推力減額推力減額與推力減額分數(shù)

螺旋槳對船的影響表現(xiàn)為推力減額。在船后工作的螺旋槳對尾部船體表面的水流有抽吸作用，使尾部船體表面的水流速度增加、壓力下降，如圖1所示。這種尾部壓力下降引起的船體阻力增加量稱作阻力增額。這部分阻力增加量是由螺旋槳工作引起的，故將它理解為螺旋槳推力減小量，分配到每個槳上的這種推力減小量即稱為推力減額，記作△T。按推力減額的概念，在船后工作的螺旋槳作用下的艦船阻力不發(fā)生變化，只是螺旋槳本身的推力損失了一部分。記入推力減額后的螺旋槳推力稱為有效推力，有時也稱為船后槳推力，記作T_E。有效T_E與敞水槳推力T之間的關(guān)系為

△T與T的比值稱為推力減額分數(shù)，記作t，即

于是有效推力表示為

各種艦船的推力減額分數(shù) t 如圖2所列。

推力減額推進器對船體的影響

由于船體形式和推進器方向的不同，推進器對船體的干擾影響非常復(fù)雜，在實際設(shè)計中需要考慮的干擾有以下幾種：

（1）摩擦力

當螺旋槳安裝在船體平坦底部時，螺旋槳將貼近船底表面，產(chǎn)生與推力方向相反的摩擦力，導(dǎo)致推力減額。

（2）科安達（Coanda）效應(yīng)

船體表面為曲面時，螺旋槳尾流會沿著曲面擴散（如舭部連接處），并在曲面附近形成低壓區(qū)域，造成壓差阻力，從而抵消部分推力，這時有效推力將會減少，這就是科安達效應(yīng)。

推力減額推進器之間的相互干擾

采用多個推進器時，特別當兩個推進器的方向接近一條直線時，一個推進器排出的水流會直接沖入另一個推進器。

很多拖曳水池都曾對螺旋槳間的干擾進行過試驗研究，盡管采用不同的螺旋槳，但結(jié)果都非常相似。Lehn和Moberg對兩個螺旋槳呈前后布置的形式進行了試驗，試驗結(jié)果表明：當兩個螺旋槳距離越靠近，干擾問題就越嚴重，尾流會在相當大的范圍內(nèi)對下游螺旋槳產(chǎn)生影響，在16倍直徑距離處，推力損失仍達1/4左右。當螺旋槳置于平板下時，螺旋槳尾流的最大速度偏向平板，從而降低下游推力器的平均入流速度，并減少推力損失。當上游螺旋槳改變角度或距離以避免其尾流對下游螺旋槳的直接沖擊，干擾問題可以得到改善，Nienhuis和Lehn的試驗結(jié)果都證明了這點，他們對不同角度和不同距離進行了試驗，試驗結(jié)果表明：改變角度能夠大大改善推力損失，尤其是當兩槳之間距離較大時。

推力減額研究介紹

艦船動力定位時，側(cè)推器受到海流的影響，當海流的流速和流向不同時，側(cè)推器產(chǎn)生的推力與其在靜水中的推力不同。為了正確估算所需側(cè)推裝置功率的大小，需確定側(cè)推器受不同流速、流向影響時的推力減額。查閱國內(nèi)外資料，未見相關(guān)側(cè)推裝置在不同流速、流向下推力減額的研究成果。

在上海交通大學海洋工程國家重點實驗室進行了側(cè)推裝置推力減縮試驗研究，研究方案為：制作相應(yīng)比例的船模和側(cè)推螺旋槳，將側(cè)推器固定安裝在船模的隧道中，側(cè)推器由電動機驅(qū)動。將船模固定在拖車上，通過改變船模與拖車的角度以及拖車的速度，來模擬不同的流速和流向。首先測量側(cè)推器全負荷工況下在靜水中的推力和扭矩，并以達到要求推力時的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速。然后測量不同流速和流向下推力器全負荷（額定轉(zhuǎn)速）工況下的推力和扭矩，以確定側(cè)推器在不同流速流向時的推力減縮系數(shù)。

在該模型試驗中，試驗和分析所采用的隨船坐標系O-XYZ如圖3所示。隨船坐標系的原點位于船模的中心處。圖中箭頭表示試驗中的來流方向。來流方向由船首自0°開始沿逆時針方向，共360°。安裝在隧道中的螺旋槳安放在船的中縱剖面的位置上，葉面朝向左舷，故螺旋槳所受的推力方向指向右舷。

推力減額側(cè)推系統(tǒng)和船舶模型概述

試驗用螺旋槳模型的大小為D = 0.12 m，而實船的螺旋槳的尺寸為2.1 m，故采用的實船模型縮尺比為17.5。所有的模型均按照該縮尺比制作。

Z 型側(cè)推系統(tǒng)主要由螺旋槳、動力部件、測力部件等組裝完成。其基本部件組成見圖4。

側(cè)推裝置額定推力不小于150 kN（即1 000 kW ×0.15 kN/kW），螺旋槳直徑D 為 2 100 mm。試驗時，從備用槳中選取螺旋槳AU4作為試驗用槳。該槳的直徑D為 120 mm（相應(yīng)的模型縮尺比為 2 100/120=17.5），螺距比（H / D） 為0.75，盤面比（A / Ad）為0.6。

側(cè)推系統(tǒng)由1臺稀土直流電機驅(qū)動。電動機最大功率250 W、輸入電壓90 V、最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min、最大扭矩1.67 N·m、最大電流3.7 A，直流電機的轉(zhuǎn)速由數(shù)字轉(zhuǎn)速表控制，控制精度為±1.0 r/min。

由于側(cè)推系統(tǒng)采用Z型齒輪傳動，故無法直接采用自航動力儀來測量推力，因此試驗中僅用自航動力儀測量扭矩，而由固定螺旋槳垂向傳動軸的測力天平來測量螺旋槳上的推力。在自航儀和螺旋槳的傳動軸之間采用柔性連接結(jié)合。這樣既可以將自航儀的扭矩傳遞到螺旋槳上驅(qū)動螺旋槳的轉(zhuǎn)動，同時避免將螺旋槳的推力傳遞到自航動力儀上，使螺旋槳的推力完全施加在測力天平上，從而保證螺旋槳推力的正確測量。

自航儀最大測量扭矩±147 N·cm，推力和扭矩短時過載25%，最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min。測力天平的量程為98 N。試驗?zāi)Ｐ屯耆勒招途€圖數(shù)據(jù)木制，并滿足相應(yīng)的精度。其吃水通過添加和改變船模內(nèi)壓載的質(zhì)量和位置進行調(diào)整，以達到規(guī)定的要求。船首部的側(cè)推孔隧道采用厚壁有機玻璃管制作，隧道內(nèi)表面經(jīng)過精車加工。

推力減額（無槳）船模隧道內(nèi)的流速測量

當船模遭遇不同流向和流速的來流時，測量其在隧道內(nèi)的流速。采用葉輪式流速計測量隧道內(nèi)的流速。葉輪式流速計呈圓柱狀，直徑約6 mm、長約5 mm，流速計的測量位置距螺旋槳中軸線R / 2（R為螺旋槳半徑），距離船舶的中縱剖面4.0 cm（相當于實船0.7 m），位于螺旋槳的葉背一側(cè)處。隧道內(nèi)流速測量的結(jié)果見圖5和圖6。

從圖5可以看出，當來流方向為0°和180°（即艏部或艉部來流）時，隧道內(nèi)流速較小；當背景流速達到3 kn（1.543 2 m/s）時，隧道內(nèi)流速最高才0.348 m/s，僅為背景流速的22.55%；而當來流方向為90°和270°時，隧道內(nèi)流速明顯大于外界背景流速，尤其來流方向為270°、背景流速3 kn時，隧道內(nèi)的流速比外界流速高51.31%。

推力減額（有槳）船模隧道內(nèi)流速的測量

當安裝螺旋槳的船模遭遇不同流向和流速的來流時，測量其在隧道內(nèi)流速，流速計的測量位置同前。由于考慮到在葉片的后面和葉片間隙的后面測量的流速會有所不同，因此分別進行了以上兩個位置的流速測量，流速測量的結(jié)果見圖7和圖8。

從圖7可以看出，當隧道內(nèi)有槳（n = 0）時，隧道中的流速小于無槳時隧道內(nèi)流速。當來流經(jīng)由槳背流入（順流）時，槳前的流速比較均勻，槳葉和槳隙的流速相差不大；而當來流經(jīng)由槳面流入（逆流）時，槳前的流速比較紊亂，位于槳前（槳背）處的槳葉和槳隙的流速相差比較大，顯示流經(jīng)過槳后比較紊亂，分布不再均勻了。

推力減額全負荷工況下的試驗測量

測量當安裝螺旋槳的船模在靜水中和遭遇不同流向和流速的來流時，側(cè)推裝置全負荷運轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為1 220 r/min）時，螺旋槳推力和扭矩變化。

經(jīng)過試驗測得，該側(cè)推系統(tǒng)（n = 1 220 r/min）在靜水中的敞水推力為27.773 N（模型值），扭矩為36.995 N·cm（模型值），換算到實船為152.57 kN，35.56 kN·m。

安裝到隧道內(nèi)以后，該側(cè)推系統(tǒng)（n = 1 220 r/min）在靜水中的推力為20.54 N（模型值），扭矩為29.321 N·cm（模型值），換算到實船為112.838 kN，28.19 kN·m。可見，安裝到隧道內(nèi)以后，螺旋槳在相同轉(zhuǎn)速下的推力、扭矩和功率都有所下降。

在不同流向和流速的來流中，相同轉(zhuǎn)速（n = 1 220 r/min）的螺旋槳的推力和扭矩見圖9和圖10中所示。 從圖中可以看出：

（1）螺旋槳在安裝到隧道內(nèi)后，相同轉(zhuǎn)速時推力和扭矩都有所下降。

（2）除了個別角度，推力和扭矩都隨來流流速的上升而下降。

（3）當來流改變時，推力的變化比扭矩的變化更大。

（4）當來流在180°～360°間變化時（此時水流從葉背流入，即順流），推力和扭矩隨流向而變化，但比較緩和。

（5）當來流在 0°～180°間變化時（此時水流從葉面流入，即逆流），推力和扭矩隨流向變化比較劇烈；在90°～180°間，推力下降比較明顯（此時的水流由船尾左舷流入）。

推力減額分數(shù)不能直接進行測量。它必須做船模拖曳試驗求出阻力R和做螺旋槳自航試驗求出螺旋槳推力T。通常不可能在正好相同的速度下測出R和T。因此必須畫出R和T曲線，并根據(jù)這些曲線就可計算推力減額分數(shù)

這種方法可用在單螺旋槳船上，也可用在螺旋槳布置對稱于船中心平面并且船是對稱的雙槳船上。如果不是這種情況和如果船上有三個以上螺旋槳時，由船模試驗不可能估算出每個槳的推力減額分數(shù)，只能求出一個平均值。通過做船模試驗估算出推力減額分數(shù)各個分量這也是不可能的。

在真正的勢流中(見圖3上部分)不發(fā)生能量交換。在真正勢流中，使一固體克服力R以速度V 運動所需要的能量一定等于螺旋槳發(fā)出的能量：

式中T是螺旋槳推力，V_A是螺旋槳進速。重新整理上等式可得到

和

因此

象在很多雙槳船上那樣，只要螺旋槳離開摩擦帶，推力減額分數(shù)差不多就和伴流分數(shù)值相同。

由下面所述可得出摩擦推力減額分數(shù)的意義。有一假想固體(見圖3中部)，它由若干彼此同心的很薄的圓柱平板所組成，并在流體中(例如水中)沿軸向移動，產(chǎn)生一真正的粘性流動，勢流可不計。而且，用一同軸螺旋槳推動該固體。雖然該系統(tǒng)前方流體處于靜止，由于和固體摩擦，流體獲得相當速度。結(jié)果固體正后方的水獲得一定量的動能?？柯菪龢饔檬顾谙喾捶较蚣铀佟Ｒ虼?，阻力增加，這表示對推進來說需要的推力一定要增加。所以，推力減額分數(shù)將有一正值。

在船尾處的波系將受到螺旋槳作用的影響（見圖3下部）。由于這樣，船的興波阻力將變化，這樣就可解釋波浪推力減額分數(shù)。

螺旋槳對船的影響表現(xiàn)為推力減額。在船后工作的螺旋槳對尾部船體表面的水流有抽吸作用，使尾部船體表面的水流速度增加、壓力下降，如圖1所示。這種尾部壓力下降引起的船體阻力增加量稱作阻力增額。這部分阻力增加量是由螺旋槳工作引起的，故將它理解為螺旋槳推力減小量，分配到每個槳上的這種推力減小量即稱為推力減額，記作△T。按推力減額的概念，在船后工作的螺旋槳作用下的艦船阻力不發(fā)生變化，只是螺旋槳本身的推力損失了一部分。記入推力減額后的螺旋槳推力稱為有效推力，有時也稱為船后槳推力，記作T_E。有效T_E與敞水槳推力T之間的關(guān)系為

R為船體阻力?！鱐與T的比值稱為推力減額分數(shù)，記作t，即

于是有效推力表示為

各種艦船的推力減額分數(shù) t 如圖2所列。