船体、主机和螺旋桨的配合状态达成成果

从船体、主机和螺旋桨各自独立的性能特点看，建造完毕、状态一定的舰艇，在理想的、无限深广的静水（不考虑波浪增阻和航道限制等因素）中航行时，船体的阻力R主要取决于舰艇的航速vs。舰艇的船体阻力随航速的变化可以用阻力曲线的形式来表达。

舰艇航行对主机有输出功率的需求。主机的输出功率通过轴系传递，故而称为轴功率。根据主机的特性，主机输出轴的转速一般有一个范围，即存在最高可达转速和最低可达转速。并且，在转速范围内的任一转速下，主机输出的功率也有一个范围，即存在最大的输出轴功率。主机转速和输出功率的特性称为主机的外特性，主机外特性曲线如图14-2所示。

图14-1　舰艇阻力性能曲线

图14-2　主机外特性曲线

螺旋桨在水流中要能够产生推力T，必须要旋转起来，而螺旋桨的旋转必定会受到水流的旋转阻力矩Q，所以主机通过轴系带动螺旋桨旋转，就要克服该转速下螺旋桨的旋转阻力矩Q。对于给定的螺旋桨，其在水流中运动时的推力T和转矩Q是随转速n和进速vA而变化的，这种变化关系可以通过螺旋桨的敞水性能曲线反映。

在描述了船体、主机、螺旋桨各自独立的性能及其表示方法以后，下面对船体、主机和螺旋桨之间的关系进行详细的分析。

（1）从运动的关系上看：舰艇的航行是平移，其运动特点是以航速vs前进；主机开动后是带动轴系旋转，运动特点是以转速nm旋转。这是两种不同的运动形式。而螺旋桨的运动特点是一边前进一边旋转。

可见，正是螺旋桨特殊的运动特点将舰艇的运动和主机的运动紧密地联系起来。各种运动具体的关系是：舰艇前进的航速是vs，船后螺旋桨的进速是vA，根据伴流的概念，有

式中　w——伴流分数。

主机的转速是nm，有的舰艇装有减速齿轮箱，设减速比为j，那么螺旋桨的转速n=j·nm，若主机与螺旋桨直连，则n=nm。

（2）从受力的关系上看：舰艇在海洋上航行，受到的是船体阻力R；主机开动后，是将转矩Qm输送到轴系上。这是两种不同的力的形式，而螺旋桨的力学特点是既有转矩又有推力，主机通过轴系将转矩传递给螺旋桨，并带动螺旋桨以一定的转速转动，那么螺旋桨就会产生推力，螺旋桨产生的推力可以克服舰艇运动的阻力推船前进。

可见，正是螺旋桨特殊的力学特点将舰艇运动需要克服的阻力和主机工作产生的转矩紧密地联系起来。各种受力具体的关系是：舰艇主机输出的转矩为Qm，该转矩通过轴系传递给螺旋桨；考虑一定的机械摩擦损失，螺旋桨收到的转矩为QD，螺旋桨被带动旋转后产生的推力为T，考虑到推力减额的影响，螺旋桨产生的有效推力为

式中　t——推力减额分数。

螺旋桨的有效推力与舰艇在该航速下的船体阻力平衡，即

（3）从能量的关系上看：要推动舰艇在海洋上以一定的航速稳定航行，必须付出的功率为

式中　PE——有效功率；

vs——舰艇的航速；

R——该航速下舰艇的阻力。

舰艇前进能量的来自于主机，主机工作的方式是在带动轴系旋转的过程中输出能量，主机输出的功率为

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式中　PS——轴功率；

nm——主机带动轴系旋转的转速；

Qm——旋转过程中主机在轴系上输出的转矩。

主机输出的功率形式与舰艇前进需要的功率形式是不一样的，而螺旋桨的功能就是将主机输出的旋转功率变成推船前进需要的推功率。

可见，正是螺旋桨特殊的工作方式将舰艇运动需要的功率与主机工作输出的功率紧密地联系起来。各种功率具体的关系是：舰艇主机输出的轴功率为PS，该功率通过轴系传递给螺旋桨；考虑一定的机械摩擦损失，螺旋桨收到的功率（即船后收到功率）为PDB，船后收到功率是旋转功率，会驱动螺旋桨旋转。螺旋桨特殊的工作方式恰好可以将船后收到功率转化为推功率：

式中　T——船后螺旋桨产生的推力；

vA——船后螺旋桨盘面处的进速。

螺旋桨的推力进一步传递到船体就产生推船前进的有效功率PE，且

式中　vs——舰艇的航速；

TE——有效推力，等于船体阻力。

在舰艇航行过程中，舰艇的快速性是舰艇主机、推进器、船体三者共同作用所表现出的性能。每一艘舰艇，在论证时就有一个最大航速指标，而在设计过程中，需要以这个最大航速指标为目标，根据船体的阻力性能来选择合适的主机、设计性能良好的螺旋桨，保证舰艇的最大航速能够达到，并且具有优良的推进效率。

舰艇在海洋上航行，对于船体、螺旋桨、主机这一整套推进系统的控制，最方便的是控制主机输出的转速，根据主机转速与螺旋桨转速的既定关系，螺旋桨转速也就随之被准确控制了，而螺旋桨的推力、舰艇的航速、主机的转矩和轴功率会在一些因素的影响下，根据船体、主机螺旋桨工作的相互关系，达到不被“准确控制”的平衡状态。比如，舰艇以同样的主机转速工作，在风平浪静的海洋环境下可以达到的航速与在狂风恶浪中可以达到的航速不一样，同一海况下满载出航时可达到的航速与油水大量消耗后返航时可达到的航速不一样，并且主机的功率、螺旋桨的推力也都不一样，从而影响到船体-主机-螺旋桨配合状态。特别是对于主机，其作用是要带动螺旋桨克服水流的旋转阻力矩而旋转，而螺旋桨旋转的转矩与其转速和进速都有关系。当要求主机达到某一个转速时，若舰艇航速低于设计的正常航行速度（比如拖带其他船舶、风浪中增阻很大等情况下），则螺旋桨进速减小、旋转阻力矩（转矩）增大，要求主机输出的转矩和功率都会增大；反之，若舰艇航速高于设计的正常航行速度（比如设计时预报舰艇的阻力偏大、实际航行时阻力较小情况下），则螺旋桨进速增大、旋转阻力矩（转矩）减小，要求主机输出的转矩和功率都会降低。

下面进行具体的分析。设舰艇从停泊状态开始启动，主机的转速为nm，开始由于舰艇的航速几乎为零，所以螺旋桨的进速为零，进速系数为零，根据螺旋桨的敞水性能曲线，此时的推力系数和转矩系数都很大，螺旋桨产生的推力和需要主机提供的转矩都很大。在螺旋桨推力的推动下，舰艇逐渐加速。随着舰艇航速的增大，螺旋桨的进速增大，在主机转速不变的情况下，螺旋桨的进速系数增大，推力系数和转矩系数减小，螺旋桨产生的推力和需要主机提供的转矩逐渐减小，舰艇向前航行的加速度也减小，但舰艇仍然处于加速状态，舰艇航速会继续增大，那么舰艇的航行阻力一直增大、螺旋桨的推力一直减小，直到舰艇的航行阻力和螺旋桨的有效推力平衡，此时舰艇的航速、主机输出的转矩和轴功率都稳定，舰艇的船体、主机、螺旋桨构成的系统达到平衡。可见，舰艇的主机在一定转速下输出的转矩和轴功率与舰艇的航行状态有密切的关系。

在舰艇航行过程中，如果舰艇的主机转速等于额定转速nm定，主机的输出功率刚好等于主机额定功率PS定，那么称此时船体、主机、螺旋桨是匹配的，此时舰艇的航速为vs，该航速下舰艇的阻力与螺旋桨的有效推力TE平衡：=TE。

一种可能的情况是：如果舰艇装载很少，即各航速下阻力较小，当舰艇的主机转速等于额定转速nm定、舰艇航速达到vs时，由于舰艇的阻力小于，所以螺旋桨的有效推力大于舰艇阻力，舰艇速度还会增大，航速增大则舰艇阻力增大，而进速增大、进速系数增大、螺旋桨的推力减小，直至达到新的航速vs1时，螺旋桨的有效推力TE1与舰艇的阻力平衡，此时舰艇的航速vs1＞vs，螺旋桨的转矩Qm1＜Qm定，主机输出的轴功率PS1小于额定功率PS定，说明此工况下主机以额定转速工作时还有一部分功率的富余，即螺旋桨对主机的功率需求小于主机的额定功率，此时称螺旋桨处于轻载状态。若主机转速可以适当超过额定转速以充分发挥主机的功率，那么舰艇航速还能够进一步提高。

另一种可能的情况是：如果舰艇遭遇恶劣风浪，即各航速下阻力较大，当舰艇的主机转速等于额定转速nm定时，由于舰艇的阻力增大，所以可达到的航速vs2＜vs，螺旋桨进速减小、进速系数减小、螺旋桨的推力和转矩都变大，此时螺旋桨的有效推力TE2与该航速下舰艇增大的阻力平衡，但由于螺旋桨的转矩增大，Qm2＞Qm定，主机输出的轴功率要能大于额定功率，即PS2＞PS定，说明此工况下螺旋桨对主机的功率需求大于主机的额定功率，主机要在超额定负荷的状态下工作，此时称螺旋桨处于“重载”状态。

有的主机不能超负荷工作，那么主机转速必然下降，螺旋桨的推力减小，舰艇航速会进一步降低。

以上的分析表明，在舰艇航行过程中，舰艇的航速、主机的输出功率以及船体-主机-螺旋桨配合状态很容易受到影响，往往会偏离理想的匹配良好的状态。而不匹配的状态有两种，要么是螺旋桨处于轻载状态，要么是螺旋桨处于重载状态。很显然，螺旋桨处于轻载状态时主机的负担小，螺旋桨处于重载状态时主机要超负荷工作。长时间超负荷工作会导致主机使用寿命减短、容易出现故障，因此在舰艇螺旋桨设计、主机选型和快速性确定时必须考虑这一问题。重载的危害性显然大于轻载，而在舰艇航行过程中，遭遇风浪、船体污损导致阻力增加、主机长时间工作后老化性能下降、螺旋桨表面污损转矩增大等问题都会导致船体-主机-螺旋桨配合状态向重载方向发展。为了避免舰艇服役后出现螺旋桨重载，一般需要在螺旋桨设计与快速性预报时留储备量，通常有三种方法：

（1）主机功率储备：以主机100%额定转速和主机85%～90%额定功率作为螺旋桨设计的输入。

（2）主机转速储备：以主机100%额定功率和主机103.5%～105%额定转速作为螺旋桨设计的输入。

（3）船体阻力储备：以110%～115%船体阻力作为螺旋桨设计的输入。

这些方法都是在设计时主动让螺旋桨处于轻载状态，当舰艇实际航行过程中由于各种因素向重载方向发展时，因有一定的储备量而不至于真正达到重载状态。