推力减额

推力减额推进器对船体的影响

由于船体形式和推进器方向的不同，推进器对船体的干扰影响非常复杂，在实际设计中需要考虑的干扰有以下几种：

（1）摩擦力

当螺旋桨安装在船体平坦底部时，螺旋桨将贴近船底表面，产生与推力方向相反的摩擦力，导致推力减额。

（2）科安达（Coanda）效应

船体表面为曲面时，螺旋桨尾流会沿着曲面扩散（如舭部连接处），并在曲面附近形成低压区域，造成压差阻力，从而抵消部分推力，这时有效推力将会减少，这就是科安达效应。

推力减额推进器之间的相互干扰

采用多个推进器时，特别当两个推进器的方向接近一条直线时，一个推进器排出的水流会直接冲入另一个推进器。

很多拖曳水池都曾对螺旋桨间的干扰进行过试验研究，尽管采用不同的螺旋桨，但结果都非常相似。Lehn和Moberg对两个螺旋桨呈前后布置的形式进行了试验，试验结果表明：当两个螺旋桨距离越靠近，干扰问题就越严重，尾流会在相当大的范围内对下游螺旋桨产生影响，在16倍直径距离处，推力损失仍达1/4左右。当螺旋桨置于平板下时，螺旋桨尾流的最大速度偏向平板，从而降低下游推力器的平均入流速度，并减少推力损失。当上游螺旋桨改变角度或距离以避免其尾流对下游螺旋桨的直接冲击，干扰问题可以得到改善，Nienhuis和Lehn的试验结果都证明了这点，他们对不同角度和不同距离进行了试验，试验结果表明：改变角度能够大大改善推力损失，尤其是当两桨之间距离较大时。

推力减额研究介绍

舰船动力定位时，侧推器受到海流的影响，当海流的流速和流向不同时，侧推器产生的推力与其在静水中的推力不同。为了正确估算所需侧推装置功率的大小，需确定侧推器受不同流速、流向影响时的推力减额。查阅国内外资料，未见相关侧推装置在不同流速、流向下推力减额的研究成果。

在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行了侧推装置推力减缩试验研究，研究方案为：制作相应比例的船模和侧推螺旋桨，将侧推器固定安装在船模的隧道中，侧推器由电动机驱动。将船模固定在拖车上，通过改变船模与拖车的角度以及拖车的速度，来模拟不同的流速和流向。首先测量侧推器全负荷工况下在静水中的推力和扭矩，并以达到要求推力时的转速为额定转速。然后测量不同流速和流向下推力器全负荷（额定转速）工况下的推力和扭矩，以确定侧推器在不同流速流向时的推力减缩系数。

在该模型试验中，试验和分析所采用的随船坐标系O-XYZ如图3所示。随船坐标系的原点位于船模的中心处。图中箭头表示试验中的来流方向。来流方向由船首自0°开始沿逆时针方向，共360°。安装在隧道中的螺旋桨安放在船的中纵剖面的位置上，叶面朝向左舷，故螺旋桨所受的推力方向指向右舷。

推力减额侧推系统和船舶模型概述

试验用螺旋桨模型的大小为D = 0.12 m，而实船的螺旋桨的尺寸为2.1 m，故采用的实船模型缩尺比为17.5。所有的模型均按照该缩尺比制作。

Z 型侧推系统主要由螺旋桨、动力部件、测力部件等组装完成。其基本部件组成见图4。

侧推装置额定推力不小于150 kN（即1 000 kW ×0.15 kN/kW），螺旋桨直径D 为 2 100 mm。试验时，从备用桨中选取螺旋桨AU4作为试验用桨。该桨的直径D为 120 mm（相应的模型缩尺比为 2 100/120=17.5），螺距比（H / D） 为0.75，盘面比（A / Ad）为0.6。

侧推系统由1台稀土直流电机驱动。电动机最大功率250 W、输入电压90 V、最高转速1 500 r/min、最大扭矩1.67 N·m、最大电流3.7 A，直流电机的转速由数字转速表控制，控制精度为±1.0 r/min。

由于侧推系统采用Z型齿轮传动，故无法直接采用自航动力仪来测量推力，因此试验中仅用自航动力仪测量扭矩，而由固定螺旋桨垂向传动轴的测力天平来测量螺旋桨上的推力。在自航仪和螺旋桨的传动轴之间采用柔性连接结合。这样既可以将自航仪的扭矩传递到螺旋桨上驱动螺旋桨的转动，同时避免将螺旋桨的推力传递到自航动力仪上，使螺旋桨的推力完全施加在测力天平上，从而保证螺旋桨推力的正确测量。

自航仪最大测量扭矩±147 N·cm，推力和扭矩短时过载25%，最大转速1 500 r/min。测力天平的量程为98 N。试验模型完全依照型线图数据木制，并满足相应的精度。其吃水通过添加和改变船模内压载的质量和位置进行调整，以达到规定的要求。船首部的侧推孔隧道采用厚壁有机玻璃管制作，隧道内表面经过精车加工。

推力减额（无桨）船模隧道内的流速测量

当船模遭遇不同流向和流速的来流时，测量其在隧道内的流速。采用叶轮式流速计测量隧道内的流速。叶轮式流速计呈圆柱状，直径约6 mm、长约5 mm，流速计的测量位置距螺旋桨中轴线R / 2（R为螺旋桨半径），距离船舶的中纵剖面4.0 cm（相当于实船0.7 m），位于螺旋桨的叶背一侧处。隧道内流速测量的结果见图5和图6。

从图5可以看出，当来流方向为0°和180°（即艏部或艉部来流）时，隧道内流速较小；当背景流速达到3 kn（1.543 2 m/s）时，隧道内流速最高才0.348 m/s，仅为背景流速的22.55%；而当来流方向为90°和270°时，隧道内流速明显大于外界背景流速，尤其来流方向为270°、背景流速3 kn时，隧道内的流速比外界流速高51.31%。

推力减额（有桨）船模隧道内流速的测量

当安装螺旋桨的船模遭遇不同流向和流速的来流时，测量其在隧道内流速，流速计的测量位置同前。由于考虑到在叶片的后面和叶片间隙的后面测量的流速会有所不同，因此分别进行了以上两个位置的流速测量，流速测量的结果见图7和图8。

从图7可以看出，当隧道内有桨（n = 0）时，隧道中的流速小于无桨时隧道内流速。当来流经由桨背流入（顺流）时，桨前的流速比较均匀，桨叶和桨隙的流速相差不大；而当来流经由桨面流入（逆流）时，桨前的流速比较紊乱，位于桨前（桨背）处的桨叶和桨隙的流速相差比较大，显示流经过桨后比较紊乱，分布不再均匀了。

推力减额全负荷工况下的试验测量

测量当安装螺旋桨的船模在静水中和遭遇不同流向和流速的来流时，侧推装置全负荷运转（转速为1 220 r/min）时，螺旋桨推力和扭矩变化。

经过试验测得，该侧推系统（n = 1 220 r/min）在静水中的敞水推力为27.773 N（模型值），扭矩为36.995 N·cm（模型值），换算到实船为152.57 kN，35.56 kN·m。

安装到隧道内以后，该侧推系统（n = 1 220 r/min）在静水中的推力为20.54 N（模型值），扭矩为29.321 N·cm（模型值），换算到实船为112.838 kN，28.19 kN·m。可见，安装到隧道内以后，螺旋桨在相同转速下的推力、扭矩和功率都有所下降。

在不同流向和流速的来流中，相同转速（n = 1 220 r/min）的螺旋桨的推力和扭矩见图9和图10中所示。 从图中可以看出：

（1）螺旋桨在安装到隧道内后，相同转速时推力和扭矩都有所下降。

（2）除了个别角度，推力和扭矩都随来流流速的上升而下降。

（3）当来流改变时，推力的变化比扭矩的变化更大。

（4）当来流在180°～360°间变化时（此时水流从叶背流入，即顺流），推力和扭矩随流向而变化，但比较缓和。

（5）当来流在 0°～180°间变化时（此时水流从叶面流入，即逆流），推力和扭矩随流向变化比较剧烈；在90°～180°间，推力下降比较明显（此时的水流由船尾左舷流入）。

螺旋桨对船的影响表现为推力减额。在船后工作的螺旋桨对尾部船体表面的水流有抽吸作用，使尾部船体表面的水流速度增加、压力下降，如图1所示。这种尾部压力下降引起的船体阻力增加量称作阻力增额。这部分阻力增加量是由螺旋桨工作引起的，故将它理解为螺旋桨推力减小量，分配到每个桨上的这种推力减小量即称为推力减额，记作△T。按推力减额的概念，在船后工作的螺旋桨作用下的舰船阻力不发生变化，只是螺旋桨本身的推力损失了一部分。记入推力减额后的螺旋桨推力称为有效推力，有时也称为船后桨推力，记作T_E。有效T_E与敞水桨推力T之间的关系为

△T与T的比值称为推力减额分数，记作t，即

于是有效推力表示为

各种舰船的推力减额分数 t 如图2所列。

推力减额分数不能直接进行测量。它必须做船模拖曳试验求出阻力R和做螺旋桨自航试验求出螺旋桨推力T。通常不可能在正好相同的速度下测出R和T。因此必须画出R和T曲线，并根据这些曲线就可计算推力减额分数

这种方法可用在单螺旋桨船上，也可用在螺旋桨布置对称于船中心平面并且船是对称的双桨船上。如果不是这种情况和如果船上有三个以上螺旋桨时，由船模试验不可能估算出每个桨的推力减额分数，只能求出一个平均值。通过做船模试验估算出推力减额分数各个分量这也是不可能的。

在真正的势流中(见图3上部分)不发生能量交换。在真正势流中，使一固体克服力R以速度V 运动所需要的能量一定等于螺旋桨发出的能量：

式中T是螺旋桨推力，V_A是螺旋桨进速。重新整理上等式可得到

和

因此

象在很多双桨船上那样，只要螺旋桨离开摩擦带，推力减额分数差不多就和伴流分数值相同。

由下面所述可得出摩擦推力减额分数的意义。有一假想固体(见图3中部)，它由若干彼此同心的很薄的圆柱平板所组成，并在流体中(例如水中)沿轴向移动，产生一真正的粘性流动，势流可不计。而且，用一同轴螺旋桨推动该固体。虽然该系统前方流体处于静止，由于和固体摩擦，流体获得相当速度。结果固体正后方的水获得一定量的动能。靠螺旋桨作用使水在相反方向加速。因此，阻力增加，这表示对推进来说需要的推力一定要增加。所以，推力减额分数将有一正值。

在船尾处的波系将受到螺旋桨作用的影响（见图3下部）。由于这样，船的兴波阻力将变化，这样就可解释波浪推力减额分数。

螺旋桨对船的影响表现为推力减额。在船后工作的螺旋桨对尾部船体表面的水流有抽吸作用，使尾部船体表面的水流速度增加、压力下降，如图1所示。这种尾部压力下降引起的船体阻力增加量称作阻力增额。这部分阻力增加量是由螺旋桨工作引起的，故将它理解为螺旋桨推力减小量，分配到每个桨上的这种推力减小量即称为推力减额，记作△T。按推力减额的概念，在船后工作的螺旋桨作用下的舰船阻力不发生变化，只是螺旋桨本身的推力损失了一部分。记入推力减额后的螺旋桨推力称为有效推力，有时也称为船后桨推力，记作T_E。有效T_E与敞水桨推力T之间的关系为

R为船体阻力。△T与T的比值称为推力减额分数，记作t，即

于是有效推力表示为

各种舰船的推力减额分数 t 如图2所列。