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船舶推进思考题、习题

1、试说明船舶推进器的作用。
答：
把能源（发动机）发出的功率转换为推船前进的功率。

2、常用螺旋桨推进器有哪些。他们各有什么优点？
答：
螺旋桨：构造简单、造价低廉、使用方便、效率较高，是目前应用最广的推进器。
风帆：节省能源
明轮：边轮增大船宽，对横稳性有利。
直叶推进器：装有直叶推进器船舶的操纵性能良好，且在船舶倒退时也无须逆转主机。效率较高，在汹涛海面下，工作情况也较好。
喷水推进器：推进器的活动部分在船体内部，具有良好的保护性，操纵性能良好。
水力锥形推进器：构造简单，设备轻便，效率较一般喷水推进器为高。

3、用文字或作图说明下列名词的意义：桨毂、桨叶、毂帽、叶面、叶背、叶梢、叶根、随边、导边、梢圆、螺旋桨直径、盘面积、伸张轮廓、展开轮廓、伸张面积、展开面积、盘面比、侧斜、纵斜、右旋、外旋。
答：
桨毂：螺旋桨与尾轴连接部分称为桨毂。
桨叶：
毂帽：为了减小水阻力，在桨毂后端加一整流罩，与桨毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。
叶面：由船尾后向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面。
叶背：由船尾后向前看时所见到的螺旋桨桨叶的另一面称为叶背。
叶梢：桨叶的外端称为叶梢。
叶根：桨叶与毂连接处称为叶根。
随边：螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在后面者称为随边。
导边：螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称为导边。
梢圆：螺旋桨旋转时叶梢的圆形轨迹称为梢圆。
螺旋桨直径：梢圆的直径称为螺旋桨直径。
盘面积：梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积。
伸张轮廓：将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展成平面后，以其弦长置于相应半径的水平线上，并光顺连接端点所得到的轮廓称为伸张轮廓。
展开轮廓：将桨叶叶面近似展放在平面上所得的轮廓称为展开轮廓。
伸张面积：螺旋桨各叶伸张轮廓所包含的面积的总和称为伸张面积。
展开面积：各桨叶展开轮廓所包含面积的综合称为展开面积。
盘面比：伸张面积与盘面积之比称为伸张面比，展开面积与盘面积之比称为展开面比，伸张面比和展开面比均可称为盘面比或叶面比。
侧斜：不对称桨叶的叶梢与参考线间的距离称为侧斜。
纵斜：参考线线段在轴线上的投影长度称为纵斜。
右旋：当螺旋桨正车旋转时，由船后向前看去所见到的旋转方向为顺时针者称为右旋。
外旋：装于船尾两侧的螺旋桨，在正车旋转时其下部向船的中线方向转动者称为外旋桨。

4、桨叶的几何特征有哪些？
答：
桨叶切面，桨叶的外形轮廓：伸张轮廓、展开轮廓，桨叶的面积。

5、叶切面的几何特性有哪些，请说明其含义。
答：
叶切面：与螺旋桨共轴的圆柱面和桨叶相截所得的截面
桨叶切面的形状：弓形、机翼形、梭形、月牙形
叶切面外弦：叶面外切线
叶切面内弦：导边和随边的连线
叶切面厚度：垂直于所取弦线方向与切面上、下交点的距离
叶厚t：切面的最大厚度
叶厚比：t/b（b：切面弦长）
拱线（中线）：切面的中线或平均线
拱度：拱线到内弦线的最大垂直距离

6、已知某螺旋桨0.7R处的螺距角为20°，求该螺旋桨的螺距比。
答：
由于：，即

7、某试验船螺旋桨D=0.8米，P/D=1.016，在静水中试航，当转速N=1500rpm时，已知盘面处进速=14m/s，而螺旋桨为一股向后移动且旋转的水流，在其后方达到稳定最大值，测得其轴向速度=2.44m/s，旋转角速度。该螺旋桨为等螺距螺旋桨。试求该桨半径为0.7R（R为梢圆半径）处水流的合速度及其该切面的攻角。
答：

半径为0.7R处水流的合速：
水动力螺距角

螺距角

攻角

8、试证明下列关系式：

答：
见书P18-P20

9、什么是理想推进器，什么是理想螺旋桨？
答：
理想推进器有如下特征：
几何特征：推进器的轴向尺度趋于零、仅为一薄盘面、水可以自由通过且可以吸收外来功率并具有推水向后的功能。
运动特征：沿盘面上的流体速度和压力均匀分布。
流体性质：流体为不可压缩理想流体。
理想螺旋桨的特征：
除了理想推进器的特征外，理想螺旋桨具有使水流作周向运动的功能。

10、画出螺旋桨在半径为r的叶切面处远前方、盘面处和远后方的速度三角形并说明三种三角形的意义。
答：
见书P22

11、说明螺旋桨的滑脱、滑脱比、进程、进速系数的意义。
答：
滑脱：螺旋桨螺距与进程之差
滑脱比：
进程：螺旋桨旋转一周在轴向所前进的距离
进速系数：

12、用图说明零推力、零升力和零转矩的来流速度和作用力的关系。
答：
见书P27-P28

13、证明下列关系式：
，，
答：
见书P21-P22

14、螺旋桨敞水试验的目的是什么？
答：
（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。
（2）根据系列试验的结果，可以系统的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之用，并为改善螺旋桨性能指出方向。
（3）它是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。

15、用量纲分析法证明：

答：
见书P31-P32

16、敞水螺旋桨模型试验应满足什么条件才能实现全相似？技术上能满足的是什么相似条件？
答：
进速系数、雷诺数和傅氏数等三个参数是桨模与实桨符合全相似条件必须满足的条件。技术上只能满足进速系数相等（运动相似）的条件。

17、什么是尺度作用？它与雷诺数有何关系？
答：
因雷诺数不同而对螺旋桨性能的影响通常称为尺度作用。
与雷诺数的关系见书P34

18、请说明伴流的定义和成因。
答：
伴流定义：由于船体在水中航行而带动的一股伴随船体周围的水流。
伴流的成因：（1）船在水中以一定速度向前航行时引起首尾处的水流具有向前速度，产生正伴流；而在舷侧处水流具有向后的速度，形成负伴流。由此形成的伴流称为形势伴流或势伴流。（2）由于水的粘性作用沿船体表面形成边界层，边界层内水质点具有向前速度，形成正伴流，通常称为摩擦伴流。摩擦伴流通常为总伴流的主要部分。（3）由于船体本身的兴波作用而形成的伴流称为兴波伴流。

19、什么是伴流分数？
答：
伴流速度u与船速V的比值w。

20、在螺旋桨设计中是怎样考虑伴流对螺旋桨性能的影响的？
答：
在用等推力法确定实效伴流的情况下，船体（伴流）对螺旋桨性能的影响可以归结为：（1）确定平均实效伴流速度u，据此可以建立螺旋桨进速与船速之间的关系，即，或以伴流分数w来表示，则。（2）伴流不均匀性的影响，即相对旋转效率。

21、什么是标称伴流和实效伴流？他们在测定方法上有什么不同？
答：
标称伴流：用各种流速仪所测定的螺旋桨盘面处水流速度。
实效伴流：根据船后螺旋桨试验或自航试验结果与螺旋桨敞水试验结果比较分析得出的伴流。
这两种方法的差别在于是否考虑螺旋桨工作的影响。由于螺旋桨在船后工作，以实效伴流分数来计算螺旋桨的进速比较合理，通常说的伴流分数是指实效伴流分数。

22、说明相对旋转效率的定义和意义。
答：
相对旋转效率，其中为螺旋桨敞水中的转矩，为同一转速下船后螺旋桨的转矩。相对旋转效率体现了伴流不均匀性对螺旋桨的影响。

23、说明推力减额的成因。
答：
螺旋桨的抽吸作用导致桨盘前方流速增加进而引起船体的摩擦阻力和粘压阻力增加。由于这样一种螺旋桨在船后工作时引起的船体附加阻力称为最增额，也称为推力减额。

24、船后螺旋桨效率与敞水螺旋桨效率有和不同？
答：船后螺旋桨效率等于敞水螺旋桨效率与相对旋转效率的乘积。

25、船身效率、推进效率和推进系数P.C.的定义是什么？
答：
船身效率；推进效率；为船后螺旋桨实际收到功率，，为主机发出的功率，推进系数P.C.，

26、试说明整个推进系统的能量消耗情况。
答：

27、某渔船主机功率Ps=900hp，配3:1齿轮箱。试航时测得当主机转速Nm=1512rpm时的航速V=12kn，在与螺旋桨紧连的尾轴处测得转矩为1105kgf-m。按船模试验的结果分析，实船阻力为R=6240kgf，伴流分数ω=0.22，推理减额分数t=0.20，相对旋转效率=1.01，设轴系传动效率=0.96，减速装置效率=0.98。试求：螺旋桨效率、船身效率、推进效率、推进系数、主机功率储备（%）、螺旋桨推马力、以及实际发出的主机马力。
答：

由于
主机实际发出的马力
主机功率储备
有效马力
推马力

28、某沿海快艇螺旋桨直径D=1.00m，由模型桨的敞水试验结果整理的特征曲线的数据如下：
0.4 0.6 0.8 1.0
0.460 0.360 0.260 0.159
0.866 0.714 0.55 0.380
快艇的伴流分数ω=0.10，推力减额分数t=0.08，相对旋转效率=0.98，该艇试航时，主机达到额定转速900rpm，航速达到22.0kn，主机直接传动效率=0.96，试求：
（1）、设计工况下螺旋桨的推力、螺旋桨效率和主机实际发出的功率。
（2）、该艇出到大海遇到风浪，主机转速下降15%，航速仅达到13.78kn，求这时螺旋桨所发出的推力、螺旋桨效率以及主机所发出的功率。
答：
（1）
由模型敞水试验得到的特征曲线插值得到相应的推力系数和转矩系数为

（2）
由模型敞水试验得到的特征曲线插值得到相应的推力系数和转矩系数为

讨论：风浪条件下主机不能充分发挥其功率

29、某船试用一新型螺旋桨，船的设计航速为19kn，按艉型确定螺旋桨直径为3.5m。用1/10缩尺制作桨模，在保持转速n=5r/s的情况下进行敞水试验。测得数据如下：
桨模进速(m/s) 1.05 1.225 1.40
桨模推力(kgf) 17.70 14.36 10.96
桨模转矩(kgf.cm) 86.00 80.00 74.00
另外又从自航试验求得伴流分数ω=0.194，推力减额分数t=0.18，相对旋转效率=0.98。试求当实桨转速为180rpm时所发出的推力及所需的船后收到马力。
答：
根据试验数据可以得到模型桨敞水试验特征曲线
0.6 0.7 0.8
0.451 0.366 0.279
0.063 0.058 0.054
0.68 0.703 0.658

由模型桨敞水特征曲线插值得到相应的推进系数和转矩系数为

另法：

因为：推进效率

两种方法结果相差约18hp，其原因是计算中和0.514值均为近似值。

30、试说明敞水螺旋桨特征曲线的特征。
答：
（1）当J=0时，由于，故。此时叶切面攻角最大，达到最大值。
（2）当时，，与两曲线交于横坐标轴上。
（3）存在最大值，在其左边随J的增加而增加；在其右边随J的增加而减小，而且坡度较大。
（4）随J的则增大而减小（即：叶切面攻角随J的增大而减小）。
（5）与横坐标轴交点表征零推力进程与零转矩进程。因为，零推力进程（实效螺距），无转矩进程（无转矩螺距）。

31、证明：（，为船身效率和船后螺旋桨效率；，为有效马力和船后螺旋桨收到马力）
答：

或

32、叶切面或螺旋桨表面上一点的减压系数ζ、空泡系数σ的定义是什么？他们分别与什么因素有关？
答：
减压系数
空泡数
减压系数只与有关。即只与叶切面的参数有关（形状，入射角，及 B点的位置等），与流场的参数无关。改变只能从改变桨叶的性质入手（切面的形状，螺距比等），减压系数越高，越容易产生空泡。空泡系数只与来流速度，水的汽化压力以及静压力有关，而与桨叶的几何特征无关。空泡数越低，越容易产生空泡。

33、说明空泡的成因与空泡发生的条件。第一阶段空泡和第二阶段空泡的特点是什么？
答：
螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处压力降至水的汽化压力一下时，导致爆发式的汽化，水气通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡（空泡）。空泡发生的条件是（减压系数空泡数，即）
空泡的第一阶段（空泡占叶切面宽度40~50%）：
这时桨叶吸力面（叶背）损失的吸力部分=吸力增加部分
特征：空泡区域是局部的，对叶切面的水动力性能不发生明显影响，但可能在叶表面产生剥蚀（L、D不变）
空泡的第二阶段（空泡占叶切面宽度60~70%以上）：
空泡区域扩大到占整个叶背面积60~70%时，流动情况发生了根本的改变，叶背大部分或全部与空泡接触，吸力面压力不再降低，各处的压力都等于汽化压力，吸力面的升力不再随速度的增高而加大其升力和阻力都较无空泡时为低，但阻升比增加，叶切面水动力性能恶化。
特征：对叶表面无剥蚀作用，但影响叶切面的水动力性能。

34、说明涡空泡、泡状空泡、片状空泡和云雾空泡的概念。
答：
涡空泡：出现在叶根与叶梢上。梢涡——由叶梢处绕流产生；毂涡——水流在桨毂处阻塞干扰产生。涡空泡的危害：桨—船体涡（PHV）产生船体尾部表面上空泡剥蚀区、噪声。
泡状空泡：在切面攻角较小时在叶背最大厚度处所产生的空泡，这种空泡对螺旋桨性能影响不大，但对桨叶材料有剥蚀作用。
片状空泡：攻角较大时产生在导边附近，呈膜片状。（1）叶切面全部为空泡所覆盖，形成超空泡流动（全空泡）。这时会影响螺旋桨性能（空泡的第二阶段）。（2）空泡在随边之前结束，形成局部空泡。这时对螺旋桨产生剥蚀（空泡的第二阶段）。
云雾状空泡：由桨盘面处伴流不均匀导致攻角变化，进而导致减压系数变化。攻角大时产生空泡，攻角小时，空泡移到随边而破裂，对桨叶产生剥蚀，空泡消失后在水流后形成云雾状。（由伴流不均匀引起）

35、避免空泡发生的主要技术措施有哪些？
答：
因为产生空泡的条件：，要避免空泡的产生，就要降低减压系数，提高空泡数。
（1）降低减压系数的措施：
1）增加螺旋桨的盘面比
2）采用弓型切面或压力较均匀的其他切面形式
3）减少叶根附近切面的螺距
（2）提高螺旋桨空泡数的措施：
1）增加螺旋桨的浸没深度
2）减少螺旋桨转速
（因为，而，）

36、空泡试验需要满足什么相似条件？为什么要利用空泡筒进行空泡试验？
答：
（1）桨模与实桨：1）必须满足敞水试验条件（进速系数J相等）；2）减压系数和空泡数相等。但是由于进速系数J相等时，桨模与实桨减压系数相等条件自然满足。所以实桨与桨模满足空泡相似的条件为：。
（2）要实现空泡数相等，就必须，或。因为实际上，要使。必须降低。可以降低或增加（通过增加水温达到，较麻烦），实际做法是通过降低实现，这就是使用空泡试验筒来进行空泡试验的原因。

37、某客货轮的螺旋桨具有下列要素：
螺旋桨直径D=4.83m，P/D=1.065,，桨轴入水深度=2.9m，投射面积=9.9，收到马力=4800hp，=0.98，船速V=16.67kn，N=110rpm，伴流分数ω=0.226，船吃水T=6.6m，桨叶为机翼型剖面。试检验该螺旋桨是否发生空泡。（按柏利尔限界校核）
答：

0.7R处叶切面的空泡数

单位投射面积上的平均推力系数

从P78图6-21柏利尔限界线上校核发现校核点在限界线右下角，所以螺旋桨不发生空泡。

38、某螺旋桨具有下列要素，试按柏利尔方法校核盘面比时，是否符合空泡要求？
=5000hp，N=110rpm，=11kn，Z=4叶，D=5m，P/D=0.8，=0.98，水温t=20℃，桨轴线距水面高度=4.0m，=0.65。
答：

0.7R处叶切面的空泡数

查P78图6-21得

需要的最小投射面积
P77(6-15)
需要的最小展开面积
P77(6-16)

需要盘面比

结论：空泡校核结果表明该螺旋桨不符合空泡性能要求。

39、某海船具有下列要素：V=14.8kn，ω=0.279，Z=4叶，D=4.06m，P/D=0.79，，N=165rpm，=4.2m，=5°，=145mm，=0.882，主机额定功率=4800hp。螺旋桨材料为奥氏体不锈钢，材料重量密度G=7.9kgf/，盘面比。要求按照“规范”对螺旋桨0.25R切面出桨叶厚度进行强度校核。（该桨为等螺距螺旋桨）
答：

设计的，不满足规范要求。

40、求证：若螺旋桨推力沿桨叶径向按线性规律分布，即，则半径以外桨叶所受的推力对切面处的弯矩：

其中T为螺旋桨推力，R为螺旋桨半径，Z为桨叶数，。
答：
因为：

由得
所以：

41、已知某船主机马力Ps=120马力，转速N=507rpm，要求设计航速为7节。根据估算该船伴流分数ω=0.22，t=0.20，=1.0，=0.97。试根据MAU4-55确定该船螺旋桨的螺距比、直径和效率，并确定此时螺旋桨所发出的推力。
答：

查图谱得到：直径系数.

由于：