螺旋槳的幾何特征

1、螺旋槳的幾何特征螺旋槳的幾何特征魚雷螺旋槳位于魚雷的尾部，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)以 產(chǎn)生推力，利用該推力克服魚雷運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力， 使魚雷以既定的速度航行。不難理解，為了經(jīng)商 魚雷的速度，不僅要求魚雷具有阻力最小的雷體 外形，還須要配置效率較高的螺旋槳，才能獲得 較好的推進(jìn)效果。螺旋槳通過推進(jìn)軸直接由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)， 當(dāng)螺旋 槳旋轉(zhuǎn)時(shí)，將水流推向魚雷后方。根據(jù)作用與反 作用原理，水便對(duì)螺旋槳產(chǎn)生反作用力，該反作 用力即稱為螺旋槳的推力。我們研究螺旋槳的幾何特征時(shí)，首先要對(duì)螺旋 面有所了解。設(shè)有一水平線AB（圖8-1），勻速地繞線EE 旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又以均勻速度向上移動(dòng)，則線 AB上 每一個(gè)點(diǎn)就形成一條螺旋線，由這些

2、螺旋線所組 成的面叫做螺旋面。線段AB稱為螺旋面的母線， 它可以是直線或曲線。展開了的螺旋線與圓柱體底線間的角度稱為 螺旋角，以表示，其值可按下式求得(81)式中H為螺距圖8-1螺旋面的形成當(dāng)母線的圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)均為勻速運(yùn)動(dòng) 時(shí)，所得到的螺旋面稱為等螺距螺旋面。其螺旋 線的展開圖形如圖8-1所示，不同半徑處具有相同的螺距圖8-2a徑向變螺距螺旋面螺旋線的展開圖螺旋面也可以由不同螺距的螺旋線組成。 例如 母線AB以均勻的速度繞EE軸線旋轉(zhuǎn)。也以均 勻速度直線上升，只是在不同的半徑上具有不同 的上升速度，則得到徑向變螺距螺旋面，不同的 半徑處螺距是不同的，其螺旋線的展開圖如圖8-2(a) 所示

3、。假若母線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)不是 均勻的或者其中任一種運(yùn)動(dòng)不是均勻的，則得到軸向變螺距螺旋面，其螺旋線的展開圖如圖8-2(b) 所示。兀/i2nrH圖8-2b軸向變螺距螺旋面螺旋線的展開圖螺旋槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)葉稍圖8-3螺旋槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖8-3所示。螺旋槳與推 進(jìn)軸聯(lián)接的部分稱為槳轂以一定的角度聯(lián)按于輪 毅上。魚雷的槳葉一般為 2-7片。葉片數(shù)主要決 定于螺旋槳推力的大小。槳葉與輪毅的聯(lián)接處稱 為葉根。槳葉的自由端稱為葉梢。當(dāng)螺旋槳開始 工作時(shí)，葉片首先撥動(dòng)水的一邊稱為導(dǎo)邊，而水 流從葉片脫離的一邊稱為隨邊。葉片迎水的一面 稱為吸力面，葉片的另一面稱為推力面。魚雷螺旋槳的槳葉剖

4、面一般是弓形的。 所謂槳 葉剖面就是指用與螺旋槳共軸的圓柱面同槳葉相 剖后所得到的截面，經(jīng)展開后得到的形狀。槳葉 剖面形狀確定于流體動(dòng)力特性和槳葉的強(qiáng)度，由 于槳葉承受流體動(dòng)力的作用。故它必須具有足夠 的厚度以保證其強(qiáng)度。早期魚雷曾使用過單螺旋槳，而目前的魚雷一 般都是采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳.當(dāng)螺旋槳工作時(shí)，兩個(gè) 螺旋槳的反作用力矩能獲得較好的平衡.以便減 小魚雷的橫滾。對(duì)于高速魚雷，在螺旋槳直徑受 到其它條件限制的情況下，為了獲得足夠的推力， 就必須采用雙螺旋槳。螺旋槳的工作原理螺旋槳的槳葉截面猶如一個(gè)機(jī)翼的斷面，為了 闡明螺旋槳產(chǎn)生推力的原因，我們首先來分析流 體對(duì)機(jī)翼的繞流情況圖8-5 （a）作

5、用于葉片上的流體動(dòng)力（無攻角）設(shè)將一塊上凸下平的機(jī)翼放于流體中， 其流線 情況如圖8-5（ a）所示。在機(jī)翼附近處流線發(fā)生 彎曲，在遠(yuǎn)離機(jī)翼上下一定的距離之外，流線又 恢復(fù)平直。不難理解，翼面上方的流體速度大于 翼面下方的流體速度?，F(xiàn)在再分析機(jī)翼下部所受 的流體壓力，設(shè)其下部與流體的流速平行（相當(dāng) 于無攻角情況），這時(shí)流經(jīng)機(jī)翼下部的流速與截 面a一 a的流速大致相同，因此機(jī)翼下部的流體 靜力_亦大致與截面a一a處的靜壓力；1相同。由 于機(jī)翼上部的壓力必小于機(jī)翼下部的壓力所 以機(jī)翼上下就形成壓力差，該壓力差連同流體流 經(jīng)機(jī)翼時(shí)產(chǎn)生的摩擦力合成一總的流體動(dòng)力R?？蓪分成兩個(gè)分力：一個(gè)分力 X （

6、平行于流體 流動(dòng)方向），阻止機(jī)翼的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，該力稱為阻 力；另一個(gè)分力Y垂直流體的流動(dòng)方向，稱為升 力。圖8-5 (b)作用于葉片上的流體動(dòng)力(有攻角)若機(jī)翼的前緣略為向上仰起(圖 8-5 (b), 即機(jī)翼與流動(dòng)方向形成一個(gè)不大的攻角。則機(jī)翼 的繞流情況將發(fā)生變化，從而使作用于機(jī)翼上的 流體動(dòng)力增加。由圖8-5 (b)可以看出、截面a 一 b仍然大于截面a一 b,所以機(jī)翼上部的壓力 0小于P1。而截面b 一 c則小于截面b -C,所 以機(jī)翼下部的壓力 片仍大于A,顯然，機(jī)翼上下 的壓力差較之無攻角時(shí)的還要大，換句話說；隨 著攻角的增加.作用在機(jī)翼上的流體動(dòng)力也愈大。螺旋槳的工作原理我們進(jìn)一步分

7、析影響升力的各種因素由伯努利方程式可知，流體速度愈人，機(jī)翼上 下的壓力差愈大，因而升力也愈大。實(shí)驗(yàn)證明， 升力與速度的平方成正比。升力產(chǎn)生的主要原因是由于機(jī)翼上下存在著 壓力差，壓力差作用的面積愈大，所產(chǎn)生的升力 愈大。因此升力還與機(jī)翼面積成正比。對(duì)于阻力X有著和升力Y相同的結(jié)論綜合以上所述，可將升力和阻力分別用下式表 示:(8-7)(8-8)式中 亠相對(duì)機(jī)翼的流體速度;F-機(jī)翼的投影面積；流體的密度，升力系數(shù)，1 -阻力系數(shù)。和是翼型和攻角的函數(shù)。對(duì)機(jī)冀產(chǎn)生升力的原因作了分析之后， 我們現(xiàn)在就可以進(jìn)一步研究螺旋槳產(chǎn)生推力的原因。我 們可以把槳葉看作是處于攻角為、速度為的 水流中機(jī)翼的一部分，

8、作用于這部分機(jī)翼上的升 力就形成了螺旋槳的推力。當(dāng)研究螺旋槳的繞流情況時(shí)，我們還應(yīng)指出， 螺旋槳工作時(shí)，水流不但獲得了軸向誘導(dǎo)速度， 而且沿螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向也獲得了切向誘導(dǎo)速 度。切向誘導(dǎo)速度只是水流通過螺旋槳盤面時(shí)才 開始形成的，它是由流體流經(jīng)螺旋槳時(shí)因扭轉(zhuǎn)而 產(chǎn)生的。設(shè)螺旋槳后面遠(yuǎn)處的切向誘導(dǎo)速度為 （，由于經(jīng)過螺旋槳之后的流體不再受到外力的 作用，因而2將保持不變。通過理論可以證明在 盤面處的切向誘導(dǎo)速度為1（8-9）現(xiàn)在.我們可以作出槳葉任意半徑處葉片的流 體速度多角形（圖8-7）.其中包括鈾向誘導(dǎo)速度 和切向誘導(dǎo)速度。從圖中可以看出作用在葉片上 的相對(duì)流速藥是未擾動(dòng)的水流速度切向速度

9、“ 以及誘導(dǎo)速度J和等合成的結(jié)果。該合成速度 以一定的攻角作用于葉片上葉片剖面猶如一個(gè) 機(jī)翼剖面，根據(jù)機(jī)翼產(chǎn)生升力的同樣道理，在葉 片上同樣產(chǎn)生流體動(dòng)力的作用。圖8-7 (a)葉片上的作用力多角形圖8-7 (b)葉片上的速度多角形設(shè)作用于半徑為r、寬度為b、長(zhǎng)度為dr葉片 上的升力和阻力分別為dY和dX,則根據(jù)機(jī)翼理 論可表示如下：(8-10)(8-11 )dY -cv-bdry 2dX 二 Cy. bdr2升力系數(shù)勺和阻力系數(shù)q可以通過實(shí)驗(yàn)確定。 升力dY與流速相垂直，阻力dX與叫的方向 相反。流體動(dòng)力沿螺旋槳軸線方向及切線方向的分 力分別為(8-12)dP = dYr-dXT =dYcJ3

10、-dXnfi= dXQ = yrsin 0 + dXz 汕(8-13)dQ即為式中dP即為葉元所產(chǎn)生的推力，而 葉元的回轉(zhuǎn)阻力。螺旋槳的工作原理如果巳知葉元力dP及dQ沿螺旋槳葉片長(zhǎng)度 上的分布規(guī)律，則由螺旋槳產(chǎn)生的總推力及回轉(zhuǎn) 阻力矩可分別由下列式子表示：P =打&P（ 8-14）（8-15）式中Z-螺旋槳的葉片數(shù)；R-螺旋槳的外半徑；r-螺旋槳轂半徑。螺旋槳的推力及回轉(zhuǎn)力矩通常用無因次系數(shù) 表示，應(yīng)用無因次系數(shù)可以使螺旋槳的模型實(shí)驗(yàn) 結(jié)果運(yùn)用于幾何相似的任何螺旋槳。對(duì)于既定幾問形狀的螺旋槳在給定流速的情 況下，螺旋槳的推力及力矩正比于流體密度 心5 、轉(zhuǎn)數(shù)n( 1/s)及直徑D(m)。因此

11、 存在著下列關(guān)系式：廠丿廠門(8-16),W 弘打/)(8-17)式中K1及K2分別稱為無困次推力系數(shù)及力 矩系數(shù)。推力的單位為N，而力矩的單位為, 對(duì)上述公式的兩邊進(jìn)行因次比較便可確定出上述 兩式中的指數(shù)，其結(jié)果為x= 1, y= 2, z= 4, R = 1, S= 2, T = 5, 因此卩 K /(8-18)If A. : :/f 八(8-19)系數(shù)K1及K2僅與螺旋槳的進(jìn)程有關(guān)，所謂 進(jìn)程是指螺旋槳旋轉(zhuǎn)一周實(shí)際前進(jìn)的距離，即v.門(8-20)H取進(jìn)程與螺旋槳直徑之比，則得到螺旋槳的相 對(duì)進(jìn)程，它是一個(gè)無因次量，其值為(8-21 ) D nD螺旋槳的效率亦可以用無因次系數(shù)K1、K2及表

12、示：(8-22)叫_&牌J/*_瓦K2pn2D5xZm K2 2式中二為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)角速度。圖8-8表示出了 K1、K2及與表的關(guān)系, 這種曲線稱為螺旋槳的作用曲線。該曲線表明了 對(duì)于既定幾何形狀的螺旋槳，當(dāng)其工作規(guī)范不同 時(shí)，則對(duì)應(yīng)的K1、K2及譏值也都不相同。KiKi?pA79p圖8-8螺旋槳作用曲線當(dāng)時(shí)，即螺旋槳原地旋轉(zhuǎn)，由于這時(shí)螺 旋槳的軸向速度，槳葉的攻角具有很大的 值，故系數(shù)K1及K2達(dá)到最大值。隨著厶的增大, 則攻角逐漸減小，系數(shù)K1及K2亦隨之減小螺旋槳的空泡現(xiàn)象由流體動(dòng)力學(xué)可知，當(dāng)水流繞經(jīng)槳葉時(shí)，在吸 力面上它的局部速度將大于未擾動(dòng)的水流速度； 在槳葉推力面上其繞流速度將小于

13、未擾動(dòng)的速 度。根據(jù)伯努利方程式可以導(dǎo)出槳葉吸力面上的 壓力將小于末干擾時(shí)的水流壓力，當(dāng)螺旋槳的轉(zhuǎn) 速增加到某一定值時(shí)，槳葉的吸力面上的最大流 速處的壓力降到該處溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)， 在吸力面上便會(huì)出現(xiàn)空泡。隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速偽繼 續(xù)提高，空泡區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大到整個(gè)葉元吸力面， 這就是螺旋槳的空化現(xiàn)象?？栈F(xiàn)象分為兩個(gè)階段：如果空泡已經(jīng)出現(xiàn)， 但還沒有擴(kuò)展到葉元的整個(gè)吸力面，則屬于空化 的第一階段；當(dāng)空泡已擴(kuò)展列葉元的整個(gè)吸力面， 并且越出其邊界時(shí)，則屬于空化的第二階段。當(dāng)產(chǎn)生第一階段空化時(shí)，沿葉元的壓力分布發(fā) 生了變化（圖8-11），但它對(duì)螺旋槳的作用曲線 并不發(fā)生影響.這是因?yàn)榭栈a(chǎn)生后在吸

14、力面上 沿葉元的長(zhǎng)度方向壓力分布發(fā)生了變化，壓力分 布面積的減?。娣eabc）能為這種壓力的重新分布所增加的部分（面積 cde）所補(bǔ)償。因此第 一階段的空化對(duì)螺旋槳的推力、力矩和效率均不 會(huì)產(chǎn)生影響分彳iiili線圖8-11葉元壓力分布曲線當(dāng)空泡區(qū)域擴(kuò)大，形成空化第二階段時(shí)，就會(huì) 引起螺旋槳的作用曲線發(fā)生變化，因?yàn)樵诘诙A 段空化時(shí)，.葉元吸力面上的壓力將保持為飽和 蒸汽壓力，但其推力面上的壓力將總是隨著繞流 速度的增加而降低。因此在第二階段空化時(shí)，壓 力分布曲線所包圍的面積以及葉元的升力系數(shù)將 隨繞流速度的增加而下降。所以推力系數(shù)K1、力 矩系數(shù)K2及效率亦相應(yīng)下降。第一階段空化雖然不影響魚

15、雷的工作性能，但 在其它方面卻帶來不良的影響。我們已經(jīng)知道， 工作在斜流中的螺旋槳，流體流經(jīng)盤面的速度場(chǎng) 是不均勻的。螺旋槳轉(zhuǎn)一周在不同位置時(shí)水的繞流速度及攻角是變化的，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)到速度低的 攻角區(qū)域時(shí)，吸力面上的壓力就增大了，空泡就 會(huì)收縮，空泡中的部分水蒸氣分子便會(huì)凝結(jié)，因 而周圍的水向空泡集中，沖擊槳葉，螺旋槳表面 遭破壞，這種現(xiàn)象稱為剝蝕。另一方面，由于空 泡周期性地?cái)U(kuò)張和收縮，所形成的氣泡振動(dòng)導(dǎo)致 噪音的產(chǎn)生，這種噪音對(duì)魚雷的自導(dǎo)裝置將產(chǎn)生 不良的影響。應(yīng)當(dāng)指出，魚雷螺旋槳的工作時(shí)間很短， 空化 對(duì)其剝蝕作用不大。我們必須對(duì)空化的第二階段 予以注意，在設(shè)計(jì)螺旋槳時(shí)，掌握發(fā)生第二階段

16、空化時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)是很需要的，這個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)我們稱為臨 界轉(zhuǎn)數(shù)。如果螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)高于此臨界轉(zhuǎn)數(shù)，則 螺旋槳不可能產(chǎn)生所需要的推力，以保證魚雷的 航行速度。螺旋槳空化的臨界轉(zhuǎn)數(shù)可確定如下：設(shè)所研究 的葉元在水下h，深度以速度呵運(yùn)動(dòng).對(duì)葉元流 過的流線運(yùn)用伯努利方程式即可寫出二P +(8-27)式中卩及芒I分別為在葉元前未受干擾處水流 的壓力和速度，及出分別為葉元吸力面上流體的 壓力和速度。上式可改寫成IJ（ 8-28）令孑，并稱它為減壓系數(shù)，由上式得(8-29)當(dāng)空化的第二階段開始時(shí)，吸力面上的壓力等 于飽和蒸汽壓力K：，繞流速度出則等于臨界繞流 速度辻匚，在上述公式的基礎(chǔ)上得到2加-)Pmax2（幾+池）

17、-血I(8-30)式中兒為人氣壓力；為水的比重, 亠般比卩:人得很多，故上式可簡(jiǎn)化為(8-31)2仇十池）由圖8-10可知，繞流速度與螺旋槳的轉(zhuǎn)速之 間的關(guān)系如下：2曲(8-32)cos/3十池)2nr(8-33)將上述關(guān)系代入式（8-31）,則得臨界轉(zhuǎn)數(shù)螺旋槳的臨界轉(zhuǎn)數(shù)一般是以葉片重心處整個(gè) 葉元進(jìn)入第基階段空泡為其標(biāo)志。為了確定化： 值，須要知道二亠值則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式加以確定，在 此不擬詳述。一般螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)門冬時(shí)，在吸力面上不發(fā) 生空泡，當(dāng)檢時(shí)，在吸力面上局部地方將產(chǎn) 生空泡，當(dāng)；傀：時(shí)空泡則擴(kuò)展到整個(gè)吸力面?？张莸男纬墒艿蕉喾N因素的影響。這些因素是 繞流速度川、攻角、螺旋槳的相對(duì)厚度 b

18、槳 葉數(shù)以及螺旋槳工作深度等。隨著 叫、匕及b值 增加，都會(huì)促使空泡過早的產(chǎn)生。增加葉數(shù)和螺 旋槳工作深度，有利于避免空泡的形成。因?yàn)闃?葉增加以后，各葉片上的負(fù)荷就會(huì)減少，吸力面 上的壓降程度減小，從而可以提高產(chǎn)生空泡的臨 界轉(zhuǎn)數(shù)。增加螺旋槳的工作深度，使得螺旋槳處 的流體靜壓力增加，故可防止空泡過早地出現(xiàn)。螺旋槳的推力減額、推力減額系數(shù)及有效推力 實(shí)踐表明：推力減額基本上是由尾部附加壓力 降所引起的。在雷體 螺旋槳系統(tǒng)中，推力減 額是一個(gè)內(nèi)力，它應(yīng)被螺旋槳所產(chǎn)生的部分推力 所平衡。因此，螺旋槳總推力 T，亦即通過推力 軸承傳給雷體的力，一部分消耗于克服魚雷運(yùn)動(dòng) 的阻力、.，另一部分則消耗于克服推力減額二， 也就是說：丁 - -乙?。?8-25）推力T中用以克服魚雷運(yùn)動(dòng)阻力的部分稱為 螺旋槳的有效推力-，通常把推力減額值用推力 減額系數(shù)一來表示：t =Tt-t9(8-26)所以有效推力為：耳5）(8-27)與推力系數(shù)相似，有效推力系數(shù)二由下式確定: