4. 船体与螺旋桨相互作用

螺旋桨在船尾工作，它“看到”的水流并不是船速对应的均匀来流，它产生的推力也不是全部用于推船前进。船体与螺旋桨之间存在四种相互影响：伴流改变螺旋桨的进速，推力减额削减有效推力，二者共同决定船身效率，而相对旋转效率则修正螺旋桨在船后与敞水工况之间的转矩差异。理解这四个量，是建立轴系负载模型、估算主机功率和进行推进性能分析的基础。

一、伴流：螺旋桨实际进速低于船速

船体在水中前进时，边界层和船尾的流场使螺旋桨盘面处的水平流速低于船速。定义伴流分数：

w = (V - V_A) / V
V_A = V · (1 - w)

其中 V 为船速，V_A 为螺旋桨进速。伴流由三部分组成：摩擦伴流（船体边界层）、势伴流（船体形状引起的流线变化）和波浪伴流（兴波引起）。对于单桨货船，设计工况下 w 常在 0.25～0.40 之间；双桨船因螺旋桨位于船体两侧，伴流较小，约 0.10～0.20。

伴流对轴系负载的影响是直接的：进速降低意味着在相同转速下螺旋桨攻角增大，推力与转矩上升。因此船后螺旋桨的负载特性曲线比敞水曲线更“陡”，轴系设计必须按船后工况校核。

二、推力减额：推力不等于有效推力

螺旋桨在船后工作会加速水流，使船尾压力下降、摩擦增大，形成额外的阻力，称为阻力增额。因此螺旋桨发出的推力 T 中只有一部分成为推船的有效推力：

t = (T - R) / T
R = T · (1 - t)

t 为推力减额分数，R 为船体阻力（有效推力）。单桨船 t 通常在 0.15～0.25，双桨船约 0.10～0.20。t 与 w 往往同向变化：船尾流场越不均匀，伴流越大，推力减额也越大。

三、船身效率：把两者合成一个指标

船身效率定义为有效功率与螺旋桨推功率之比，可写成：

η_H = (1 - t) / (1 - w)

由于 t 通常小于 w，η_H 一般大于 1，单桨船常在 1.05～1.25 之间。这并不违反能量守恒——它反映的是船体与螺旋桨配合后，螺旋桨在低速高伴流区工作所带来的“收益”，代价已体现在螺旋桨自身效率中。工程上常把 η_H 与敞水效率 η_O、相对旋转效率 η_R 相乘，得到总推进效率：

η_D = η_O · η_H · η_R

四、相对旋转效率：船后与敞水的转矩修正

螺旋桨在船后工作时，伴流场存在切向分量和旋转不均匀性，使螺旋桨实际所需转矩与敞水工况不同。相对旋转效率定义为：

η_R = Q_O / Q_B

Q_O 为敞水转矩，Q_B 为船后转矩。η_R 通常接近 1，单桨船约 0.95～1.05，双桨船略低。它把敞水试验得到的螺旋桨特性修正到船后实际工况，是连接模型试验与实船性能的桥梁。

五、工程应用：从参数到轴系负载校核

下面给出一个教学示例（参数为合理假设，非实测数据）：某单桨货船设计船速 V = 14 kn（约 7.2 m/s），伴流分数 w = 0.30，推力减额 t = 0.18，敞水效率 η_O = 0.55，相对旋转效率 η_R = 1.00。则：

V_A = 7.2 × (1 − 0.30) = 5.04 m/s
η_H = (1 − 0.18) / (1 − 0.30) = 0.82 / 0.70 ≈ 1.171
η_D = 0.55 × 1.171 × 1.00 ≈ 0.644

若船体阻力 R = 180 kN，则所需有效功率 P_E = R·V = 180 × 7.2 ≈ 1296 kW，螺旋桨推功率 P_T = P_E / η_H ≈ 1107 kW，主机需提供的功率 P_D = P_E / η_D ≈ 2012 kW。可以看到，若忽略伴流与推力减额、直接用敞水效率估算，会得到约 2356 kW 的偏大值；而若只考虑伴流不考虑推力减额，又会低估轴系转矩。正确做法是：先用 w 求进速 V_A，在敞水特性曲线上查得该进速下的推力系数 K_T 与转矩系数 K_Q，再按船后工况换算转矩 Q_B = Q_O / η_R，最后用 Q_B 校核轴系扭转载荷与主机输出。

六、四个参数的相互关系与使用要点

实际使用中要特别注意三点：第一，w、t、η_R 都是船后工况参数，必须与同一载况、同一航速对应，不能混用不同来源的数据；第二，η_H 大于 1 是正常现象，它把“船体给螺旋桨创造的低速高伴流环境”折算成收益，但螺旋桨自身效率已相应下降，总效率仍小于 1；第三，进行轴系强度与扭振计算时，输入应是船后转矩 Q_B 和船后推力 T，而不是敞水值。把这四个参数理清，后续的轴系负载特性、主机功率匹配和推进系统工况分析才有可靠的数据基础。