舰艇螺旋桨水动力性能提升

几何形状一定的螺旋桨在水流中工作时，其产生的推力T、消耗的转矩Q以及螺旋桨的效率η0等水动力特性是随着螺旋桨的进速vA、转速n的变化而变化的。由于表达螺旋桨运动特征的参数有进速和转速两个特征量，不便于用来描述螺旋桨水动力特性随运动特征的变化规律，因此有必要引入能同时反映进速和转速影响的特征量。

（1）螺旋桨的进程：螺旋桨的进程指的是螺旋桨旋转一周在轴向上前进的距离，用hp表示。螺旋桨的进速为vA，转速为n，则进程为

式中vA的单位是m/s，n的单位是r/s。

进程是一个距离的概念，在原地旋转螺旋桨的进程等于零。

（2）螺旋桨的滑脱：螺旋桨的滑脱指的是螺旋桨的螺距与进程的差值，即P-hp，对于在原地旋转的螺旋桨，滑脱等于螺距P。

（3）进速系数：进程hp与螺旋桨直径D的比值称为进速系数，用J表示：

进速系数是一个无因次量。

（4）滑脱比：滑脱P-hp与螺旋桨螺距P的比值称为滑脱比，用s表示，即

滑脱比也是一个无因次量。滑脱比s与进速系数的关系是：

取螺旋桨有代表性的半径r处的叶切面，作出该叶切面的螺距三角形，则依托该螺距三角形可以表示出螺旋桨的进程，如图11-13所示。结合速度多边形（见图11-10）可知，螺旋桨的进程越小，水流的合速度方向与叶切面的夹角越大。

如果保持螺旋桨的转速n不变，当螺旋桨的进速vA为零时，进程hp和进速系数J都为零，相当于舰艇的系柱工况，此时水流的合速度方向与叶切面的夹角很大，螺旋桨的推力和转矩都很大；随着螺旋桨进速的增加，进程和进速系数增大，水流的合速度方向与叶切面的夹角减小，螺旋桨的推力和转矩减小；当进程增大到使螺旋桨的推力减小到零时，此进程称为无推力进程或者实效螺距P1，此时转矩并不为零；螺旋桨进程进一步增大到使螺旋桨的转矩减小到零时，此进程称为无转矩进程或者无转矩螺距P2，此时螺旋桨的推力为负值，即，螺旋桨对水流的力作用是沿来流方向的阻力而不是向前的推力。螺旋桨推力和转矩随进程的变化如图11-14所示。

图11-13　进程与滑脱的关系

图11-14　螺旋桨推力和转矩随进程的变化

将螺旋桨的推力T、转矩Q和进程hp无因次化，得到推力系数KT、转矩系数KQ。(www.xing528.com)

推力系数的计算式为

转矩系数的计算式为

式中　T——推力，N；

Q——转矩，N·m；

ρ——水的密度，kg/m3；

n——螺旋桨的转速，r/s；

D——螺旋桨的直径，m。

几何形状一定的螺旋桨，在无干扰的均匀水流中工作时，螺旋桨的推力系数、转矩系数和效率随进速系数的变化规律是一定的，这个变化规律可以用螺旋桨的敞水性能曲线定量描述。螺旋桨的敞水性能曲线如图11-15所示。螺旋桨敞水性能曲线图中横坐标是进速系数J，纵坐标是无因次的推力系数KT、转矩系数KQ和螺旋桨效率η0，其中转矩系数KQ的数值通常很小，常乘以10倍来表示。

图11-15　螺旋桨敞水性能曲线

图11-15中螺旋桨的运动特征是进速vA为正向，转速n也为正向，这是螺旋桨作为推进器推船向前运动的常用工况区间。在一些特殊的工况下，比如定距螺旋桨舰艇紧急倒车时，螺旋桨的运动特征是进速为正向、转速为负向；再比如定距螺旋桨舰艇倒航时，螺旋桨的运动特征是进速为负向、转速为负向；又比如定距螺旋桨舰艇在倒航中紧急向前推进时，螺旋桨的运动特征是进速为负向、转速为正向；等等。所以螺旋桨的推力、转矩随运动的变化可以扩展到其他工况区间。

某螺旋桨在扩展工况下的推力系数曲线和转矩系数曲线分别如图11-16、图11-17所示。

图11-16　螺旋桨在扩展工况下的推力系数曲线

图11-17　螺旋桨在扩展工况下的转矩系数曲线