螺旋桨图谱课程设计天津大学仁爱学院 姓名：陈旭东 学号：6010207038 专业：船舶与海洋工程 班级：2班 日期：2013.6.30
螺旋桨图谱课程设计 一．已知船体的主要参数 船 型：双机双桨多用途船 总 长: L=150.00m 设计水线长: WL L =144.00m 垂线 间长: PP L =141.00m 型 深: H=11.00m 设计 吃水: T=5.50m 型 宽: B=22.00m 方形 系数: B C =0.84 菱形 系数: P C =0.849 横剖面系数: M C =0.69 排水 量: ?=14000.00t 尾轴距基线距离: P Z =2.00m 二．主机参数 额定功率: MCR=1714h 额定转速: n=775r/min 齿轮箱减速比: i=5 旋向: 右旋 齿轮箱效率: G η=0.97 三．推进因子的确定 伴流分数 ω=0.248 ;推力减额分数 ; t=0.196 相对旋转效率 R η=1.00 ;船身效率 ;H η=11t ω --=1.0691 四．可以达到最大航速的计算 采用MAU 四叶桨图谱进行计算。 取功率储备为10% ，轴系效率S η=0.97 ，螺旋桨转速N=n/i=155r/min 螺旋桨敞水收到马力：D P = 1714 * 0.9 * S η*R η*G η =1714 * 0.9 * 0.97*1.00*0.97 =1451.43 (hp) 根据MAU4-40、MAU4-55、MAU4-70的P B δ-图谱列表计算如下：
项目 单位 数值 假定航速V kn 11 12 13 A V =(1-ω)V kn 8.27 9.02 9.78 0.5 2.5/P D A B NP V = 30.024 24.166 19.742 P B 5.479 4.916 4.443 MAU4-40 δ 65.4 59.732 54.377 P/D 0.692 0.728 0.764 0η 0.613 0.632 0.66 TE P =2D P ×H η×0η hp 1902.4 1961.38 2048.28 MAU4-55 δ 64 58.2 53.535 P/D 0.738 0.778 0.80 0η 0.588 0.614 0.642 TE P =2D P ×H η×0η hp 1824.83 1905.61 1992.41 MAU4-70 δ 63.3 57.4 52.8 P/D 0.751 0.796 0.842 0η 0.565 0.582 0.607 TE P =2D P ×H η×0η hp 1753.45 1806.21 1883.79 根据上表中的计算结果可以绘制TE P 、δ、P/D 及0η对V 的曲线，如图1所示。
274 第四章 螺旋桨模型的敞水试验 螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。 螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是： 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。现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。 ② 根据系列试验的结果，可以系统地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，并为改善螺旋桨性能指出方向。 ③ 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。 螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。 § 4-1 敞水试验的相似条件 从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。 研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩)与直径D (代表螺旋桨的大小)、转速n 、进速V A 、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加速度g 有关。换言之，我们可用下列函数来表示推力T 和各因素之间的关系，即 T = f 1(D ，n ，V A ，ρ，ν，g )， 为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作： T = k D a n b c A V ρ d ν e g f (4-1) 式中k 为比例常数，a 、b 、c 、d 、e 、f 均为未知指数。 将(4-1)式中各变量均以基本量(即质量M 、长度L 、时间T )来表示，则得： 2T ML ＝f 2e 2 d 3c b a 1?? ? ????? ????? ????? ????? ??T L T L L M T L T kL
螺旋桨概述 1.概念 1.1结构 图1 螺旋桨示意图 图2 螺旋桨结构 螺旋桨由桨叶、浆毂、、整流帽和尾轴组成，如上图所示。 滑失：如果螺旋桨旋转一周，同时前进的距离等于螺旋桨的螺距P，设螺旋桨转速为n，则理论前进速度为nP。也就是说将不产生水被螺旋桨前后拨动的现象，然而事实上，螺旋桨总是随船一起以低于nP的进速V s对水作前进运动。那么螺旋桨旋转一周在轴向上前进的实际距离为h p（＝V s/n），称为进距。于是我们把P与h p之差（P－h p）称为滑失。 滑失与螺距P之比为滑失比： S r＝（P－h p）/P＝（nP－V s）/nP＝1－V s/nP
式中V s/nP称为进距比。 从式中可以得出，当V s＝nP时，S r＝0。即P＝h,也就是螺旋桨将不产生对水前后拨动的现象，螺旋桨给水的推力为零。 因此我们可以得出结论：滑失越大，滑失比越高，则螺旋桨推水的速度也就越高，所得到的推力就越大。 1.2工作原理 船用螺旋桨工作原理可以从两种不同的观点来解释，一种是动量的变化，另一种则是压力的变化。在动量变化的观点上，简单地说，就是螺旋桨通过加速通过的水，造成水动量增加，产生反作用力而推动船舶。由于动量是质量与速度的乘积，因此不同的质量配合上不同的速度变化，可以造成不同程度的动量变化。 另一方面，由压力变化的观点可以更清楚地说明螺旋桨作动的原理。螺旋桨是由一群翼面构建而成，因此它的作动原理与机翼相似。机翼是靠翼面的几何变化与入流的攻角，使流经翼面上下的流体有不同的速度，且由伯努利定律可知速度的不同会造成翼面上下表面压力的不同，因而产生升力。而构成螺旋桨叶片的翼面，它的运动是由螺旋桨的前进与旋转所合成的。若不考虑流体与表面间摩擦力的影响，翼面的升力在前进方向的分量就是螺旋桨的推力，而在旋转方向的分量就是船舶主机须克服的转矩力。 1.3推力和阻力 以一片桨叶的截面为例：当船艇静止时，螺旋桨开始工作，把螺旋桨看成不动，则水流以攻角α流向桨叶，其速度为2πnr（n为转速；r为该截面半径）。根据水翼原理，桨叶要受升力和阻力的作用，推动螺旋桨前进，即推动船艇前进。船艇运动会产生顶流和伴流。继续把船艇看成不动，则顶流以与艇速大小相等，方向相反的流速向螺旋桨流来，而伴流则以与艇速方向相同，流速为u r向螺旋桨流来。通过速度合成，我们可以得到与螺旋桨成攻角α，向桨叶流来的合水流。则桨叶受到合水流升力dL和阻力dD的作用，将升力和阻力分解，则得到平行和垂直艇首尾线的分力：
基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计 利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。 标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计 Abstract：The model of marine propeller is processed by UG software，and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly，the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed，and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally，the optimized bracing scheme is determined，and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining. Keywords：ANSYS finite element analysis；propeller modal analysis；optimal design 螺旋槳是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。目前，螺旋桨的设计技术我国已达到领先水平，但是加工制造技术还存在较大差距。我国对于船用螺旋桨现阶段的加工一直采用手工打磨的方式，其工作环境差，对工人的身体有很大损伤，并且效率低下，精度也难以控制。为了解决这一问题，我国一些学者正在研究利用机器人进行螺旋桨铣削加工的工艺系统，其具有较多的优势。研究发现，铣削加工中的振动一直是影响加工质量的主要因素，所以，针对螺旋桨的振动模态分析是研究的重点内容。本文主要利用有限元分析软件ANSYS对一种型号的船用螺旋桨进行模态振型分析，通过施加约束条件分析使用支撑时的模态变化，寻找优化的支撑方法。 1 模型处理 利用三维建模软件UG对现有的螺旋桨设计模型进行简单处理，避免在后续有限元分析时遇到的一些问题。如图1所示为螺旋桨的设计模型，直径3300mm，在叶梢位置由于建模方法的原因，存留有没有闭合的曲线，对后续有限元的网格划分会带来影响，所以，利用一直径为3290mm的同心圆柱面截取设计模型，截去叶梢的尖角部分，对模型整体模态的影响可以忽略不计，处理如图2所示。另外，根据螺旋桨的结构特点，靠近桨毂部分结构较复杂，靠近叶梢部分结构简单，所以为了在后续的单元划分时保证较高精度的同时又花费较少时间，在模型处理时将螺旋桨分割为两部分实体，一部分是包含桨毂，另一部分包含叶片。最后将处理完成的模型导出x_t格式文件，以便ANSYS软件导入。
8.4.1 对转螺旋桨敞水试验技术 敞水试验是研究螺旋桨在均匀流场中的工作特性。敞水试验的目的是： （1）进行系列模型桨试验，建立螺旋桨设计图谱； （2）研究螺旋桨的不同几何特性参数对其水动力性能的影响，为改进设计和优化设计提供试验数据； （3）提供模型自航试验和实雷推进性能预报必要的敞水性证曲线。 一、试验方法和试验设备 螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数J。雷诺数、弗氏数、相对潜深都属于 限制参数。为了消除自由液面的影响(兴波和吸气)，螺旋桨的轴线潜深应大于或等于一个桨径。为了避免严重的粘性尺度效应，桨模雷诺数要求大于某一临界值，这一点在下文将作专门讨论。 试验方法有二种： (1)固定进速（拖车速度不变）、改变螺旋桨转速，此方法称等速度法； (2)固定螺旋桨转速，改变进度（变化拖车速度），此方法称等转速法。 目前使用的敞水试验装置有二种结构形式：一种是扁舟式敞水箱。螺旋桨动力仪、换向和减速齿轮箱、电机等安装在箱体内，驱动螺旋桨的空、实轴伸出箱体外，为减小箱体对螺旋桨流动的影响，螺旋桨与箱体之间的轴向距离要求大于2—3倍桨直径。另一种是炮弹式敞水试验装置。其外型为流线型圆柱体，类似于炮弹形状。动力仪及驱动螺旋桨的传动轴系安装在圆柱体内。圆柱体上方有一空心的弓形剖面的支杆一直伸到水面上，安放在水面上的电机通过直角传动机构驱动螺旋桨轴转动。这种结构形式的优点是对螺旋桨流动的干扰影响小，另外可以允许增大潜深，提高车速。 敞水试验的主要测量仪器是螺旋桨动力仪。中国船舶科学研究中心水池用于正、反转螺旋桨敞水试验的动力仪有变磁阻式空、实轴螺旋桨动力仪、电阻应变式多功能螺旋桨动力仪。螺旋桨转速由光电式或磁电式速度仪测量。图8-8是鱼雷对转桨试验装置的示意图。 图8-8 鱼雷对转桨试验装置示意图 1- 内轴；2-外轴；3-空心万向轴节； 4-空心动力仪；5-换向齿轮箱；6，7-万向联轴节 8-减速齿轮箱；9-光电测速仪；10-电机。 二、敞水试验数据表达 敞水试验测量的数据有：前桨推力、前桨扭矩、后桨推力、后桨扭矩；螺旋桨 转速n、拖车速度。 为了便于比较分析，通常均以前桨直径无因次化。 前桨推力系数
水工结构静力模型实验指导书 河海大学 一、课程性质和目的： （1）水工结构模型试验 所谓水工结构模型试验就是将原型以某一比例关系缩小成模型，然后向该模型施加与原型相关的荷载，根据从模型上获得的信息如应变位移等，通过一定的相似关系推出原型建筑物在应力、变形强度等成果。 （2）进行水工结构模型试验的目的和意义 水工建筑物因其受力特征、几何形状、边界条件等均较复杂，特别是修建在复杂地基上建筑物更为如此，尽管计算机技术和空间有限元等正迅速发展，但目前还不能用理论分析方法完美地解决建筑物的稳定和应力问题，因此模型试验作为一种研究手段则具有重要的意义，可归纳成如几个方面： 1．通过对水工建筑物的模型试验研究可以验证理论设计，国内外大型和重要的水工建筑物的设计，都同时要求进行计算分析和试验分析，以期达到互相验证的目的。 2．通过对原型结构的模拟试验，预测水工建筑物完建后的运行情况以及抵御事故的能力。 3．由于物理模型是对实际结构性态的模拟，在模型上还有可能出现原先未知而又实际存在的某些现象，因此模型试验研究不仅仅是对数理分析方法的验证，而且是获得更丰富切合实际的资料的积极探索，所以进行水工结构模型试验目的也是更好地探索新理论、新材料、新技术、新工艺的一种手段。 （3）结构模型试验研究的主要内容： a.大型水工建筑物的整体应力及变形问题。 b.结构物之间的联合作用问题。 c.地下结构的应力与稳定问题。 d.大坝安全度及破坏机理问题。 e.水工结构的动力特性问题。 f.验证新理论、新方法、新材料、新工艺等。 （4）模型试验的分类方法 ①按建筑物的模拟范围和受力状态分类 a.整体结构模型试验：研究整体建筑物在空间力系作用下的强度或稳定问题。 b.平面结构模型试验：研究结构单位长度断面在平面力系作用下的强度和稳定问题，如重力坝坝段平面结构模型试验就是研究重力坝在水荷载作用下的应力和变形。 c.半整体结构模型试验： ②按作用荷载特性分类 a.静力结构模型试验：研究水工建筑物在静荷载（静水压力、自重、温度等）作用下
空气螺旋桨把发动机旋转作功形式转变为直线作功形式；把发动机的功率转变为拉动飞机前进的有效功率。它的工作效率及与发动机有配合程度，直接影响模型飞机的性能。在航模竞技比赛中，出于追求动力组极限水平的需要，对螺旋桨的要求更为“苛刻”；因此以“量体裁衣”手工方式制作螺旋桨的好处显而易见。航模初学者能够扎实地掌握这一手艺很有必要。 本文以一个直径（D）200mm、几何桨距（H）120mm的两叶等距螺旋桨（适用于装有1.5cc 压燃式发动机或2.5cc电热式发动机的特技模型飞机）为例，介绍削制螺旋桨的方法。一、螺旋桨的一些基础概念 当我们把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼时，就能借助已知的空气动力学常识，直观地理解螺旋桨的基本工作原理。 1．桨距、动力桨距和几何桨距 桨距：从广义而言，可以理解为螺旋桨旋转一周沿桨轴方向所通过的直线距离。习惯上螺旋桨70%半径处的桨距值为“称呼值”，它具有标示意义。 动力桨距（Hg）：桨叶旋转一周模型飞机所通过的距离（见图1）。设计螺旋桨时首先要确定动力桨距值。 几何桨距：（H）：桨叶弦线迎角为零时，螺旋桨旋转一周所前进的距离（也见图1）。它体现了桨叶角的实际大小，是“看得见、摸得着”的实际参数。航模图纸上一般都标出几何桨距，是消制螺旋桨的主要依据。 2．动力桨距和几何桨距的关系 由于螺旋桨工作在接近于有利迎角下，与零度迎角之间的角差的存在，因此动力桨距值必然小于几何桨距值。几何桨距和动力桨距的关系是：几何桨距（H）= 1.1 ~ 1.3倍动力桨距（Hg）。也就是说，设计模型飞机时，动力桨距确定后，可以通过上述公式概略估算出螺旋桨的几何桨距。 3．通常使用的螺旋桨是各段几何桨距值相等的所谓等距桨。它的优点是设计、制作比较容易；缺点是工作效率劣于不等距桨。由于不等距桨各段的几何桨距值和桨角均不一样，尽管其效率高，但制作的难度大。故初学者从削等距桨起步较为稳妥。 4．桨叶角（β）：桨叶角是指桨叶剖面弦线与旋转平面之间的夹角。 5．几何桨距和桨叶角的关系 几何桨距和桨叶角直接关联，是同一个问题的两种表达方式。几何桨距强调的是总体，桨叶角强调的是局部。就等距螺旋桨而言，桨叶角随其在螺旋桨半径方向上所处位置的不同而异；随着由桨根到桨尖方向的逐渐位移，桨叶角渐渐有规律地减小。（图2）
螺旋桨公式 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数
。 , , ——摘自 2005年第三期航空模型 如何确定模型发动机螺旋桨基本参数 刘文智 近来, 市售的模型发动机的螺旋桨以及相应的各种发动机日益增多, 使爱好者选择的地域不断扩大, 枝致使自制螺旋桨者越来越少。对于某种发动机所适用的螺旋桨, 常用其直径和螺距来表示。例如:在 25级运动机上, 将直经 254mm , 桨距 127mm 的螺旋桨表示为 D254×H127。使用市售商品螺旋桨,可按发动机的说明书来选择;若自制螺旋桨,对于 D254×H127这样一组数据, 其直径可知为 254mm ; 而桨叶角侧可用“桨叶角与桨距直径比的关系曲线图”得到。 为弄清上述关系,就需先了解一下螺旋桨的相关结构。螺旋桨的旋转平面称为旋转面; 桨叶叶各刨面的旋线与桨的旋转面之间的夹叫交,称为桨叶角。为了产生(拉力,螺旋桨桨叶的各个剖面被做成型翼座; 各翼型(弦线与旋转面之间的夹角就是浆叶角。飞行中螺旋桨旋转时,其桨叶的各个剖面与飞机一同做前进运动,这是螺旋桨叶做前进和旋转的合成运动,使螺旋桨前进。 桨叶旋转一周, 各剖面前进方向所通过的距离相同; 但螺旋桨桨叶个剖面的旋转运动距离相同; 叶尖最大, 向叶根逐渐变小; 从而使螺旋桨降叶各剖面的合成运动的距离和方向也不相同。为更好发挥螺旋桨工作效率, 其桨叶各剖面弦线须与其合成运动方向一致, 这就使螺旋桨桨叶成扭曲壮使桨叶角随半径而变化。如图所示75%、 50、%、 25%桨叶处的桨叶数值。在螺旋桨的根步(25%以内 ,由于发动机和机身的影响,拉力损失很大;在叶尖部分,由于“翼尖涡流”而产生的诱导阻力,也造成较大的拉力损失。 根据飞模型飞机的经验, 把发动机装在机身后, 可提高螺旋桨的工作效率; 这是因为螺旋桨后面无障碍物,从而推力损失减小了。这种布局,可使模型飞机的速度提高 10%左右。螺旋桨产生推(拉力效率最佳处,位于桨叶的 75%处附近。所以,螺旋桨的桨距就选用 75%R 出的桨距来代表;称其为名义桨距。
第四章螺旋桨模型的敞水试验 螺旋桨模型单独地在均匀水流中的试验称为敞水试验，试验可以在船模试验池、循环水槽或空泡水筒中进行。它是检验和分析螺旋桨性能较为简便的方法。螺旋桨模型试验对于研究它的水动力性能有重要的作用，除为螺旋桨设计提供丰富的资料外，对理论的发展也提供可靠的基础。 螺旋桨模型敞水试验的目的及其作用大致是： 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。现时各类螺旋桨的设计图谱都是根据系列试验结果绘制而成的。 ②根据系列试验的结果，可以系统地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，并为改善螺旋桨性能指出方向。 ③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。 螺旋桨模型试验的重要性如上所述，但模型和实际螺旋桨形状相似而大小不同，应该在怎样的条件下才能将模型试验的结果应用于实际螺旋桨，这是首先需要解决的问题。为此，我们在下面将分别研究螺旋桨的相似理论以及尺度作用的影响。 §4-1 敞水试验的相似条件 从“流体力学”及“船舶阻力”课程中已知，在流体中运动的模型与实物要达到力学上的全相似，必须满足几何相似、运动相似及动力相似。 研究螺旋桨相似理论的方法甚多，所得到的结果基本上是一致的。下面将用量纲分析法进行讨论，也就是用因次分析法则求出螺旋桨作用力的大致规律，然后研究所得公式中各项的物理意义。可以设想，一定几何形状的螺旋桨在敞水中运转时产生的水动力(推力或转矩) 与直径D(代表螺旋桨的大小)、转速n、进速V A、水的密度ρ、水的运动粘性系数ν及重力加 速度g有关。换言之，我们可用下列函数来表示推力T和各因素之间的关系，即 T = f1(D，n，V A，ρ，ν，g)， 为了便于用因次分析法确定此函数的性质，将上式写作： T = k D a n b c A Vρd νe g f(4-1)式中k为比例常数，a、b、c、d、e、f均为未知指数。 274
直升机螺旋桨升力计算公式 直升机螺旋桨升力计算公式 一般直升机的旋翼系统是由主旋翼.尾旋翼和稳定陀螺仪组成，如国产直－8，直－9。也有共轴反旋直升机，主旋翼是上下两层反转螺旋桨，无尾翼，如俄罗斯的卡－28。 1.现在的直升机螺旋桨（叫旋翼）的桨叶是由碳纤维和玻璃钢纤维与复合材料制造而成。 有一定的弹性，不转时，桨叶略有下垂弯曲。当螺旋桨旋转时，由于离心力的原理，桨叶会被拉直。打个比方，我们看杂技“水流星”吧，两只水碗栓在一根绳子两端，放着不动时，绳子是支持不了水碗的，当旋转起来后，我们看到水碗和绳子象直线一样， 空中飞舞。 2.直升机的主螺旋桨是怎么支撑飞机的重量？这个问题就是直升机的飞行原理：（以一般直升机为例）直升机能在空中进行各种姿态的飞行，都是由主旋翼（你讲的螺旋桨） 旋转产生的升力并操纵其大小和方向来实现的。升力大于重量时，就上升，反之，就下降。 平衡时，就悬停在空中。直升机的升力大小，不但决定于旋翼的转速， 而且决定于旋翼的安装角（又称桨叶角）。升力随着转速.桨叶角的增大而增大； 随着转速.桨叶角的减小而减小。直升机在飞行时，桨叶在转每一圈的过程中， 桨叶角都是不同的；而且，每片桨叶的桨叶角也是不同的。这才使直升机能够前. 后仰， 左.右倾，完成各种姿态。直升机尾旋翼的转速和桨叶角的变化同主旋翼原理相同，控制直升机的左转弯.右转弯和直飞。不管天空有风无风，直升机要稳定飞行， 不变航向，也要靠稳定陀螺仪控制尾旋翼来完成。总之，直升机旋翼系统非常复杂，我只讲直升机空中姿态变化与旋翼的关系。 １，直接影响螺旋桨性能的主要参数有： a.直径D——相接于螺旋桨叶尖的圆的直径。通常，直径越大，效率越高， 但直径往往受到吃水和输出转速等的限制； b.桨叶数N; c.转速n——每分钟螺旋桨的转数； d.螺距P——螺旋桨旋转一周前进的距离，指理论螺距； e.滑失率——螺旋桨旋转一周，船实际前进的距离与螺距之差值与螺距之比； f.螺距比——螺距与直径的比（P/D），一般在0.6~1.5之间；一般地说来，高速轻载船选取的值比较大，低速重载的船选取的值比较小； g.盘面比——各桨叶在前进方向上的投影面积之和与直径为D的圆面积之比。通常，高转速的螺旋桨所取的比值小，低速、大推力的螺旋桨所取的比值大。例如，拖轮的螺旋桨盘面比大于１.2甚至更大的情况也不少见； 机翼升力计算公式 升力L=1/2 *空气密度*速度的平方*机翼面积*机翼升力系数（N） 机翼升力系数曲线如下注解：在小迎角时曲线斜率是常数。
水工建筑渗流实验指导书及报告 （水工13级） 班级： 学号： 姓名： 三峡大学水利与环境学院 2016年5月
土坝渗流缝隙槽模型实验（1） 土坝渗流缝隙槽模型实验是利用粘性液体在模型的坝断面与平板间狭窄缝中流动，能很好显示出层流运动特性，来模拟土坝中渗流。 一、实验目的 1．通过实验，找出土坝浸润线的位置坐标，并与理论计算成果相比较； 2．观察水位变化时，浸润线位置的变化情况； 3．观察流动的流线状态及其特性，并对层流运动得到进一步的感性认识。 二、实验原理 粘性液体在狭窄缝隙中流动时，形成层流，且符合达西定律，用此来模拟土基中的渗流，粘性流在缝隙中流动的平均流速为 ds dh K V m m -= 式中：m K —缝隙槽的透水系数，决定于缝隙宽度和粘滞性的常数， V ga K m 3/2= a ——缝隙的半宽； V ——液体的运动粘滞系数； g ——重力加速度； dh ——沿流动方向ds 距离上的水头损失。 三、实验步骤 实验设备及装置由实验课中讲述。实验步骤如下： 1．每人准备一张方格纸，大小为75cm ×25cm ； 2．熟悉实验设备，并做好实验前的分工准备工作； 3．用方格纸按比例绘制好与模型相似的土坝模型图，见附图； 4．打开电源开关，调节进库液体流量，向缝隙模型槽内充液到固定液位，使上游保持溢流状态，下游也开始溢流时，即形成了稳定的水面； 5．将有染色液体的细金属管分别放在坝面的液面高程和其他任一高程上，即可观察出流动的浸润线和流线，此时可将浸润线的坐标记录下来（在正面的有机玻璃板上有方格，计数方格确定坐标）。
四、附图 均质坝（模型尺寸）单位：厘米原模比：1：100 五、思考并回答下列问题 1．为什么上、下游液位要保持始终有溢流？ 答： 2．流线具有哪些特点，它分布的疏密程度说明了什么？ 答： 3．在试验中浸润线和流线与上游边坡线交角是否相同？为什么？答：
模型飞机螺旋桨原理与拉力计算 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n —螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数
SHIP ENGINEERING 船舶工程Vol.36 No.1 2014 总第36卷，2014年第1期深潜器等厚导管螺旋桨敞水性能计算分析 刘可峰1, 2，姚宝恒1，连琏1 （1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003） 摘 要：利用三维设计软件系统SolidWorks对No.37+Ka4-70导管螺旋桨进行了三维实体建模，并对某深潜器使用的No.37导管外形进行了等厚处理。利用计算流体力学软件Fluent对两组导管螺旋桨模型进行了敞水数值模拟，得到了导管螺旋桨的推力，扭矩及其效率，并与图谱数据对比，证明了数值方法的有效性。比较数据分析了No.37导管等厚变化对ROV推进性能的影响，总结了No.37+Ka4-70等厚导管螺旋桨的优缺点。 关键词：深潜器；导管螺旋桨；等厚导管；敞水性能；Fluent 中图分类号：U664.34 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2014) 01-0037-04 Calculation and Analysis of Open Water Performance for Submersibles Identical Thickness Ducted Propellers LIU Ke-feng1, 2, Y AO Bao-heng1, LIAN Lian1 (1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang city 212003, Jiangsu province, China) Abstract: The duct outline of ducted propeller No.37+Ka4-70 was altered for submersibles after building its 3D model with the 3D CAD software system SolidWorks in the article, their open water hydrodynamics feature was simulated and analyzed by using Fluent software. When comparing with the propeller chart, it shows that the numerical method is effective. The thrust force, torque, related coefficient and efficiency were compared. Through calculation and analyses, the advantages and disadvantages of identical thickness ducted propeller No.37+Ka4-70 were summarized. Key words: submersible; ducted propeller; identical thickness duct; open water performance; Fluent 拖网渔船和拖轮等船舶在重载工况作业时，由于其螺旋桨载荷较重，若采用传统螺旋桨，往往效率较低，导管螺旋桨由于其在重载工况下的良好性能而在这类船舶上得到了大量的应用。导管螺旋桨是一种特种推进器，在20世纪30年代就开始了工程应用，它在普通螺旋桨的外围装上了一个套筒，其剖面形状一般为机翼型或是折角型，导管与其中的螺旋桨形成了一个整体工作，这时的流场与没有导管时将发生较大的变化。按照内部流场的变化情况，导管可以分为加速型导管和减速型导管。对于加速型导管，首先可以使螺旋桨盘面处的水流加速，使螺旋桨工作在较大的速度场，从而可以提高螺旋桨的效率。其次，由于导管出口处的面积逐渐扩大，尾流的收缩变小，使轴向诱导速度减小，也有助于提高螺旋桨的效率。最后，由于叶梢和导管的间隙很小，由叶面和叶背的压力差引起的绕流大大减小，其能量损失也就减小。正是由于这些原因，加速导管螺旋桨具有重载效率高，推力大等特点，对于功率系数B p较高的使用场合，采用它能达到较高的效率[1]。深潜器对系泊推力有较高的要求，其推力计算一般就设定在系泊工况下进行，功率系数B p往往很大，故深潜器选用加速导管螺旋桨能获得较好的推进性能。 国外发表的导管螺旋桨系列试验资料中，以荷兰船模试验池的No.19A+Ka和No.37+Ka系列导管螺旋 收稿日期：2013-07-09；修回日期：2013-09-15 基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2008AA092301-1） 作者简介：刘可峰（1978-），男，讲师。主要研究方向为船舶设计，潜器操纵与控制和水动力学应用。 DOI:10.13788/https://www.doczj.com/doc/cc4926304.html,ki.cbgc.2014.0010
一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数 直径(D)：影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋桨。 此外还要考虑螺旋桨桨尖气流速度不应过大(＜音速)，否则可能出现激波，导致效率降低。 二、桨叶数目(B)：可以认为螺旋桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正 比。超轻型飞机一般采用结构简单的双叶桨。只是在螺旋桨直径受到限制时，采用增加桨叶数目的方法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。 实度(σ)：桨叶面积与螺旋桨旋转面积(πR2)的比值。它的影响与桨叶数目的影响相似。随实度增加拉力系数和功率系数增大。
螺旋桨的定义及其效率计算 一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1＜r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β＝α+φ。 空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，见图1—1—19，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。 从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。 从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J＝V／nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算： T=Ctρn2D4 P=Cpρn3D5 η=J·Ct/Cp 式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J 变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。 从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米／小时，发动转速为6500转／分时，η≈32％。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。 二、几何参数 直径(D)：影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋桨。此外还要考虑螺旋桨桨尖气流速度不应过大(＜0.7音速)，否则可能出现激波，导致效率降低。 桨叶数目(B)：可以认为螺旋桨的拉力系数和功率系数与桨叶数目成正比。超轻型飞机一般采用结构简单的双叶桨。只是在螺旋桨直径受到限制时，采用增加桨叶数目的方法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。 实度(σ)：桨叶面积与螺旋桨旋转面积(πR2)的比值。它的影响与桨叶数目
水轮机的模型试验 一、水轮机的模型试验的意义 前面讨论了水轮机相似的条件，这就从理论上解决了用较小尺寸 的模型水轮机，在较低水头下工作去模拟大尺寸和高水头的原型水轮 机。按相似理论，模型水轮机的工作完全能反映任何尺寸的原型水轮 机。模型水轮机的运转规模比真机运转规模小的多，费用小，试验方 便，可以根据需要随意变动工况。能在较短的时间内测出模型水轮机的全面特性。将模型试验所得到的工况参数组成单位转速11n和单位流 Q后，并分别以它们作为纵坐标及横坐标，按效率相等工况点连量11 线所得到的曲线图称为综合特性曲线。此综合特性曲线不仅表示了模 型水轮机的工作性能，同样地反映了与该模型水轮机几何相似的所有 不同尺寸，工作在不同水头下的同类型真实水轮机的工作特性。 水轮机制造厂可从通过模型试验来检验原型水力设计计算的结 果，优选出性能良好的水轮机，为制造原型水轮机提供依据，向用户 提供水轮机的保证参数。水电设计部门可根据模型试验资料，针对所 设计的电厂的原始参数，合理地进行选型设计，并运用相似定律利用 模型试验所得出的综合特性曲线，绘出水电站的运转特性曲线。为运 行部门提供发电依据，水电厂运行部门可根据模型水轮机试验资料， 分析水轮机设备的运行特性，合理地拟定水电厂机组的运行方式，提 高水电厂运行的经济性和可靠性。当运行中水轮机发生事故时，也可 以根据模型的特性分析可能产生事故的原因。
二、水轮机模型试验的方法 水轮机的模型试验主要有能量试验，气蚀试验，飞逸特性试验和轴向水推力特性试验等几种。由于篇幅所限，本教材主要介绍反击式水轮机的能量试验。反击式水轮机的汽蚀试验可参阅有关参考文献。 能量试验台分为开敞式试验台和封闭式试验台，封闭式试验台无需设置测流槽，故平面尺寸要比开敞式试验小，而且水头调节更加方便，但封闭式试验台投资较高。 1. 开敞式能量试验台 （1）开敞式能量试验台 水轮机效率是水轮机能量转换性能的主要综合指标，因此，模型水轮机的能量试验主要是确立模型水轮机在各种工况下的运行效率。水轮机的能量试验台如图3-4所示。它主要由下列装置组成。 1）压力水箱。压力水箱2是一个具有自由水面的大容积储水箱，试验时保持稳定的上游水位。水箱由水泵1供水，通过高度可调节的溢流板4控制一定的水位，多余的水可从溢流板顶部排至集水池14。水流通过静水栅3均匀而稳定地进入模型水轮机7。 图3-4 反击式水轮机能量试验台