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1、第五章 潜艇的快速性 为使潜艇具有所希望的快速性，需在潜艇上装备推进 器以吸收主机功率，发出推力，推动潜艇以一定航速前进。 目前应用最为广泛的潜艇推进器仍为螺旋桨推进器。因此， 它是潜艇推进问题的主要研究对象。 斯特林发动机是一种外部加热的连续燃烧发动机。它通过外 部燃烧的高温气体经加热管加热内部循环的工质（e.g.氦 气）。内部循环工质受热膨胀推动活塞做工，使得发动机输 出轴功率。 5.5 螺旋桨的几何形状 螺旋桨通常由若干个桨叶和桨毂构成，螺旋桨与尾轴联接部 分称为桨毂，桨毂是一个截头的锥形体。为了减小水阻力，在桨 毂后端加一整流帽，与桨毂形成一光顺流线形体，称为毂帽。桨 叶固定在桨毂上。
2、普通螺旋桨常为三叶七叶，二叶螺旋奖仅用 于机帆船或小艇上，现代潜艇多采用六叶或七叶螺旋桨。 韩国玉高级潜艇韩国玉高级潜艇 PBCF:螺旋桨毂帽鳍安装 在螺旋桨毂帽上，与螺 旋桨桨叶数目相同且一 起旋转的小鳍。是80年 代日本三井、西日本流 体技研和MIKADO螺旋桨 株式会社联合开发的一 种节能装置。 毂帽鳍通过对螺旋桨旋转产生的毂涡进行整流，回收其中的旋转动能，提 高螺旋桨推进效率，减弱毂涡，从而抑制毂涡空泡的产生，有利于降低螺 旋桨噪声。 对转螺旋桨与前面 的PBCF是两回事 对转螺旋桨是指一对分别装 在具有同一轴心的外轴和内 轴上的正反转推进装置。近 半个世纪以来，对转螺旋桨 这种推进方
3、式在鱼雷推进中 得到了广泛应用。 （1）对转螺旋桨使螺旋桨工作时所产生 的反力矩得到相互抵消，从而大大减小 了雷体的横滚现象。横滚现象的出现将 导致航向偏差。 （2）前、后桨相互干扰改变了前、后桨 的伴流分布和推力减额分数，从而提高 了“雷身效率”；对转螺旋桨比普通螺 旋桨可以提高815的效率。 （3）因为对转螺旋桨总的桨叶面积增大， 所以在吸收同样功率的情况下，其负荷 较单桨为低，有利于避免空泡的发生。 （4）在一定负荷下，与单桨相比，对转 螺旋桨的双桨大约减小15的直径。 5.5 螺旋桨的几何形状 由艇尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为 叶面，另一面称为叶背。桨叶与毂联接处称为叶根
4、，桨叶 的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称 为导边，另一边称为随边。 5.5 螺旋桨的几何形状 与螺旋桨共轴的圆柱面和桨叶相截所得的截面称为桨叶的 切面，简称叶切面或叶剖面。将圆柱面展为平面后则得螺旋桨 叶的叶切面形状，桨叶切面的形状通常有机翼形切面、弓形切 面、梭形切面和月牙形切面。可以将它们作为机翼表征其几何 特性和讨论其流体动力性能。 一般说来，机翼形切面的叶型效率 较高，但空泡性能较差，弓形切面 则相反。普通之弓形切面展开后叶 面为一直线，叶背为一曲线，中部 最厚两端颇尖。机翼形切面在展开 后无一定形状，叶面大致为一直线 或曲线，叶背为曲线，导边钝而随 边较尖，其最大厚
5、度则近于导边。 5.5 螺旋桨的几何形状 其中NACA剖面使用得较广，它升力大，阻力小。其标号 为“NACA00”，在英文缩写后有4个数字，前面两位表 示拱度比，对称剖面记为“00”，后两位表示厚度比的百分 数。例如NACA0015表示厚度比(最大厚度与切面弦长之比 ) 为15%的对称形NACA剖面，其形状如下图所示。 NACA00剖面的形状可用下列厚度坐标来表示： 5.5 螺旋桨的水动力特性 ii ii dDdLdF dDdLdT cossin sincos 阻力： 推力： 5.5 螺旋桨的水动力特性 dFrdQ 5.5 螺旋桨的水动力特性 当螺旋桨以进速Va和转速n进行工作时，必须吸收主机
6、提供给 的转矩Q才能发出推力T。因此，螺旋桨的效率为： nQ TVa 2 0 进程：螺旋桨旋转一周在轴向前进的距离 n V h a P 进速 转速 进速系数：进程与螺旋桨直径D的比值 )1 ( / s D P nD V D nV J aa 5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用 艇体的伴流: 潜艇运动带动周围的水一起运动，使其 具有一定的速度，从而导致螺旋桨与水的相对速度和潜艇 的运动速度存在一定差别。 产生伴流的原因: （1）艇体周围的流线运动： 潜艇在水中以速度V向前航行时，艇体周围水流的流线分布情况如 图。首尾处的水流具有向前速度，即产生正伴流，而在舷侧处水流具有向 后速度，故为负伴流。由此而
7、形成的伴流称为形势伴流或势伴流。因流线 离船身不远处即迅速分散，故在艇体略远处其作用不甚显著。 V 5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用 艇体的伴流 2）水的粘性作用：）水的粘性作用： 因水具有粘性因水具有粘性，故当潜艇在运动时沿艇体表面形成边界层故当潜艇在运动时沿艇体表面形成边界层，边界边界 层内水质点具有向前速度层内水质点具有向前速度，形成正伴流形成正伴流，通常称为摩擦伴流通常称为摩擦伴流。摩擦伴流摩擦伴流 在紧靠艇体表面处最大在紧靠艇体表面处最大，由该处向外急剧减小由该处向外急剧减小，离艇体不远处即迅速消离艇体不远处即迅速消 失失，但在艇后相当距离处摩擦伴流依然存在但在艇后相当距离处摩擦伴流
8、依然存在。下图表示艇体周围的边界下图表示艇体周围的边界 层层，边界层在尾部后具有相当的厚度边界层在尾部后具有相当的厚度，与螺旋桨直径相差不多与螺旋桨直径相差不多，故摩擦故摩擦 伴流常为总伴流中的主要部分伴流常为总伴流中的主要部分。摩擦伴流的大小与艇型摩擦伴流的大小与艇型，表面粗糙度表面粗糙度、 雷诺数及螺旋桨的位置等有关雷诺数及螺旋桨的位置等有关。 （3）潜艇的兴波作用：）潜艇的兴波作用： 当潜艇在水面航行时当潜艇在水面航行时，将会形成波浪将会形成波浪，若螺旋桨附近若螺旋桨附近 恰为波峰恰为波峰，则水质点具有向前速度则水质点具有向前速度，如恰为波谷如恰为波谷，则具有则具有 向后速度向后速度。由
9、于潜艇兴波作用而形成的伴流称为波浪伴流由于潜艇兴波作用而形成的伴流称为波浪伴流， 其数值常较前两者为小其数值常较前两者为小。 5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用 艇体的伴流 5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用 艇体的伴流 在利用螺旋桨系列图谱设计螺旋桨时在利用螺旋桨系列图谱设计螺旋桨时，常用盘面处平常用盘面处平 均轴向伴流速度近似地计入伴流的影响均轴向伴流速度近似地计入伴流的影响。若船速为若船速为桨盘桨盘 处伴流的平均轴向速度为处伴流的平均轴向速度为，则螺旋桨与该处水流的相对则螺旋桨与该处水流的相对 速度速度为为 u A V uVVA V 当航速和螺旋桨转速一定时当航速和螺旋桨转速一定时，伴流的大
10、小直接决定螺旋桨伴流的大小直接决定螺旋桨 的进速的进速，进而决定螺旋桨所发出的推力和吸收的力矩进而决定螺旋桨所发出的推力和吸收的力矩。 推力减额推力减额 螺旋桨在艇后工作时螺旋桨在艇后工作时，由于它的抽吸作用由于它的抽吸作用，使桨盘前方使桨盘前方 的水流速度增大的水流速度增大。根据伯努利定理根据伯努利定理，水流速度增大压力必然水流速度增大压力必然 下降下降，故降低了艇尾部分的分布压力故降低了艇尾部分的分布压力，导致艇体压差阻力增导致艇体压差阻力增 加加。此外此外，艇体尾部水流速度的增大艇体尾部水流速度的增大，使摩擦阻力也有所增使摩擦阻力也有所增 加加，但其数值远较压差阻力的增加为小但其数值远较
11、压差阻力的增加为小。 5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用 由于螺旋桨在艇后工作时引起的艇体附加阻力称为阻由于螺旋桨在艇后工作时引起的艇体附加阻力称为阻 力增额力增额。若螺旋桨发出的推力为若螺旋桨发出的推力为T，则其中一部分必须则其中一部分必须 用于克服艇的阻力用于克服艇的阻力R，而另一部分则要克服阻力增额而另一部分则要克服阻力增额。 R R RRT 推力减额推力减额 5.8 螺旋桨与艇体间的相互作用 螺旋桨发出的推力中只有（螺旋桨发出的推力中只有（）这一部分是）这一部分是 用于克服阻力用于克服阻力R并推船前进的，故称为有效推力并推船前进的，故称为有效推力 RT e T 推力减额分数的大小与艇型推
12、力减额分数的大小与艇型，螺旋桨尺度螺旋桨尺度，螺旋桨负荷螺旋桨负荷 以及螺旋桨与艇体间的相对位置等因素有关以及螺旋桨与艇体间的相对位置等因素有关。用理论方法用理论方法 来计算推力减额是很困难的来计算推力减额是很困难的，通常都是根据艇模自航试验通常都是根据艇模自航试验 或经验公式来决定的或经验公式来决定的。潜艇的推力减额分数潜艇的推力减额分数t大致在大致在 0.100.18范围范围。 5.9 螺旋桨与艇体间的相互作用 5.10 螺旋桨的空泡与噪声 空泡生成的原因空泡生成的原因 由螺旋桨的工作原理我们知道，螺旋桨的推力来自于由螺旋桨的工作原理我们知道，螺旋桨的推力来自于 其叶切面的升力，而升力是桨
13、叶的压差力。当螺旋桨在水其叶切面的升力，而升力是桨叶的压差力。当螺旋桨在水 中工作时，叶背的水流速度增加，根据伯努利方程，叶背中工作时，叶背的水流速度增加，根据伯努利方程，叶背 压力降低，形成吸力面。反之，叶面的水流速度降低，压压力降低，形成吸力面。反之，叶面的水流速度降低，压 力增加，形成压力面，叶背与叶面的压力差就是桨叶的升力增加，形成压力面，叶背与叶面的压力差就是桨叶的升 力，升力的大小取决于压表面的压力分布。若某处的压力力，升力的大小取决于压表面的压力分布。若某处的压力 降低到水的汽化压力，即饱和蒸汽压力时，该处即开始空降低到水的汽化压力，即饱和蒸汽压力时，该处即开始空 化而出现空泡。
14、这种现象称为螺旋桨的空泡现象。化而出现空泡。这种现象称为螺旋桨的空泡现象。 由于液体具有汽化特性，则当液体在恒压下加热，或在恒温 下用静力或动力方法降低其周围环境压力，都能使液体达到汽化 状态。但在研究空化和空蚀时，对于由这两个不同条件形成的液 体汽化现象在概念上是不同的。任何一种液体在衡定压力下加热， 当液体温度高于某一温度时，液体开始汽化，形成汽泡，这称为 沸腾。当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也 会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空泡，这种现象称为空化。 5.10 螺旋桨的空泡与噪声 不同温度下水的汽化压力值 产生空泡的条件：产生空泡的条件： vb pp 饱和蒸汽压 在A
15、，B两点应用伯努力方程： 2 00 2 2 1 2 1 VpVp bb 定义减压系数为 1)( 2 1 2 0 2 0 0 V V V pp bb 如表示压力增高 表示压力降低 0 0 令空泡数为： 2 0 0 2 1 V pp v 如则，产生空泡 如则，不产生空泡 vb pp vb pp 其中：静压力 sa ghpp 0 22 0 )2(nrVV a Pa大气压力 hs桨轴或叶切面沉深 实验观察径向螺距按常规分布的螺旋桨，在运行工况区的空包 发生、发展情况大致如下： 随着转数及进速的增大，通常首先在桨叶梢部出现空泡，空泡 成螺旋线条状，成为梢涡空泡。随着空泡数进一步下降，空泡 由螺旋桨梢部开
16、始沿径向逐步项桨叶中部延伸。由于桨工况不 同和叶剖面形状的差别，沿径向往内半径发展的空泡，可能起 始于叶剖面的前缘，可能呈片状，也可能沿螺旋桨周向成条形， 或出现大小不一的球状空泡群。顺流而下的空泡，可能在到达 尾部之前消失，也可能淹没在桨叶尾流中。在空泡消失-溃灭 处，可能形成雾状，成为雾状空泡。雾状空泡会造成很强的高 频噪声，也是造成螺旋桨严重剥蚀的主要原因。 在桨叶上出现空泡的同时，随螺旋桨叶根螺距的设计差异，先 后出现从桨榖尾端曳出的榖涡及榖涡空泡。 推进器与船体间涡空泡 Propeller-Hull vortex cavitation 片状空泡 (sheet cavitation) 云雾状空泡 Cloud cavitation 泡状空泡
