力。
结果以图11-7的敞水性征曲线形式给出。
表11-3Ka螺旋桨系列的纵坐标及距最大厚度的距离
从最大厚度到随边
从最大厚度到导边
r/R
100%
80%
60%
40%
20%
20%
40%
60%
80%
90%
95%
100%
叶背纵坐标
0.2
----
38.23
63.65
82.40
95.00
97.92
90.83
77.19
56.00*
43.75*
36.50*
----
0.3
----
39.05
66.63
84.14
95.86
97.63
90.06
75.62
53.02
37.87
27.57
----
0.4
----
40.56
66.94
85.69
96.25
97.22
88.89
73.61
50.00
34.72
25.83
----
0.5
----
41.77
68.59
86.42
96.60
96.77
87.10
70.46
45.84
30.22
22.24
----
0.6
----
43.58
68.26
85.89
96.47
96.47
85.89
68.26
43.58
28.59
20.44
----
0.7
----
45.31
69.24
86.33
96.58
96.58
86.33
69.24
45.31
30.79
22.88
----
0.8
----
48.16
70.84
87.04
96.76
95.76
87.04
70.84
48.16
34.39
26.90
----
0.9
----
51.75
72.94
88.09
97.17
97.17
88.09
72.94
51.75
38.87
31.87
----
1.0
----
52.00
73.00
88.00
97.00
97.00
88.00
73.00
52.00
39.25
32.31
----
叶面纵坐标
0.2
20.21
7.29
1.77
0.1
----
0.21
1.46
4.37
10.52
16.04
20.62
27.50*
0.3
13.85
4.62
1.07
----
----
0.21
0.83
2.72
6.15
8.28
10.30
14.20*
0.4
9.17
2.36
0.56
----
----
----
0.42
1.39
2.92
3.89
4.44
13.47
0.5
6.62
0.68
0.17
----
----
----
0.17
0.51
1.02
1.36
1.53
7.81
注:
1.纵坐标的百分比为对相应切面的最大厚度而言。
2.原荷兰给出的数据中,0.2R切面近导边部分纵坐标和0.3R切面的导边纵坐标无法光顺,为此我们在伸长轮廓上作了等厚度曲线,在弦长方向和半径方向进行光顺。
表中带*号的数据是我们所采用的。
图11-7为No.19A导管+Ka4-70系列敞水试验结果,其中:
为导管螺旋桨总推力系数;
为导管推力系数;
为进速系数,
为螺旋桨转矩系数;
为导管螺旋桨的效率。
从图11-7的敞水性征曲线组可以看出,其效率曲线的包络线比较平坦,这一特点意味着螺旋桨螺距比的变化对效率的影响不大,因此导管螺旋桨具有较宽的最佳直径范围。
在图11-8中,作出了P/D=1.0的螺旋桨的总推力系数KT,导管推力系数KTN及螺旋桨推力系数KTP对于进速系数J的曲线。
由图可见,KTP曲线比较平坦,在J=0~0.4的范围内,KTP几乎保持不变,这说明尽管进速系数有变化,导管内的平均速度几乎为常数,这也是导管螺旋桨的特点之一。
这一特点带来好处是:
螺旋桨吸收的功率受船速变化的影响较小。
导管螺旋桨设计图潜的绘制与普通螺旋桨相同,19A导管+Ka系列螺旋桨的BP-δ图谱所用的单位和计算系数与B型螺旋桨系列的BP-δ图谱完全相同。
2.No.37+Ka系列螺旋桨
1972年,荷兰船模试验池又发展了一种特别适用于后退工作的新型导管No.37。
37号导管的长径比l/D也为0.5,其切面形状示于图11-9。
试验结果也已绘制成BP-δ图谱。
3.简易导管螺旋桨
所谓简易导管,是指考虑简化加工工艺而设计的折角线形切面形状的导管。
JD75和JD7704导管的切面形
状如图11-10所示,相应的参数列于表11-4。
表11-4简易导管主要参数
型号
L/D
Lm/L
LZ/L
DL/DH
DT/DH
dL/DH
dt/DH
αf
αβ
JD75
0.8
0.4
0.2
1.1536
1.0603
0.0494
0.0217
1.3307
1.1243
JD7704
0.6552
0.5
0.2076
1.1937
1.1265
0.0696
0.0557
1.4249
1.2690
JD75导管是考虑改善操纵性能的转动导管,因而可兼作舵用,所以也称导管舵。
此类导管对操纵性能要求较高的港作拖轮最为适用。
JD7704导管除具有优良的后退性能外,前进性能也很好,故非常适用于内河推轮及渔轮。
上述简易导管的特点在于加工工艺简便而仍有较优良的水动力性能。
上述两组简易导管螺旋桨系列已以
形式的图谱发表,图谱中使用公制单位。
JD简易导管+Ka系列螺旋桨在近年来的使用中已显示出性能较佳、加工简便的优越性,但有些船在实际使用中发现桨叶叶梢时有损坏。
除空泡剥蚀外,主要是由于Ka系列螺旋桨的梢部过阔,导边及随边两缘厚度较薄,因而偶与异物相碰容易发生卷曲乃至断裂。
再者由于叶梢过阔致使桨盘船面处轴向“通道”甚小,杂物一旦吸入导管便不易通过而往往卡在叶梢与导管之间引起桨叶损坏,对航行于浅水以及水上漂浮物较多区域的船舶,这一问题尤为严重。
为此,上海交通大学船舶流体力学研究室还进行了修改Ka系列桨梢部形状的试验研究,并称之为修改的Ka系列螺旋桨。
修改的Ka系列螺旋桨的外形如图11-11(a)所示,桨叶形状之改善是将梢部两缘的尖角削成圆弧的方法来实现,圆弧根据桨展开轮廓之梢圆及导边、随边相切作出,切割后叶切面的导边、随边两缘以小圆弧光顺,其余各处型值仍按Ka系列螺旋桨不变。
切割的大小共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四种,图11-11(b)给出了各种盘面比的Ka系列螺旋桨桨叶在各种切割情况下的圆弧相对半径值。
设计者按上述原则可简便地解决新桨叶的制图问题。
试验研究结果表明,叶梢削成圆弧后对螺旋桨的水动力性能影响甚微。
只需引入桨叶螺距比的微小修正即可等价于桨叶几何形状的变化。
在具体设计时,设计者可应用原简易导管螺旋桨系列设计图谱决定螺旋桨的几何参数,然后将图谱所得的螺距比P/D按下式求出切割后的Ka螺旋桨的螺距比(P/D)′:
(P/D)′=(1+K)/(P/D)
式中,K为切割对应的螺距比修正系数,由图11-12给出。
这样在保持其他参数相同的条件下,JD简易导管+螺距比为(P/D)′的修正的Ka螺旋桨其敞水性能等价于JD简易导管+螺距比为(P/D)的原Ka系列螺旋桨。
三、导管螺旋桨设计须知
导管螺旋桨的设计方法与普通桨基本相同。
但由于导管螺旋桨具有本身的特点,设计时还需注意下列几点。
(1)导管螺旋桨的导管和螺旋桨在设计中必须视为一个整体。
(2)导管螺旋桨的最佳直径不如普通螺旋桨那样严格,这是因为导管螺旋桨螺距的变化对效率影响不大,故在设计时甚至可预先选定直径,使设计更为简便。
(3)导管螺旋桨的伴流分数和推力减额分数与同样设计条件下普通桨的数值不尽相同,但由于目前尚缺乏这方面的试验资料,故在设计加速型导管螺旋桨时,伴流分数、推力减额分数及相对旋转效率仍近似地采用普通桨的数值。
例如,对于单桨船不妨采用泰洛公式估计伴流分数,即:
ω=0.5CB-0.05
用商赫公式估计推力减额分数,即:
t=0.7ω
而相对旋转效率直接取1.0,即:
ηR=1.0
就当前我国的实际使用情况来看,导管螺旋桨大多应用于小型的多工况船,如拖船、渔船等,因而尚须说明:
①伴流分数ω选取的正确与否不会像—般商船那样直接影响船体、螺旋桨、主机三者的配合关系,因为对多工况船来说,若对自由航行不利,则对拖带状态有利,或反之。
②推力减额分数t=0.7ω系指自由航行,或折中设计工况的数值。
在系缆状态,即J=0时,应取:
t=0.04
在介于设计工况(或自由航行)与系缆状态之间的所谓中间工况,其推力减额分数t可用线性内插方法求得。
日本伊藤一男建议可按表11-5选取ω和t值。
表11-5
ω
t
单螺旋桨船
0.15~0.20
0.15~0.18
双螺旋桨船
0.07~0.10
0.10~0.12
(4)在无专用的空泡图谱时,导管螺旋桨空泡校核可近似地按下式决定螺旋桨的展开面积比AE/A0:
(11-9)
式中,p0=pa+γhs=10330+γhs;
γ=1025kgf/m3,海水重量密度;
hs——桨轴中心线沉深(m);
pυ——饱和蒸气压;
R——螺旋桨半径;
N——螺旋桨每秒转数;
PD——收到马力(英制,因近似计算,可用公制代替);
D——螺旋桨直径(m)
(5)关于叶梢间隙
在模型系列试验时,螺旋桨叶梢与导管内壁的间隙即图11-5中所标的c一般取1mm(也有取1.5或2mm者)。
在实桨制造中这个参数不必满足相似条件,间隙过小将给加工带来不便,而过大又将影响效率,一般实桨的叶梢间隙为5~l0mm,最好不要大于10mm。
(6)有时因受船舶尾部结构的限制,不得不将导管的一部分削去,或与隧道顶端连接,使导管的一部分失去作用。
在计算时应扣除失去作用部分的导管推力系数,其大小可约略按该部分占整个导管周长的比值计算。
一般应以试验资料作依据。
四、实例比较
我们曾对某600马力渔轮螺旋桨进行设计比较,表11-6给出了采用B型螺旋桨和导管螺旋桨的计算结果。
设计条件为:
主机马力Ps=545hp(主机实际能力),额定转速N=400rpm。
设计了四只螺旋桨:
表11-6
系柱工况
自航工况
拖网工况(3kn)
拖力
(kgf)
转速
(rpm)
PS
(hp)
航速
(kn)
转速
(rpm)
PS
(hp)
拖力
(kgf)
转速
(rpm)
PS
(hp)
导
管
螺
旋
桨
a)7kn
hp%
7747.3
371.6
506.4
93%
11.5
400
405.2
74.3%
6050
377
514.9
94.5%
b)12kn
hp%
7211
329
448
82.2%
12.3
400
527.8
96.8%
5550
335
456.3
83.7%
普
通
桨
c)7kn
hp%
5613
338
461
84.6%
11.15
400
389.7
71.5%
4720
356
484
88.8%
d)12kn
hp%
4942
289.5
394.4
72.4%
12.4
400
540.2
99.1%
4350
308
420
77%
a)设计航速为7kn,JD7704+Ka4-70,D=1.4m;
b)设计航速为12kn,JD7704+Ka4-70,D=1.4m;
c)设计航速为7kn,B4-70,D=1.59m;
d)设计航速为12kn,B4-55,D=1.60m。
结果表明:
导管螺旋桨在重载时的效率显著大于普通螺旋桨,且螺旋桨的吸收功率受船速变化的影响也小于普通螺旋桨。
§11-2可调螺距螺旋桨
通过设置于桨毂中的操纵机构,使桨叶能够转动而调节螺距的螺旋桨,称可调螺距螺旋桨(简称可调桨)。
固定螺距螺旋桨在设计条件下运行时,能充分利用主机的功率和达到预期的航速,而且螺旋桨本身的效率亦为最佳值。
这对于螺旋桨工作状况变化不大的一般商船是合适的。
但对于多工况船舶(如拖船、渔船、破冰船等),由于螺旋桨工况变化较大,无法在各种工况下都能充分发挥主机的功率。
而可调桨可借助于桨毂中的操纵机构改变桨叶的螺距,从而提供了在各种工况下充分吸收主机功率的可能。
一、桨叶在
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- 第11章 特种推进器 11 特种 推进器
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