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
前桨扭矩系数
后桨推力系数
后桨扭矩系数
总推力系数
总扭矩系数
螺旋桨进速系数
螺旋桨敞水推进效率
以进速系数为横坐标，以、、10、、、、为纵坐标绘制出螺旋桨敞水性征曲线。

图8-9表示鱼雷螺旋桨敞水性征曲线。

图8-9 鱼雷螺旋桨敞水性征曲线
三、尺度效应和临界雷诺数
桨模雷诺数有几种表达形式，常用的有
特征叶宽雷诺数
平均叶宽雷诺数
式中——0．75 桨叶处弦长；
——桨半径；
——桨叶数；
——盘面比。

下面以特征叶宽雷诺数来讨论螺旋桨敞水试验中的尺度效应影响。

桨模试验的尺度效应问题一直受到人们的注意，有关这方面的试验研究工作也很多。

上海交通大学船模试验水池对五个几何相似的桨模进行过详细的试验研究。

图8-10至图8-12表示其试验结果。

由图可
知，随雷诺数增加，将减小，略有增加，而也有所增加。

当雷诺数大于
以后，试验结果几乎与雷诺数无关。

所以在进行敞水试验时，桨模雷诺数应等于或大于此值，此值称临界雷诺数。

图8-10 推力系数与雷诺数的关系
瑞典人比杰姆(E.Bjam)研究过关于对转桨桨模的临界雷诺数问题。

他计算了几对对转桨，在雷诺数
～范围内，桨叶剖面最低阻力系数没有明显变化。

中国船舶科学研究中心水池对四对桨进行了雷诺数影响试验，其结果表示在图8-13上，试验表
明,以后，工作点附近的螺旋桨敞水效率基本稳定。

因此说，对转桨敞水试验应同单桨情况一样，。

8.4.2 对转螺旋桨自航模试验
自航试验的目的是研究雷体与螺旋桨之间的相互作用。

由试验得到两者之间的干扰因子，通常称为自航因子。

这些因子是：实效伴流分数、推力减额分数t和相对旋转效率。

本节首先谈谈这些自航因子的基本物理意义，然后再介绍取得这些自航因子的自航试验方法。

图8-11 扭转系数与雷诺数之间的关系
图8-12 螺旋桨敞水效率与雷诺数的关系
一、雷体与螺旋桨的相互作用
当螺旋桨以转速n工作时吸收的扭矩为，产生的推力为，克服雷体阻力，使鱼雷以速度
向前航行。

显然，螺旋桨的推进效率为
(8-51)
式中——有效功率；
——螺旋桨收到功率。

螺旋桨位于雷尾伴流中，实际进流速度是
螺旋桨实际产生的推力是
图8-13 对转桨敞水效率随雷诺数的变化
因此，螺旋桨推进效率又可以表示成
(8-52) 进而，又可以表示成
(8-53)
式中、——螺旋桨敞水状态的推力和扭矩；
、——螺旋桨在雷后工作时的推力和扭矩
——螺旋桨敞水状态的推进效率；
——螺旋桨在雷后和敞水状态的效率比，可称相对旋转效率；
——雷身效率。

下面分别讨论各自航因子的成因及其含义。

二、自航试验
(1) 相似准则和条件
自航试验是雷体与螺旋桨组合体的模型试验，因此在决定模型试验相似准则和条件时，必须考虑到雷体和螺旋桨这两方面，即雷模和桨模的弗劳德数、雷诺数、相对潜深，此外桨模还要求能满
足运动相似准则——进速系数J。

满足无明显粘性尺度影响的临界雷诺数要求是
雷模×
桨模×
由于是水下深潜试验，桨模的临界雷诺数相对要求较高。

美国D．T．NSRDC水池甚至建
议×。

雷模的临界雷诺数要求比较容易满足，因此自航试验的模型比尺和试验速度，通常根据桨模雷诺数的要求来决定。

(2) 自航试验设备和试验方法
雷模自航试验的主要设备是自航箱、螺旋桨动力仪、测速仪、齿轮箱、电机等。

自航箱是一个要求水密的金属箱体。

自航试验方法有纯粹自航和强迫自航二种。

纯粹自航试验方法是在拖车速度不变的情况下，由伺服系统自动跟踪调整螺旋桨的转速，使螺旋桨发出的推力正好克服雷体受到的阻力，雷模完全处在自由的自航状态。

强迫自航试验方法是借调整强制力以保持雷模和拖车速度相一致，即在固定拖车速度的情况下，将螺旋桨调到适当的转速并调整强制力，使螺旋桨发出的推力与雷模的阻力和强制力平衡。

每一拖车速度，变化4—5个螺旋桨的转速和相应的强制力，强制力的大小应有正、负变化。

强制力为零时就是相应该拖车速度下的雷模自航点。

自航试验步骤是先进行雷模的阻力拖曳试验。

然后在同一安装状态下进行雷模的自航试验。

常规的自航试验应有5—9个速度的自航点。