8.4.1 對轉螺旋槳敞水試驗技術
敞水試驗是研究螺旋槳在均勻流場中的工作特性。敞水試驗的目的是：
（1）進行系列模型槳試驗，建立螺旋槳設計圖譜；
（2）研究螺旋槳的不同幾何特性引數對其水動力效能的影響，為改進設計和優化設計提供試驗資料；
（3）提供模型自航試驗和實雷推進效能預報必要的敞水性證曲線。
一、 試驗方法和試驗裝置
螺旋槳敞水試驗必須滿足的相似準則是進速係數j。雷諾數、弗氏數、相對潛深都屬於限制引數。為了消除自由液面的影響(興波和吸氣)，螺旋槳的軸線潛深應大於或等於乙個槳徑。
為了避免嚴重的粘性尺度效應，槳模雷諾數要求大於某一臨界值，這一點在下文將作專門討論。
試驗方法有二種：
(1)固定進速（拖車速度不變）、改變螺旋槳轉速，此方法稱等速度法；
(2)固定螺旋槳轉速，改變進度（變化拖車速度），此方法稱等轉速法。
目前使用的敞水試驗裝置有二種結構形式：一種是扁舟式敞水箱。螺旋槳動力儀、換向和減速齒輪箱、電機等安裝在箱體內，驅動螺旋槳的空、實軸伸出箱體外，為減小箱體對螺旋槳流動的影響，螺旋槳與箱體之間的軸向距離要求大於2—3倍槳直徑。
另一種是炮彈式敞水試驗裝置。其外型為流線型圓柱體，類似於炮彈形狀。動力儀及驅動螺旋槳的傳動軸系安裝在圓柱體內。
圓柱體上方有一空心的弓形剖面的支桿一直伸到水面上，安放在水面上的電機通過直角傳動機構驅動螺旋槳軸轉動。這種結構形式的優點是對螺旋槳流動的干擾影響小，另外可以允許增大潛深，提高車速。
敞水試驗的主要測量儀器是螺旋槳動力儀。中國船舶科學研究中心水池用於正、反轉螺旋槳敞水試驗的動力儀有變磁阻式空、實軸螺旋槳動力儀、電阻應變式多功能螺旋槳動力儀。螺旋槳轉速由光電式或磁電式速度儀測量。
圖8-8是魚雷對轉槳試驗裝置的示意圖。
圖8-8 魚雷對轉槳試驗裝置示意圖
1- 內軸；2-外軸；3-空心萬向軸節；
4-空心動力儀；5-換向齒輪箱；6，7-萬向聯軸節
8-減速齒輪箱；9-光電測速儀；10-電機。
二、 敞水試驗資料表達
敞水試驗測量的資料有：前槳推力、前槳扭矩、後槳推力、後槳扭矩；螺旋槳轉速n、拖車速度。
為了便於比較分析，通常均以前槳直徑無因次化。
前槳推力係數
前槳扭矩係數
後槳推力係數
後槳扭矩係數
總推力係數
總扭矩係數
螺旋槳進速係數
螺旋槳敞水推進效率
以進速係數為橫座標，以、、10、、、、為縱座標繪製出螺旋槳敞水性徵曲線。圖8-9表示魚雷螺旋槳敞水性徵曲線。
圖8-9魚雷螺旋槳敞水性徵曲線
三、尺度效應和臨界雷諾數
槳模雷諾數有幾種表達形式，常用的有
特徵葉寬雷諾數
平均葉寬雷諾數
式中——0．75 槳葉處弦長；
——槳半徑；
——槳葉數；
——盤面比。
下面以特徵葉寬雷諾數來討論螺旋槳敞水試驗中的尺度效應影響。
槳模試驗的尺度效應問題一直受到人們的注意，有關這方面的試驗研究工作也很多。上海交通大學船模試驗水池對五個幾何相似的槳模進行過詳細的試驗研究。圖8-10至圖8-12表示其試驗結果。
由圖可知，隨雷諾數增加，將減小，略有增加，而也有所增加。當雷諾數大於以後，試驗結果幾乎與雷諾數無關。所以在進行敞水試驗時，槳模雷諾數應等於或大於此值，此值稱臨界雷諾數。
圖8-10 推力係數與雷諾數的關係
瑞典人比傑姆(研究過關於對轉槳槳模的臨界雷諾數問題。他計算了幾對對轉槳，在雷諾數～範圍內，槳葉剖面最低阻力係數沒有明顯變化。
中國船舶科學研究中心水池對四對槳進行了雷諾數影響試驗，其結果表示在圖8-13上，試驗表明,以後，工作點附近的螺旋槳敞水效率基本穩定。因此說，對轉槳敞水試驗應同單槳情況一樣，。
8.4.2 對轉螺旋槳自航模試驗
自航試驗的目的是研究雷體與螺旋槳之間的相互作用。由試驗得到兩者之間的干擾因子，通常稱為自航因子。這些因子是：
實效伴流分數、推力減額分數t和相對旋轉效率。本節首先談談這些自航因子的基本物理意義，然後再介紹取得這些自航因子的自航試驗方法。
圖8-11 扭轉係數與雷諾數之間的關係
圖8-12 螺旋槳敞水效率與雷諾數的關係
一、雷體與螺旋槳的相互作用
當螺旋槳以轉速n工作時吸收的扭矩為，產生的推力為，克服雷體阻力，使魚雷以速度向前航行。顯然，螺旋槳的推進效率為
式中 ——有效功率；
——螺旋槳收到功率。
螺旋槳位於雷尾伴流中，實際進流速度是
螺旋槳實際產生的推力是
圖8-13 對轉槳敞水效率隨雷諾數的變化
因此，螺旋槳推進效率又可以表示成
進而，又可以表示成
式中、——螺旋槳敞水狀態的推力和扭矩；
、——螺旋槳在雷後工作時的推力和扭矩
——螺旋槳敞水狀態的推進效率；
——螺旋槳在雷後和敞水狀態的效率比，可稱相對旋轉效率；
——雷身效率。
下面分別討論各自航因子的成因及其含義。
二、自航試驗
(1) 相似準則和條件
自航試驗是雷體與螺旋槳組合體的模型試驗，因此在決定模型試驗相似準則和條件時，必須考慮到雷體和螺旋槳這兩方面，即雷模和槳模的弗勞德數、雷諾數、相對潛深，此外槳模還要求能滿足運動相似準則——進速係數j。
滿足無明顯粘性尺度影響的臨界雷諾數要求是
雷模 ×
槳模 ×
由於是水下深潛試驗，槳模的臨界雷諾數相對要求較高。美國d．t．nsrdc水池甚至建議×。
雷模的臨界雷諾數要求比較容易滿足，因此自航試驗的模型比尺和試驗速度，通常根據槳模雷諾數的要求來決定。
(2) 自航試驗裝置和試驗方法
雷模自航試驗的主要裝置是自航箱、螺旋槳動力儀、測速儀、齒輪箱、電機等。自航箱是乙個要求水密的金屬箱體。
自航試驗方法有純粹自航和強迫自航二種。純粹自航試驗方法是在拖車速度不變的情況下，由伺服系統自動跟蹤調整螺旋槳的轉速，使螺旋槳發出的推力正好克服雷體受到的阻力，雷模完全處在自由的自航狀態。強迫自航試驗方法是借調整強制力以保持雷模和拖車速度相一致，即在固定拖車速度的情況下，將螺旋槳調到適當的轉速並調整強制力，使螺旋槳發出的推力與雷模的阻力和強制力平衡。
每一拖車速度，變化4—5個螺旋槳的轉速和相應的強制力，強制力的大小應有正、負變化。強制力為零時就是相應該拖車速度下的雷模自航點。
自航試驗步驟是先進行雷模的阻力拖曳試驗。然後在同一安裝狀態下進行雷模的自航試驗。常規的自航試驗應有5—9個速度的自航點。
螺旋槳敞水試驗報告
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42螺旋槳的工作原理
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