螺旋槳的幾何特征

1、螺旋槳的幾何特征魚(yú)雷螺旋槳位于魚(yú)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(yú)雷運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，使魚(yú)雷以既定的速度航行。不難理解，為了經(jīng)商魚(yú)雷的速度，不僅要求魚(yú)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(guò)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(yú)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(chēng)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(xiàn)AB（圖8-1），勻速地繞線(xiàn)EE旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又以均勻速度向上移動(dòng)，則線(xiàn)AB上每一個(gè)點(diǎn)就形成一條螺旋線(xiàn)，由這些螺旋線(xiàn)所組成的面叫做螺旋面。線(xiàn)段AB稱(chēng)為螺

2、旋面的母線(xiàn)，它可以是直線(xiàn)或曲線(xiàn)。展開(kāi)了的螺旋線(xiàn)與圓柱體底線(xiàn)間的角度稱(chēng)為螺旋角，以表示，其值可按下式求得（8-1）式中H為螺距。圖8-1 螺旋面的形成當(dāng)母線(xiàn)的圓周運(yùn)動(dòng)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)均為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，所得到的螺旋面稱(chēng)為等螺距螺旋面。其螺旋線(xiàn)的展開(kāi)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(xiàn)的展開(kāi)圖螺旋面也可以由不同螺距的螺旋線(xiàn)組成。例如母線(xiàn)AB以均勻的速度繞EE軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。也以均勻速度直線(xiàn)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(xiàn)的展開(kāi)圖如圖8-2（a）所示。假若母線(xiàn)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

3、運(yùn)動(dòng)不是均勻的，則得到軸向變螺距螺旋面，其螺旋線(xiàn)的展開(kāi)圖如圖8-2（b）所示。圖8-2b 軸向變螺距螺旋面螺旋線(xiàn)的展開(kāi)圖螺旋槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(chēng)為槳轂以一定的角度聯(lián)按于輪毅上。魚(yú)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(chēng)為葉根。槳葉的自由端稱(chēng)為葉梢。當(dāng)螺旋槳開(kāi)始工作時(shí)，葉片首先撥動(dòng)水的一邊稱(chēng)為導(dǎo)邊，而水流從葉片脫離的一邊稱(chēng)為隨邊。葉片迎水的一面稱(chēng)為吸力面，葉片的另一面稱(chēng)為推力面。魚(yú)雷螺旋槳的槳葉剖面一般是弓形的。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(kāi)

4、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(yú)雷曾使用過(guò)單螺旋槳，而目前的魚(yú)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(yú)雷的橫滾。對(duì)于高速魚(yú)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(lái)分析流體對(duì)機(jī)翼的繞流情況。圖8-5（a） 作用于葉片上的流體動(dòng)力（無(wú)攻角）設(shè)將一塊上凸下平的機(jī)翼放于流體中，其流線(xiàn)情況如圖8-5（a）所示。在機(jī)翼附近處流線(xiàn)發(fā)生

5、彎曲，在遠(yuǎn)離機(jī)翼上下一定的距離之外，流線(xiàn)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(wú)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處的靜壓力相同。由于機(jī)翼上部的壓力小于機(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。可將R分成兩個(gè)分力：一個(gè)分力X（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(chēng)為阻力；另一個(gè)分力Y垂直流體的流動(dòng)方向，稱(chēng)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

6、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)翼上部的壓力小于 。而截面b一c則小于截面b-c，所以機(jī)翼下部的壓力仍大于，顯然，機(jī)翼上下的壓力差較之無(wú)攻角時(shí)的還要大，換句話(huà)說(shuō)；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)一步分析影響升力的各種因素。由伯努利方程式可知，流體速度愈大，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

7、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 -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)，-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，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(guò)螺旋槳盤(pán)面時(shí)才開(kāi)始形

8、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(guò)螺旋槳之后的流體不再受到外力的作用，因而將保持不變。通過(guò)理論可以證明在盤(pán)面處的切向誘導(dǎo)速度為（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)流速是未擾動(dòng)的水流速度切向速度 以及誘導(dǎo)速度和等合成的結(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

9、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）升力系數(shù)和阻力系數(shù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。升力dY與流速相垂直，阻力dX與的方向相反。流體動(dòng)力沿螺旋槳軸線(xiàn)方向及切線(xiàn)方向的分力分別為（8-12）（8-13）式中dP即為葉元所產(chǎn)生的推力，而dQ即為葉元的回轉(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：（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(wú)因次系數(shù)表示，應(yīng)用無(wú)因次系數(shù)可以使螺旋槳的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用

10、于幾何相似的任何螺旋槳。對(duì)于既定幾問(wèn)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、轉(zhuǎn)數(shù)n（1/s）及直徑D（m）。因此存在著下列關(guān)系式：（8-16）（8-17）式中K1及K2分別稱(chēng)為無(wú)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x1，y2，z4，R1，S2，T5，因此（8-18）（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（8-20）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(wú)因次量，其值為（8-21）螺旋槳的效率亦可以用無(wú)因次系數(shù)K1

11、、K2及表示：（8-22）式中為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)角速度。圖8-8表示出了K1、K2及與表的關(guān)系，這種曲線(xiàn)稱(chēng)為螺旋槳的作用曲線(xiàn)。該曲線(xiàn)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及值也都不相同。圖8-8 螺旋槳作用曲線(xiàn)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

12、，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(méi)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(xiàn)并不發(fā)生影響這是因?yàn)榭栈a(chǎn)生后在吸力面上沿葉元的長(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

13、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。圖8-11 葉元壓力分布曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?hù)~(yú)雷的工作性能，但在其它方面卻帶來(lái)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(pán)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

14、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?chē)乃蚩张菁?，沖擊槳葉，螺旋槳表面遭破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(yú)雷的自導(dǎo)裝置將產(chǎn)生不良的影響。應(yīng)當(dāng)指出，魚(yú)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)生第二階段空化時(shí)的轉(zhuǎn)數(shù)是很需要的，這個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)我們稱(chēng)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(yú)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

15、研究的葉元在水下h，深度以速度運(yùn)動(dòng)對(duì)葉元流過(guò)的流線(xiàn)運(yùn)用伯努利方程式即可寫(xiě)出（8-27）式中及分別為在葉元前未受干擾處水流的壓力和速度，及分別為葉元吸力面上流體的壓力和速度。上式可改寫(xiě)成（8-28）令，并稱(chēng)它為減壓系數(shù)，由上式得（8-29）當(dāng)空化的第二階段開(kāi)始時(shí)，吸力面上的壓力等于飽和蒸汽壓力，繞流速度則等于臨界繞流速度，在上述公式的基礎(chǔ)上得到（8-30）式中為大氣壓力；為水的比重，由于一般比大得很多，故上式可簡(jiǎn)化為（8-31）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：（8-32）將上述關(guān)系代入式（8-31），則得臨界轉(zhuǎn)數(shù)（8-33）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

16、基階段空泡為其標(biāo)志。為了確定 值，須要知道值則根據(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)時(shí)，在吸力面上不發(fā)生空泡，當(dāng)時(shí)，在吸力面上局部地方將產(chǎn)生空泡，當(dāng)時(shí)空泡則擴(kuò)展到整個(gè)吸力面。空泡的形成受到多種因素的影響。這些因素是繞流速度、攻角、螺旋槳的相對(duì)厚度b、槳葉數(shù)以及螺旋槳工作深度等。隨著、及b值增加，都會(huì)促使空泡過(guò)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~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(guò)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(guò)推力軸承傳給雷體的力，一部分消耗于克服魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)的阻力，另一部分則消耗于克服推力減額，也就是說(shuō)：（8-25） 推力T中用以克服魚(yú)雷運(yùn)動(dòng)阻力的部分稱(chēng)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)來(lái)表示：（8-26）所以有效推力為：（8-27）與推力系數(shù)