CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究
现代制造工程2010年第4期试验研究
CF D在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究3
刘丹,陈凤馨
(南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009)
摘要:对流场中螺旋桨的敞水性能进行研究。利用Pr o/E软件对螺旋桨进行三维建模,通过剖面坐标转换绘出桨叶的剖面型线,利用创建实体功能得到螺旋桨实体模型。用CF D软件对螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数以及推进效率进行模拟,并且对三种湍流模型的计算结果进行比较分析。对采用Fluent软件计算螺旋桨敞水性能的过程进行详细介绍,并给出敞水性能曲线的计算结果。与试验结果的比较分析表明,数值模拟的结果可以满足工程应用要求。
关键词:CF D软件;螺旋桨;敞水性能;三维建模
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1671—3133(2010)04—0018—04
Appli ca ti on research of CFD about ca lcul a ti on of
propeller open wa ter performance
L IU Dan,CHE N Feng2xin
(Nanjing University of Technol ogy,Nanjing210009,China)
Abstract:Studied the open water perfor mance of p r opeller in the fl ow fields.Three2di m ensi onal model was built for p r opeller by the Pr o/E,the p r ofile line of blade is described based on coordinate transfor mati on,in additi on,by using the entity functi on,the s olid model of p r opeller was created.Under different advance coefficients,the thrust coefficient,t orque coefficient and p r opulsive efficiency of the p r opeller have been si m ulated by the CF D.The calculati on results of the three turbulent models were analyzed.
The detail p r ocess of using Fluent t o calculate the open water perfor mance of p r opeller was intr oduced,thr ough which the open water perf or mance curve was p r ovided.A comparis on bet w een the analysis results and the experi m ental results showed that the nu merical si m ulati ons can be used for engineering app licati on.
Key words:CF D;p r opeller;open water perf or mance;three2di m ensi onal model
0 引言
螺旋桨设计的主要问题是在满足螺旋桨吸收轴功率、拉力和转速的前提下,力求使螺旋桨的质量小,效率高,噪声小,并保证具有一定的结构安全余度。螺旋桨设计的结果需要经过螺旋桨模型的敞水试验、自航试验和空泡试验等验证并修改。然而由于桨叶曲面形状复杂,桨模制作周期较长,造价昂贵,因此桨模试验不能快速预报螺旋桨敞水性能。从19世纪中叶提出动量理论和叶原体理论到现在,基于势流理论建立的升力面理论和面元法在螺旋桨的设计以及性能预测中得到广泛应用。近年来,随着计算机技术和计算流体力学的发展,CF D软件在工程领域已得到广泛的应用。相对于物理模型的试验,CF D数值模拟具有成本低、周期短、适应性强和应用广泛等特点。
本文通过螺旋桨的基本参数在Pr o/E软件中建立三维模型,采用CF D软件,基于雷诺时均方程对螺旋桨进行数值模拟,得出不同进速系数下的敞水性能曲线,并对结果进行分析。同时比较三种湍流模型:标准k2ε模型、RNG k2ε模型和Realizable k2ε模型的计算结果。
1 CFD软件应用策略
CF D软件应用计算流体力学理论与方法,利用具有超强数值运算能力的电脑,编制计算机运行程序,数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律的三大守恒定律及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组,得到确定边界条件下的数值解。其基本思想就是通过划分网格把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上
3国家自然科学基金项目(50675097)
试验研究
现代制造工程2010年第4期
的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立关于这些离散点的场变量之间关系的代数方程,然后求解代数方程组获得变量的近似值。CF D 特有的经济性、时效性和可靠性,使得用较少的费用在较短的时间可以获得大量有价值的研究结果。因此,将CF D 与工程研究相结合,不仅有助于工程设计的改进,而且能减少实验的工作量,CF D 是一种有效和经济的研究手段。
用CF D 求解螺旋桨敞水性能的流程如图1所示。本文运用Fluent 进行数值模拟,Fluent 是目前功能全面,适用性广,国内使用广泛的CF D 软件之一。它提供的非结构网格生成程序,对相对复杂的几何结构网格生成非常有效
。
图1 用CF D 数值模拟螺旋桨敞水性能流程
2 研究对象及其计算模型
211 螺旋桨三维模型的建立
本文研究的螺旋桨为四叶的常规桨。通过螺旋
桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸,建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式,求出三维建模所用型值点坐标;利用Pr o /E 软件进行三维造型,根据012R ～0195R (R 为螺旋桨半径)的一系列叶剖面的型线数据绘制各个叶剖面的型线;在由二维坐标转换为三维型值点坐标时,需要对桨叶叶根和叶梢处进行插值修正处理。采用边界混合的方式以翼形曲线为轮廓生成叶片的曲面,桨毂简化为圆柱面。用创建实体
功能将空间闭合曲面转化为实体,从而得到螺旋桨的实体模型如图2所示,其中Z 轴为螺旋桨旋转轴,以船首方向为正向,X 轴为桨叶参考线方向,Y 轴服从右手法则
。
图2 螺旋桨的实体模型
212 计算域与网格划分
本文研究的是螺旋桨在定常稳态条件下的敞水
性能,将建好的三维模型置于直径为5D (D 为螺旋桨直径)的圆柱体中心,计算域的内边界取在叶片和桨毂的表面上,外边界取在圆柱体表面(无穷远边界)。为计算需要,在划分网格时局部加密,将计算流域划分成两个几何区域,螺旋桨附近的计算域采用较密集的网格,外围流域采用较稀疏的网格。这样既控制了网格总数,又保证了计算精度和效率。本文螺旋桨表面网格划分如图3所示
。
图3 螺旋桨网格划分
213 控制方程及边界条件
Fluent 中处理旋转机械流动问题的模型有旋转坐
标系模型(Rotating Reference Fra me )、多参考坐标系模
型(MRF )、混合平面模型(M ixing Plane )和滑移网格模型(Sliding Mesh )。本文选择旋转坐标系模型,旋转坐标系模型适用于不考虑定子影响的流场,其思想就是在视转子为静止的旋转坐标系里进行定常计算,这里将螺旋桨视为没有定子的转子。控制方程采用旋转相对坐标系下的不可压缩流体雷诺时均方程组,湍
流模型分别采用标准k 2ε模型、RNG k 2
ε模型以及Re 2alizable k 2
ε模型。速度进口边界给定均匀来流的各个9
1
现代制造工程2010年第4期
试验研究
速度分量;出口边界给定表压为0(相对于工作压强);螺旋桨和圆柱体表面采用无滑移边界条件,近壁区的黏性底层采用标准壁面函数简化处理;计算域流体则按Fluent 软件提供的运动参考坐标系模型,设置绕Z 轴以角速度ω旋转。
3 数值模拟计算结果的考察分析
由螺旋桨的数值计算得到螺旋桨的推力系数K T 、扭矩系数K Q 和敞水效率η,进速系数J 取015～111
(间隔011),螺旋桨直径D =0130m ,转速n =600r/
m in,保持转速不变,进速系数的大小通过改变来流流
速大小来实现。其中推力系数K T =T /(ρn 2D 4
);扭矩系数K Q =Q /(ρn 2D 5
);敞水效率η=K T J /(2
πK Q )其中,ρ为密度,T 为推力,Q 为扭矩。
采用标准k 2
ε模型计算所得的敞水性能曲线如图4所示,与试验结果相比,模拟计算所得的K T 2J 、K Q 2J 曲
线斜率的绝对值稍大,试验值与模拟值在J =019处附近相交;而对于η2J 线,当J 小于019时模拟计算结果与试验结果吻合得很好,偏差在3%之内,几乎重叠;但随着J 值增大,两曲线偏差变大,在J =111时达到411%。从图4中可以看出,J 在018～019之间模拟计算结果与试验结果吻合得最好,而在J 值较大时模拟计算结果的精度受到影响。总之,在选取的进速系数J 为015～111之间模拟计算的结果与试验结果基本吻合。模拟计算结果与试验结果存在误差,主要原因有:在螺旋桨建模时,对实体模型和边界条件做了简化处理;在桨模试验中,吸力面上低于饱和压力的区域会有空泡的存在。而用CF D 模拟计算没有使用空化模型,导致计算的K T 与K Q 值存在一定的偏差。
为探讨湍流模型对数值计算精度的影响,保持其
他参数设置不变,在J =019时尝试分别采用标准k 2
ε模型、RNG k 2ε模型和Realizable k 2ε模型进行计算,结果见表1。三种湍流模型模拟计算的K T 、K Q
值与试
图4 推力系数K T 、扭矩系数K Q 、敞水效率η曲线
验值非常接近,表明CF D 对螺旋桨的模拟计算已经很
精确,具有可信度。从表1中可以看出采用RNG k 2
ε模型和Realizable k 2
ε模型的计算结果更接近,这说明RNG k 2
ε模型和Realizable k 2ε模型的计算精度高,比标准k 2
ε模型适用。标准k 2ε模型采用了较多的简化并且没有考虑旋转对湍流的影响,会产生一定的失
真。与标准k 2
ε模型相比,RNG k 2ε模型修正了湍动黏度,考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况。RNG k 2
ε模型在ε方程中增加一项,从而反映了主流的时均应变率,产生项不仅与流动情况有关,而且在
同一问题中也还是空间坐标的函数,所以RNG k 2
ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的
流动。而Realizable k 2
ε模型采用新的耗散方程,湍动黏度计算公式引入与旋转和曲率有关的内容,相比于
标准k 2ε模型对瞬变流和流线弯曲的影响能做出更好的反应。
表1 J =019时采用三种湍流模型的模拟计算结果
湍流模型K T
10K Q η
标准k 2ε012310154201610RNG k 2ε012296015408016081Realizable k 2
ε012299
015412
016084
4 结语
1)通过CF D 软件数值模拟了定常稳态条件下螺
旋桨的敞水性能,获得在不同的进速系数J 下螺旋桨
的推力系数、转矩系数以及敞水效率,模拟结果与试验结果的偏差在允许范围之内。因此在研究螺旋桨性能的工作中可以运用CF D 软件进行数值模拟,并且结果能够满足工程应用的要求。
2)对三种湍流模型的计算结果做了简要分析,在
螺旋桨敞水性能的数值计算中,采用RNG k 2
ε模型和Realizable k 2
ε模型能获得更准确的结果。模拟计算精度与湍流模型有关。选择合适的湍流模型才能得
到理想的计算结果。
3)本文初步探讨了采用CF D 计算螺旋桨的敞水性能的过程。由于在螺旋桨三维模型的建立中做了很多简化处理,给模拟计算结果带来一定的偏差,求解的参数设定等还有待改进以获得最佳计算结果。
参考文献:
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(下转第66页)
现代制造工程2010年第4期制造技术/工艺装备
是偏心的,一边为正,一边为负交替出现且表现出较强的不稳定性。
不同断面上径向速度分布不同,说明分离器内部存在径向的输运,径向速度与轴向速度综合作用的结果使气流在剖面上做螺旋运动。由于径向速度的存在,在排气管下侧容易造成气体的短路流使部分颗粒通过这种短路流,直接进入排气管降低分离效率。同时数值模拟结果也证明了为减轻短路流效应提高分离效率,加长排气管的插入深度是可以起到积极作用的。在分离器筒体的下方,强制涡通过分离器的几何轴心时,径向速度较小,指向几何轴心,没有通过轴心时就形成了一边为负一边为正的现象。由此可得,在截面上径向速度分布并不连续,中心强制涡呈螺旋上升,直筒处径向速度不是很大,锥体部分径向速度有所增加,使得颗粒跟随气流上行,这对分离是不利的。
5 结语
旋风分离器内部进行的是两相流运动,是气相和固体颗粒相的分离过程,而颗粒相属于稀疏相,固体颗粒的运动在很大程度上还是要取决于分离器内部的气体流场,而速度场是旋风分离器内部最主要的流场。本文通过大涡数值模拟,对旋风分离器速度场进行数值模拟。结果表明:切向速度在旋风分离器中起主导作用,它的分布呈现组合涡的特点,中心区域强制涡有利于将颗粒甩向外部,外部的准自由涡区有利于颗粒在壁面附近被捕集,对压降的影响十分明显;轴向速度分布没有规律,在筒体上部入口管区域的轴向速度是正值,在中心区域为负值,接近筒体下部后,轴向速度又为正值;径向速度分布比较复杂,在筒体的中心强制涡并不是一个圆柱体,它的涡核的轴线不与旋风分离器的几何轴线重合,而是一条空间曲线,中心涡核的径向速度分布,以旋风分离器的几何轴线为基准,其分布是偏心的,一边为正,一边为负,且表现出较强的不稳定性。
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作者简介:赵宏强,副研究员,硕士生导师,主要从事机电液一体化的研究。
E2mail:gy_1230@https://www.wendangku.net/doc/439867573.html,
收稿日期:2009207208
(上接第20页)
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作者简介:刘丹,硕士研究生。E2mail:jsjjliudan@https://www.wendangku.net/doc/439867573.html,
收稿日期:2009209222
第4章 螺旋桨模型的敞水试验
274 第四章 螺旋桨模型的敞水试验 螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。 螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是： ① 进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。 ② 根据系列试验的结果，可以系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向。 ③ 校核和验证理论方法必不可少的手段。 ④ 为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。 螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。 § 4-1 敞水试验的相似条件 从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。 研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩)与直径D (代表螺旋桨的大小)、转速n 、进速V A 、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加速度g 有关。换言之，我们可用下列函数来表示推力T 和各因素之间的关系，即 T = f 1(D ，n ，V A ，ρ，ν，g )， 为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作： T = k D a n b c A V ρ d ν e g f (4-1) 式中k 为比例常数，a 、b 、c 、d 、e 、f 均为未知指数。 将(4-1)式中各变量均以基本量(即质量M 、长度L 、时间T )来表示，则得： 2T ML ＝f 2e 2 d 3c b a 1?? ? ????? ????? ????? ????? ??T L T L L M T L T kL
螺旋桨计算公式
直升机螺旋桨升力计算公式 直升机螺旋桨升力计算公式 一般直升机的旋翼系统是由主旋翼.尾旋翼和稳定陀螺仪组成，如国产直－8，直－9。也有共轴反旋直升机，主旋翼是上下两层反转螺旋桨，无尾翼，如俄罗斯的卡－28。 1.现在的直升机螺旋桨（叫旋翼）的桨叶是由碳纤维和玻璃钢纤维与复合材料制造而成。 有一定的弹性，不转时，桨叶略有下垂弯曲。当螺旋桨旋转时，由于离心力的原理，桨叶会被拉直。打个比方，我们看杂技“水流星”吧，两只水碗栓在一根绳子两端，放着不动时，绳子是支持不了水碗的，当旋转起来后，我们看到水碗和绳子象直线一样， 空中飞舞。 2.直升机的主螺旋桨是怎么支撑飞机的重量？这个问题就是直升机的飞行原理：（以一般直升机为例）直升机能在空中进行各种姿态的飞行，都是由主旋翼（你讲的螺旋桨） 旋转产生的升力并操纵其大小和方向来实现的。升力大于重量时，就上升，反之，就下降。 平衡时，就悬停在空中。直升机的升力大小，不但决定于旋翼的转速， 而且决定于旋翼的安装角（又称桨叶角）。升力随着转速.桨叶角的增大而增大； 随着转速.桨叶角的减小而减小。直升机在飞行时，桨叶在转每一圈的过程中， 桨叶角都是不同的；而且，每片桨叶的桨叶角也是不同的。这才使直升机能够前. 后仰， 左.右倾，完成各种姿态。直升机尾旋翼的转速和桨叶角的变化同主旋翼原理相同，控制直升机的左转弯.右转弯和直飞。不管天空有风无风，直升机要稳定飞行， 不变航向，也要靠稳定陀螺仪控制尾旋翼来完成。总之，直升机旋翼系统非常复杂，我只讲直升机空中姿态变化与旋翼的关系。 １，直接影响螺旋桨性能的主要参数有： a.直径D——相接于螺旋桨叶尖的圆的直径。通常，直径越大，效率越高， 但直径往往受到吃水和输出转速等的限制； b.桨叶数N; c.转速n——每分钟螺旋桨的转数； d.螺距P——螺旋桨旋转一周前进的距离，指理论螺距； e.滑失率——螺旋桨旋转一周，船实际前进的距离与螺距之差值与螺距之比； f.螺距比——螺距与直径的比（P/D），一般在0.6~1.5之间；一般地说来，高速轻载船选取的值比较大，低速重载的船选取的值比较小； g.盘面比——各桨叶在前进方向上的投影面积之和与直径为D的圆面积之比。通常，高转速的螺旋桨所取的比值小，低速、大推力的螺旋桨所取的比值大。例如，拖轮的螺旋桨盘面比大于１.2甚至更大的情况也不少见； 机翼升力计算公式 升力L=1/2 *空气密度*速度的平方*机翼面积*机翼升力系数（N） 机翼升力系数曲线如下注解：在小迎角时曲线斜率是常数。
螺旋桨推力计算模型
螺旋桨推力计算模型 根据船舶原理知：42D n K T T ρ=（T K 为螺旋桨的淌水特性） 通过资料查得：T K 为进速系数J 的二次多项式，但无具体的公式表示，只能通过图谱查得，同时t K K T T -=10 （0T K 为淌水桨在相同的转速情况下以速度为V A 运动时的推力、进速系数nD W U nD V J P A p )1(-==） 估算推力减额分数的近似公式： 1. 汉克歇尔公式： 2. 对于单螺旋桨标准型商船（C B =~） t=对于单螺旋桨渔船： t=对于双螺旋桨标准型商船（C B =~） t=商赫公式 对于单桨船 t=KW 式中：K 为系数 K=~ 适用于装有流线型舵或反映舵者 K=~ 适用于装有方形舵柱之双板舵者 K=~ 适用于装单板舵者 对于双螺旋桨船采用轴包架者：t=+ 对于双螺旋桨船采用轴支架者：t=+ 3. 哥铁保公式 对于单螺旋桨标准型商船（C B =~） P B WP B C C C C t ??? ? ??+-=5.13.257.1 对于双螺旋桨标准型商船（C B =~） B WP B C C C t 5.13 .267.1+-= 4. 霍尔特洛泼公式 对于单螺旋桨船 stern P C BT D C BC B L t 0015.0)/(1418.0000524.00585.1)/(001979.02101+--+-=
式中：10C 的定义如下： 当L/B> L B C /10= 当L/B< )134615385.0//(003328402.025.010--=L B C 对于双螺旋桨船： BT D C t B /1885.0325.0-= 估算伴流分数的近似公式 1. 泰洛公式（适用于海上运输船舶） 对于单螺旋桨船 05.05.0-=B C ω 对于双螺旋桨船 20.055.0-=B C ω 式中C B 为船舶的方形系数。 2. 汉克歇尔公式： 对于单螺旋桨标准型商船（C B =~） 18.070.0-=p C ω 对于单螺旋桨渔船： 28.077.0-=p C ω 对于双螺旋桨标准型商船（C B =~） 3.07.0-=p C ω 式中C p 为船舶的纵向棱形系数。 3. 巴浦米尔公式 ωω?-?=D C x B 3165.0 式中: C B 为船舶的方形系数； ?为船的排水量（3m ）； D 为螺旋桨直径（m ）； x 为指数，x=1时适用于中线处的螺旋桨，x=2是适用于侧螺旋桨 ω?为伴流系数修正值，与傅氏数gL V F r = 有关，可据下式决定： 当2.0?r F 时， ()2.01.0-=?r F ω
模型飞机螺旋桨原理与拉力计算
模型飞机螺旋桨原理与拉力计算 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n —螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数
如何确定模型发动机螺旋桨基本参数(精)
。 , , ——摘自 2005年第三期航空模型 如何确定模型发动机螺旋桨基本参数 刘文智 近来, 市售的模型发动机的螺旋桨以及相应的各种发动机日益增多, 使爱好者选择的地域不断扩大, 枝致使自制螺旋桨者越来越少。对于某种发动机所适用的螺旋桨, 常用其直径和螺距来表示。例如:在 25级运动机上, 将直经 254mm , 桨距 127mm 的螺旋桨表示为 D254×H127。使用市售商品螺旋桨,可按发动机的说明书来选择;若自制螺旋桨,对于 D254×H127这样一组数据, 其直径可知为 254mm ; 而桨叶角侧可用“桨叶角与桨距直径比的关系曲线图”得到。 为弄清上述关系,就需先了解一下螺旋桨的相关结构。螺旋桨的旋转平面称为旋转面; 桨叶叶各刨面的旋线与桨的旋转面之间的夹叫交,称为桨叶角。为了产生(拉力,螺旋桨桨叶的各个剖面被做成型翼座; 各翼型(弦线与旋转面之间的夹角就是浆叶角。飞行中螺旋桨旋转时,其桨叶的各个剖面与飞机一同做前进运动,这是螺旋桨叶做前进和旋转的合成运动,使螺旋桨前进。 桨叶旋转一周, 各剖面前进方向所通过的距离相同; 但螺旋桨桨叶个剖面的旋转运动距离相同; 叶尖最大, 向叶根逐渐变小; 从而使螺旋桨降叶各剖面的合成运动的距离和方向也不相同。为更好发挥螺旋桨工作效率, 其桨叶各剖面弦线须与其合成运动方向一致, 这就使螺旋桨桨叶成扭曲壮使桨叶角随半径而变化。如图所示75%、 50、%、 25%桨叶处的桨叶数值。在螺旋桨的根步(25%以内 ,由于发动机和机身的影响,拉力损失很大;在叶尖部分,由于“翼尖涡流”而产生的诱导阻力,也造成较大的拉力损失。 根据飞模型飞机的经验, 把发动机装在机身后, 可提高螺旋桨的工作效率; 这是因为螺旋桨后面无障碍物,从而推力损失减小了。这种布局,可使模型飞机的速度提高 10%左右。螺旋桨产生推(拉力效率最佳处,位于桨叶的 75%处附近。所以,螺旋桨的桨距就选用 75%R 出的桨距来代表;称其为名义桨距。
螺旋桨概述
螺旋桨概述 1.概念 1.1结构 图1 螺旋桨示意图 图2 螺旋桨结构 螺旋桨由桨叶、浆毂、、整流帽和尾轴组成，如上图所示。 滑失：如果螺旋桨旋转一周，同时前进的距离等于螺旋桨的螺距P，设螺旋桨转速为n，则理论前进速度为nP。也就是说将不产生水被螺旋桨前后拨动的现象，然而事实上，螺旋桨总是随船一起以低于nP的进速V s对水作前进运动。那么螺旋桨旋转一周在轴向上前进的实际距离为h p（＝V s/n），称为进距。于是我们把P与h p之差（P－h p）称为滑失。 滑失与螺距P之比为滑失比： S r＝（P－h p）/P＝（nP－V s）/nP＝1－V s/nP
式中V s/nP称为进距比。 从式中可以得出，当V s＝nP时，S r＝0。即P＝h,也就是螺旋桨将不产生对水前后拨动的现象，螺旋桨给水的推力为零。 因此我们可以得出结论：滑失越大，滑失比越高，则螺旋桨推水的速度也就越高，所得到的推力就越大。 1.2工作原理 船用螺旋桨工作原理可以从两种不同的观点来解释，一种是动量的变化，另一种则是压力的变化。在动量变化的观点上，简单地说，就是螺旋桨通过加速通过的水，造成水动量增加，产生反作用力而推动船舶。由于动量是质量与速度的乘积，因此不同的质量配合上不同的速度变化，可以造成不同程度的动量变化。 另一方面，由压力变化的观点可以更清楚地说明螺旋桨作动的原理。螺旋桨是由一群翼面构建而成，因此它的作动原理与机翼相似。机翼是靠翼面的几何变化与入流的攻角，使流经翼面上下的流体有不同的速度，且由伯努利定律可知速度的不同会造成翼面上下表面压力的不同，因而产生升力。而构成螺旋桨叶片的翼面，它的运动是由螺旋桨的前进与旋转所合成的。若不考虑流体与表面间摩擦力的影响，翼面的升力在前进方向的分量就是螺旋桨的推力，而在旋转方向的分量就是船舶主机须克服的转矩力。 1.3推力和阻力 以一片桨叶的截面为例：当船艇静止时，螺旋桨开始工作，把螺旋桨看成不动，则水流以攻角α流向桨叶，其速度为2πnr（n为转速；r为该截面半径）。根据水翼原理，桨叶要受升力和阻力的作用，推动螺旋桨前进，即推动船艇前进。船艇运动会产生顶流和伴流。继续把船艇看成不动，则顶流以与艇速大小相等，方向相反的流速向螺旋桨流来，而伴流则以与艇速方向相同，流速为u r向螺旋桨流来。通过速度合成，我们可以得到与螺旋桨成攻角α，向桨叶流来的合水流。则桨叶受到合水流升力dL和阻力dD的作用，将升力和阻力分解，则得到平行和垂直艇首尾线的分力：
航速及螺旋桨计算书设绘通则
航速及螺旋桨计算书设绘通则
1 主题内容与适用范围 1.1主题内容 航速及螺旋桨计算书是计算船舶在要求吃水状态下的阻力、航速、螺旋桨几何要素、螺旋桨的强度校核、空泡校核、系柱推力和转速、重量、惯量及螺旋桨特性等。为绘制螺旋桨图和进行轴系扭振计算提供依据。 1.2适用范围 应用MAU型或楚思德B型螺旋桨设计图谱设计常规螺旋桨并计算航速。 2 引用标准及设绘依据图纸 2.1引用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。 a) GB4954-84 船舶设计常用文字符号 2.2 编制依据图纸 a)技术规格书或设计任务书； b）总布置图； c）静水力曲线图或表； d）阻力估算方法或船模试验报告； e）螺旋桨设计图谱； f）主机主要参数及特性曲线； g）减速齿轮箱主要参数。 3 基本要求 提供完整的航速及螺旋桨计算书。 4 内容要点 4.1 计算说明 说明应用上海船舶研究设计院电子计算机程序SC88-CR158计算或应用何种螺旋桨设计图谱直接计算。 4.2 主要参数 4.2.1 船舶数据：主尺度（见表1）、船型系数（见表2）。
船舶主尺度表1 船型系数表2 4.2.2 主机参数：型号X台数、额定功率、额定转速、转向（见表3）。 主机参数表3 4.2.3 减速齿轮箱参数：型号、台数、减速比（见表4）。
减速齿轮箱参数表4 4.2.4 螺旋桨设计要求：主机功率、螺旋桨设计转速、螺旋桨只数、螺旋桨浸深、螺旋桨旋向、桨叶形式和叶片数、桨毂形状和尺度（见表5）。 螺旋桨设计要求表5 4.3 计算阻力、有效功率曲线 根据阻力计算公式及图谱计算实船阻力或按船模试验报告换算实船阻力，绘制有效功率曲线。 4.4 推进因子及螺旋桨收到功率 根据船型特点、主机和齿轮箱参数、船模试验或应用经验公式确定轴系传递效率、螺旋桨收到功率、伴流分数、推力减额分数、相对旋转效率、船身效率。 4.5 航速计算 应用螺旋桨设计图谱计算。 4.6 螺旋桨空泡校核 应用伯努利及各种定理推导出校验空泡的衡准数，若不产生空泡的条件可直接应用勃力尔空泡图。 上述计算中应用的符号及单位，见表6。
对转螺旋桨敞水试验技术
8.4.1 对转螺旋桨敞水试验技术 敞水试验是研究螺旋桨在均匀流场中的工作特性。敞水试验的目的是： （1）进行系列模型桨试验，建立螺旋桨设计图谱； （2）研究螺旋桨的不同几何特性参数对其水动力性能的影响，为改进设计和优化设计提供试验数据； （3）提供模型自航试验和实雷推进性能预报必要的敞水性证曲线。 一、试验方法和试验设备 螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数J。雷诺数、弗氏数、相对潜深都属于 限制参数。为了消除自由液面的影响(兴波和吸气)，螺旋桨的轴线潜深应大于或等于一个桨径。为了避免严重的粘性尺度效应，桨模雷诺数要求大于某一临界值，这一点在下文将作专门讨论。 试验方法有二种： (1)固定进速（拖车速度不变）、改变螺旋桨转速，此方法称等速度法； (2)固定螺旋桨转速，改变进度（变化拖车速度），此方法称等转速法。 目前使用的敞水试验装置有二种结构形式：一种是扁舟式敞水箱。螺旋桨动力仪、换向和减速齿轮箱、电机等安装在箱体内，驱动螺旋桨的空、实轴伸出箱体外，为减小箱体对螺旋桨流动的影响，螺旋桨与箱体之间的轴向距离要求大于2—3倍桨直径。另一种是炮弹式敞水试验装置。其外型为流线型圆柱体，类似于炮弹形状。动力仪及驱动螺旋桨的传动轴系安装在圆柱体内。圆柱体上方有一空心的弓形剖面的支杆一直伸到水面上，安放在水面上的电机通过直角传动机构驱动螺旋桨轴转动。这种结构形式的优点是对螺旋桨流动的干扰影响小，另外可以允许增大潜深，提高车速。 敞水试验的主要测量仪器是螺旋桨动力仪。中国船舶科学研究中心水池用于正、反转螺旋桨敞水试验的动力仪有变磁阻式空、实轴螺旋桨动力仪、电阻应变式多功能螺旋桨动力仪。螺旋桨转速由光电式或磁电式速度仪测量。图8-8是鱼雷对转桨试验装置的示意图。 图8-8 鱼雷对转桨试验装置示意图 1- 内轴；2-外轴；3-空心万向轴节； 4-空心动力仪；5-换向齿轮箱；6，7-万向联轴节 8-减速齿轮箱；9-光电测速仪；10-电机。 二、敞水试验数据表达 敞水试验测量的数据有：前桨推力、前桨扭矩、后桨推力、后桨扭矩；螺旋桨 转速n、拖车速度。 为了便于比较分析，通常均以前桨直径无因次化。 前桨推力系数
螺旋桨拉力计算
机翼升力计算公式 升力L=1/2 *空气密度*速度的平方*机翼面积*机翼升力系数（N） 机翼升力系数曲线如下注解：在小迎角时曲线斜率是常数。 在标识的1位置是抖振点，2位置是自动上仰点， 3位置是反横操纵和方向发散点，4位置是失速点。对称机翼在0角时升力系数=0（由图）非对称一在机身水平时升力系数大于0，因此机身水平时也有升力 滑翔比与升阻比 升阻比是飞机飞行速度不同的情况下升力与阻力的比值，跟飞行速度成曲线关系，一般升阻比最大的一点对应的速度就是飞机的有利速度和有利迎角。滑翔比是飞机下降单位距离所飞行的距离，滑翔比越大，飞机在离地面相同高度飞的距离越远，这是飞机固有的特性，一般不发生变化。 如果有两台飞行器，有着完全相同的气动外形，一台大量采用不锈钢材料的，另一台大量采用碳纤维材料，那么碳纤维材料的滑翔比肯定优于不锈钢材料的。这个在SU-27和歼11-B 身上就能体现出来，歼11-B应该拥有更大的滑翔比。 螺旋桨拉力计算公式（静态拉力估算）
你的飞行器完成了，需要的拉力与发动机都计算好了，但螺旋桨需要多大规格呢？下面我们就列一个估算公式解决这个问题 螺旋桨拉力计算公式：直径（米)×螺距(米）×浆宽度（米）×转速2（转/秒）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.25）=拉力（公斤）或者直径（厘米)×螺距(厘米）×浆宽度（厘米）×转速2（转/秒）×1大气压力（1标准大气压）×经验系数（0.00025）=拉力（克） 前提是通用比例的浆，精度较好，大气压为1标准大气压，如果高原地区，要考虑大气压力的降低，如西藏，压力在0.6-0.7。1000米以下基本可以取1。 例如：100×50的浆，最大宽度10左右，动力伞使用的，转速3000转/分，合50转/秒，计算可得： 100×50×10×502×1×0.00025=31.25公斤。 如果转速达到6000转/分，那么拉力等于： 100×50×10×1002×1×0.00025=125公斤 展弦比： 展弦比即机翼翼展和平均几何弦之比，常用以下公式表示： λ=l/b=l^2/S 这里l为机翼展长，b为几何弦长，S为机翼面积。因此它也可以表述成 翼展（机翼的长度）的平方除以机翼面积，如圆形机翼就是直径的平方除以圆面积，用以表现机翼相对的展张程度。 从空气动力学基础理论来说！展弦比越大，诱导阻力会越小，升阻比会提高。 但同时，较大的展弦比会降低飞机的机动能力，因为较大的展弦比会使诱导阻力减小，但同时使翼面切向阻力加大。飞机维持平飞时稳定性极好，但一旦需要机动，则翼载和阻力都很大。加速性和超音速性能都很差。 相反，随着后掠角的加大，展弦比会呈现一次函数线性衰减，此时诱导阻力增加，升阻比降低，但飞机在超音速飞行时的性能明显改善，机动性也提高。 所以，对于要求长航程，稳定飞行的飞机而言，需要大展弦比设计。而战斗机多采用小展弦比设计。例如：B-52轰炸机展弦比为6.5，U-2侦察机展弦比10.6，全球鹰无人机展弦比更是高达25；而小航程、高机动性飞机，如歼-8展弦比为2，Su-27展弦比为3.5，F-117展弦比为1.65。 低速飞机设计的关键一是加大升力面积二是减轻重量，通过降低翼载荷实现低速。加大翼展可获得大升力面积但从结构强度考虑将大大增加重量，而仅仅通过加大翼弦获得大升力面积
螺旋桨推力计算模型
螺旋桨推力计算模型 根据船舶原理知： T K T n2 D 4（ K T为螺旋桨的淌水特性） 通过资料查得： K T为进速系数J的二次多项式，但无具体的公式表示，只能通过图谱查得，同时 K T K T0（ K T0为淌水桨在相同的转速情况下以速度为V A运动时的推力、进速系数 1 t J p V A U(1 W P)） nD nD 估算推力减额分数的近似公式： 1.汉克歇尔公式： 对于单螺旋桨标准型商船（C B=0.54~0.84 ）t=0.50Cp-0.12 对于单螺旋桨渔船：t=0.77Cp-0.30 对于双螺旋桨标准型商船（C B=0.54~0.84 ）t=0.50Cp-0.18 2.商赫公式 对于单桨船t=KW 式中： K 为系数 K=0.50~0.70适用于装有流线型舵或反映舵者 K=0.70~0.90适用于装有方形舵柱之双板舵者 K=0.90~1.5适用于装单板舵者 对于双螺旋桨船采用轴包架者：t=0.25w+0.14 对于双螺旋桨船采用轴支架者：t=0.7w+0.06 3.哥铁保公式 对于单螺旋桨标准型商船（C B=0.6~0.85 ）对于双螺旋桨标准型商船（C B=0.6~0.85 ） 4.霍尔特洛泼公式 对于单螺旋桨船 C B t 1.57 2.3 1.5C B C P C WP C B t 1.67 2.3 1.5C B C WP t 0.001979L /( B BC P1 ) 1.0585C100.000524 0.1418D 2 /( BT )0.0015C stern 式中： C10的定义如下： 当 L/B>5.2C 10 B / L 当 L/B<5.2C 100.250.003328402/(B / L 0.134615385) 对于双螺旋桨船：t C D /BT 0.325B0.1885
螺旋桨公式
螺旋桨公式 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数
螺旋桨推力计算模型
螺旋桨推力计算模型 根据船舶原理知：4 2 D n K T T ρ=（T K 为螺旋桨的淌水特性） 通过资料查得：T K 为进速系数J 的二次多项式，但无具体的公式表示，只能通过图谱查得，同时t K K T T -= 10（0T K 为淌水桨在相同的转速情况下以速度为V A 运动时的推力、进速系数 nD W U nD V J P A p ) 1(-= = ） 估算推力减额分数的近似公式： 1. 汉克歇尔公式： 对于单螺旋桨标准型商船（C B =0.54~0.84） t=0.50Cp-0.12 对于单螺旋桨渔船： t=0.77Cp-0.30 对于双螺旋桨标准型商船（C B =0.54~0.84） t=0.50Cp-0.18 2. 商赫公式 对于单桨船 t=KW 式中：K 为系数 K=0.50~0.70 适用于装有流线型舵或反映舵者 K=0.70~0.90 适用于装有方形舵柱之双板舵者 K=0.90~1.5 适用于装单板舵者 对于双螺旋桨船采用轴包架者：t=0.25w+0.14 对于双螺旋桨船采用轴支架者：t=0.7w+0.06 3. 哥铁保公式 对于单螺旋桨标准型商船（C B =0.6~0.85） P B WP B C C C C t ??? ? ? ?+-=5.13.257.1 对于双螺旋桨标准型商船（C B =0.6~0.85） B WP B C C C t 5.13.267.1+-= 4. 霍尔特洛泼公式 对于单螺旋桨船 stern P C BT D C BC B L t 0015.0)/(1418.0000524.00585.1)/(001979.02101+--+-=式中：10C 的定义如下： 当L/B>5.2 L B C /10= 当L/B<5.2 )134615385.0//(003328402.025.010--=L B C 对于双螺旋桨船： BT D C t B / 1885.0325.0-=
深潜器等厚导管螺旋桨敞水性能计算分析_刘可峰
SHIP ENGINEERING 船舶工程Vol.36 No.1 2014 总第36卷，2014年第1期深潜器等厚导管螺旋桨敞水性能计算分析 刘可峰1, 2，姚宝恒1，连琏1 （1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003） 摘 要：利用三维设计软件系统SolidWorks对No.37+Ka4-70导管螺旋桨进行了三维实体建模，并对某深潜器使用的No.37导管外形进行了等厚处理。利用计算流体力学软件Fluent对两组导管螺旋桨模型进行了敞水数值模拟，得到了导管螺旋桨的推力，扭矩及其效率，并与图谱数据对比，证明了数值方法的有效性。比较数据分析了No.37导管等厚变化对ROV推进性能的影响，总结了No.37+Ka4-70等厚导管螺旋桨的优缺点。 关键词：深潜器；导管螺旋桨；等厚导管；敞水性能；Fluent 中图分类号：U664.34 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2014) 01-0037-04 Calculation and Analysis of Open Water Performance for Submersibles Identical Thickness Ducted Propellers LIU Ke-feng1, 2, Y AO Bao-heng1, LIAN Lian1 (1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang city 212003, Jiangsu province, China) Abstract: The duct outline of ducted propeller No.37+Ka4-70 was altered for submersibles after building its 3D model with the 3D CAD software system SolidWorks in the article, their open water hydrodynamics feature was simulated and analyzed by using Fluent software. When comparing with the propeller chart, it shows that the numerical method is effective. The thrust force, torque, related coefficient and efficiency were compared. Through calculation and analyses, the advantages and disadvantages of identical thickness ducted propeller No.37+Ka4-70 were summarized. Key words: submersible; ducted propeller; identical thickness duct; open water performance; Fluent 拖网渔船和拖轮等船舶在重载工况作业时，由于其螺旋桨载荷较重，若采用传统螺旋桨，往往效率较低，导管螺旋桨由于其在重载工况下的良好性能而在这类船舶上得到了大量的应用。导管螺旋桨是一种特种推进器，在20世纪30年代就开始了工程应用，它在普通螺旋桨的外围装上了一个套筒，其剖面形状一般为机翼型或是折角型，导管与其中的螺旋桨形成了一个整体工作，这时的流场与没有导管时将发生较大的变化。按照内部流场的变化情况，导管可以分为加速型导管和减速型导管。对于加速型导管，首先可以使螺旋桨盘面处的水流加速，使螺旋桨工作在较大的速度场，从而可以提高螺旋桨的效率。其次，由于导管出口处的面积逐渐扩大，尾流的收缩变小，使轴向诱导速度减小，也有助于提高螺旋桨的效率。最后，由于叶梢和导管的间隙很小，由叶面和叶背的压力差引起的绕流大大减小，其能量损失也就减小。正是由于这些原因，加速导管螺旋桨具有重载效率高，推力大等特点，对于功率系数B p较高的使用场合，采用它能达到较高的效率[1]。深潜器对系泊推力有较高的要求，其推力计算一般就设定在系泊工况下进行，功率系数B p往往很大，故深潜器选用加速导管螺旋桨能获得较好的推进性能。 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和No.37+Ka系列导管螺旋 收稿日期：2013-07-09；修回日期：2013-09-15 基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2008AA092301-1） 作者简介：刘可峰（1978-），男，讲师。主要研究方向为船舶设计，潜器操纵与控制和水动力学应用。 DOI:10.13788/https://www.wendangku.net/doc/439867573.html,ki.cbgc.2014.0010
船舶螺旋桨的设计与计算过程.
某沿海单桨散货船螺旋桨 设计计算说明书 刘磊磊 2008101320 2011年7月
某沿海单桨散货船螺旋桨设计计算说明书 1.已知船体的主要参数 船长 L = 118.00 米 型宽 B = 9.70 米 设计吃水 T = 7.20 米 排水量 △ = 5558.2 吨 方型系数 C B = 0.658 桨轴中心距基线高度 Zp = 3.00 米 由模型试验提供的船体有效马力曲线数据如下： 航速V （kn ） 13 14 15 16 有效马力PE （hp ） 2160 2420 3005 4045 2.主机参数 型号 6ESDZ58/100 柴油机 额定功率 Ps = 5400 hp 额定转速 N = 165 rpm 转向 右旋 传递效率 ηs=0.98 3.相关推进因子 伴流分数 w = 0.279 推力减额分数 t = 0.223 相对旋转效率 ηR = 1.0 船身效率 0777.111=--= w t H η 4.可以达到最大航速的计算 采用MAU 四叶桨图谱进行计算。 取功率储备10%，轴系效率ηs = 0.98 螺旋桨敞水收到马力： P D = 4762.8 hp
根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的Bp --δ图谱列表计算： 项 目 单位 数 值 假定航速V kn 13 14 15 16 V A =(1-w)V kn 9.373 10.094 10.815 11.536 Bp=NP D 0.5/V A 2.5 69.013042 69.01304 69.01304225 69.013042 25 Bp 268.96548 323.7116 384.6505072 451.99967 07 MAU 4-40 δ 75.6 72.10878 64.87977369 60.744 P/D 0.64 0.667321 0.685420561 0.720498 ηO 0.5583333 0.582781 0.605706806 0.62606 P TE =P D ·ηH ·ηO hp 2863.9907 2989.395 3106.994626 3211.4377 MAU 4-55 δ 74.629121 68.63576 63.56589147 59.341025 P/D 0.6860064 0.713099 0.740958466 0.7702236 ηO 0.5414217 0.567138 0.590941438 0.6111996 P TE =P D ·ηH ·ηO hp 2777.2419 2909.156 3031.255144 3135.1705 MAU 4-70 δ 73.772563 67.77185 63.03055556 58.68503 P/D 0.69254 0.723162 0.754280639 0.7861101 ηO 0.5210725 0.54571 0.565792779 0.5828644 P TE =P D ·ηH ·ηO hp 2672.8601 2799.238 2902.2542 2989.8239 据上表的计算结果可绘制PT E 、δ、P/D 及ηO 对V 的曲线，如下图所示。
航模螺旋桨基础知识
一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数 直径(D)：影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋桨。 此外还要考虑螺旋桨桨尖气流速度不应过大(＜音速)，否则可能出现激波，导致效率降低。 二、桨叶数目(B)：可以认为螺旋桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正 比。超轻型飞机一般采用结构简单的双叶桨。只是在螺旋桨直径受到限制时，采用增加桨叶数目的方法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。 实度(σ)：桨叶面积与螺旋桨旋转面积(πR2)的比值。它的影响与桨叶数目的影响相似。随实度增加拉力系数和功率系数增大。
第4章 螺旋桨模型的敞水试验要点
第四章螺旋桨模型的敞水试验 螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。 螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是： ①进行系列试验，将所得结果分析整理后绘制成专门图谱，供设计使用。现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。 ②根据系列试验的结果，可以系统地分析螺旋桨各种几何要素对性能的影响，以供设计时正确选择各种参数，并为改善螺旋桨性能指出方向。 ③校核和验证理论方法必不可少的手段。 ④为配合自航试验而进行同一螺旋桨模型的敞水试验，以分析推进效率成分，比较各种设计方案的优劣，便于选择最佳的螺旋桨。 螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。 §4-1 敞水试验的相似条件 从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。 研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩) 与直径D(代表螺旋桨的大小)、转速n、进速V A、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加 速度g有关。换言之，我们可用下列函数来表示推力T和各因素之间的关系，即 T = f1(D，n，V A，ρ，ν，g)， 为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作： T = k D a n b c A Vρd νe g f(4-1)式中k为比例常数，a、b、c、d、e、f均为未知指数。 274
螺旋桨的定义及其效率计算
螺旋桨的定义及其效率计算 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J 变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数 直径(D)：影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋桨。此外还要考虑螺旋桨桨尖气流速度不应过大(＜0.7音速)，否则可能出现激波，导致效率降低。 桨叶数目(B)：可以认为螺旋桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正比。超轻型飞机一般采用结构简单的双叶桨。只是在螺旋桨直径受到限制时，采用增加桨叶数目的方法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。 实度(σ)：桨叶面积与螺旋桨旋转面积(πR2)的比值。它的影响与桨叶数目