舰艇静力学与快速性分析

根据船体阻力性能、主机的外特性和螺旋桨的敞水性能，可以进行舰艇的快速性分析。舰艇快速性分析主要涉及两个方面的问题：一是针对主机的某一转速，预报舰艇的航速和对应的主机输出的轴功率；二是针对舰艇要达到某一航速，预报主机的转速和轴功率。进行舰艇快速性分析的基本原则有两个：一是推力平衡，即螺旋桨的有效推力等于舰艇的航行阻力；二是功率平衡，即主机能够输出的功率要能满足螺旋桨对主机轴功率的需求。

几何形状一定的螺旋桨，其有效推力只与螺旋桨的运动——螺旋桨的进速和转速相关。螺旋桨的进速主要取决于舰艇的航速（在考虑伴流的情况下），螺旋桨的转速由主机的转速决定。在一定转速下，螺旋桨的有效推力即使刚好与某一航速下舰艇的航行阻力相等，满足推力平衡原则，在该转速下舰艇也不是一定可以达到该航速，还必须看主机能否克服该工况下螺旋桨的旋转阻力矩使其达到这个转速，即该转速下螺旋桨对主机功率的需求是否在主机的能力范围内，亦即功率也要平衡。

为了对舰艇的快速性进行预报，一般的方法是，设定螺旋桨一系列典型工况的转速，在每一转速下设定一系列的舰艇航速，分别计算螺旋桨在各运动状况下的有效推力和要求主机提供的轴功率，然后再根据舰艇的阻力性能和主机的外特性综合分析判定舰艇的航行状态。其计算流程如图14-3所示。

图14-3　螺旋桨有效推力和轴功率计算流程

通过成系列改变螺旋桨的转速和每一转速下的舰艇航速，可以得到螺旋桨在不同工况下的有效推力和在该工况运行时要求主机输出的轴功率，将计算结果绘制成如图14-4所示的曲线图，该图称为航行特性曲线图或校核曲线图。

图14-4　航行特性曲线图

需要注意的是，航行特性曲线图仅从螺旋桨的角度给出了螺旋桨在不同的转速和进速下的水动力特性，虽然计算过程中考虑到了船体和螺旋桨的相互作用，但也只是考虑了伴流分数、推力减额分数、相对旋转效率等对螺旋桨进速、有效推力和功率传递的影响，并没有考虑船体、主机、螺旋桨的配合，曲线图中的航速不过是人为设定的航速，要进一步确定舰艇的航速和主机的输出功率，就必须考虑船体、主机、螺旋桨的配合及推力平衡和功率平衡两个原则。

具体的做法是：在有效推力图中，根据舰艇的实际状态，给出舰艇的阻力性能曲线图（见图14-5），即描述舰艇以不同航速航行时，需要螺旋桨对船体作用多大的有效推力。

图中A、B、C三个交点分别为舰艇的螺旋桨以n1、n3、n5三种转速工作时螺旋桨有效推力与舰艇航行阻力平衡的点，这就体现了推力平衡原则，那么这些交点对应的舰艇航速v1、v3、v5是否能够达到呢？这就需要看功率平衡能否满足，即螺旋桨在这些点对应航速、转速下工作时主机的功率需要是否在主机的能力范围内。具体的做法是：如图14-6所示，通过计算得到的主机功率图，读取各对应航速下螺旋桨对主机的轴功率需求，分别为A、B、C三点对应工况的轴功率PS1、PS3、PS5。(www.xing528.com)

图14-5　舰艇阻力与有效推力平衡

若根据主机的外特性，主机以转速n3工作时的最大输出功率为P3，如果对应的功率需求小于P3（PS3＜P3），则当舰艇以转速n3工作时，航速就为v3。

若主机在额定转速n5下工作时额定功率为PS定，由于图14-6中螺旋桨转速n5、舰艇航速v5对应的功率需求PS5大于额定功率PS定，那么，当主机转速不降低且超额定功率工作时，航速能够达到v5，但是此时螺旋桨处于重载状态；若不允许主机超额定功率工作，那么主机转速将被迫降低，舰艇航速小于v5。

图14-6　螺旋桨对主机功率需求的分析

图14-7　航行特性曲线图

如果舰艇装载很少，各对应航速下的阻力降低，实际的阻力曲线如图14-7所示，那么当主机以额定转速n5工作时，对应的螺旋桨有效推力与阻力平衡时的航速是，此时螺旋桨要求主机输出的轴功率是，小于主机在额定转速下的额定功率PS定，此时，螺旋桨就处于轻载状态。

如果主机以额定转速n5工作时，对应航速下螺旋桨要求主机输出的轴功率大小恰好等于主机在额定转速下的额定功率PS定，此时，船体、主机、螺旋桨就刚好处于匹配状态。