第章 特种推进器【精选】.doc

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 = ρ A1（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＞＞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