螺旋槳的幾何特征

1、螺旋槳的幾何特征魚雷螺旋槳位于魚雷的尾部，由發(fā)動機帶動以產生推力，利用該推力克服魚雷運動時的阻力，使魚雷以既定的速度航行。不難理解，為了經商魚雷的速度，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效果。螺旋槳通過推進軸直接由發(fā)動機驅動，當螺旋槳旋轉時，將水流推向魚雷后方。根據作用與反作用原理，水便對螺旋槳產生反作用力，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，首先要對螺旋面有所了解。設有一水平線AB（圖8-1），勻速地繞線EE旋轉，同時又以均勻速度向上移動，則線AB上每一個點就形成一條螺旋線，由這些螺旋線所組成的面叫做螺旋面。線段AB稱為螺

2、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（8-1）式中H為螺距。圖8-1 螺旋面的形成當母線的圓周運動和直線運動均為勻速運動時，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。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。假若母線的旋轉運動和前進運動不是均勻的或者其中任一種

3、運動不是均勻的，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。圖8-2b 軸向變螺距螺旋面螺旋線的展開圖螺旋槳的結構參數圖8-3 螺旋槳的結構參數螺旋槳的結構參數如圖8-3所示。螺旋槳與推進軸聯接的部分稱為槳轂以一定的角度聯按于輪毅上。魚雷的槳葉一般為2-7片。葉片數主要決定于螺旋槳推力的大小。槳葉與輪毅的聯接處稱為葉根。槳葉的自由端稱為葉梢。當螺旋槳開始工作時，葉片首先撥動水的一邊稱為導邊，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，經展開

4、后得到的形狀。槳葉剖面形狀確定于流體動力特性和槳葉的強度，由于槳葉承受流體動力的作用。故它必須具有足夠的厚度以保證其強度。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轉螺旋槳當螺旋槳工作時，兩個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機翼的斷面，為了闡明螺旋槳產生推力的原因，我們首先來分析流體對機翼的繞流情況。圖8-5（a） 作用于葉片上的流體動力（無攻角）設將一塊上凸下平的機翼放于流體中，其流線情況如圖8-5（a）所示。在機翼附近處流線發(fā)生

5、彎曲，在遠離機翼上下一定的距離之外，流線又恢復平直。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在再分析機翼下部所受的流體壓力，設其下部與流體的流速平行（相當于無攻角情況），這時流經機翼下部的流速與截面a一a的流速大致相同，因此機翼下部的流體靜力亦大致與截面a一a處的靜壓力相同。由于機翼上部的壓力小于機翼下部的壓力，所以機翼上下就形成壓力差，該壓力差連同流體流經機翼時產生的摩擦力合成一總的流體動力R?？蓪分成兩個分力：一個分力X（平行于流體流動方向），阻止機翼的前進運動，該力稱為阻力；另一個分力Y垂直流體的流動方向，稱為升力。圖8-5（b） 作用于葉片上的流體動力（有攻角）若機翼的

6、前緣略為向上仰起（圖8-5（b），即機翼與流動方向形成一個不大的攻角。則機翼的繞流情況將發(fā)生變化，從而使作用于機翼上的流體動力增加。由圖8-5（b）可以看出、截面a一b仍然大于截面a一b，所以機翼上部的壓力小于 。而截面b一c則小于截面b-c，所以機翼下部的壓力仍大于，顯然，機翼上下的壓力差較之無攻角時的還要大，換句話說；隨著攻角的增加作用在機翼上的流體動力也愈大。螺旋槳的工作原理我們進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，機翼上下的壓力差愈大，因而升力也愈大。實驗證明，升力與速度的平方成正比。升力產生的主要原因是由于機翼上下存在著壓力差，壓力差作用的面積愈大，所產生的

7、升力愈大。因此升力還與機翼面積成正比。對于阻力X有著和升力Y相同的結論。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 -相對機翼的流體速度；F-機翼的投影面積；-流體的密度，-升力系數，-阻力系數。和是翼型和攻角的函數。對機冀產生升力的原因作了分析之后，我們現在就可以進一步研究螺旋槳產生推力的原因。我們可以把槳葉看作是處于攻角為、速度為的水流中機翼的一部分，作用于這部分機翼上的升力就形成了螺旋槳的推力。當研究螺旋槳的繞流情況時，我們還應指出，螺旋槳工作時，水流不但獲得了軸向誘導速度，而且沿螺旋槳的旋轉方向也獲得了切向誘導速度。切向誘導速度只是水流通過螺旋槳盤面時才開始形

8、成的，它是由流體流經螺旋槳時因扭轉而產生的。設螺旋槳后面遠處的切向誘導速度為，由于經過螺旋槳之后的流體不再受到外力的作用，因而將保持不變。通過理論可以證明在盤面處的切向誘導速度為（8-9）現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）其中包括鈾向誘導速度和切向誘導速度。從圖中可以看出作用在葉片上的相對流速是未擾動的水流速度切向速度 以及誘導速度和等合成的結果。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機翼剖面，根據機翼產生升力的同樣道理，在葉片上同樣產生流體動力的作用。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作用于半徑為r、寬度為b、長度

9、為dr葉片上的升力和阻力分別為dY和dX，則根據機翼理論可表示如下：（8-10）（8-11）升力系數和阻力系數可以通過實驗確定。升力dY與流速相垂直，阻力dX與的方向相反。流體動力沿螺旋槳軸線方向及切線方向的分力分別為（8-12）（8-13）式中dP即為葉元所產生的推力，而dQ即為葉元的回轉阻力。螺旋槳的工作原理如果巳知葉元力dP及dQ沿螺旋槳葉片長度上的分布規(guī)律，則由螺旋槳產生的總推力及回轉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；R-螺旋槳的外半徑；r-螺旋槳轂半徑。螺旋槳的推力及回轉力矩通常用無因次系數表示，應用無因次系數可以使螺旋槳的模型實驗結果運用

10、于幾何相似的任何螺旋槳。對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、轉數n（1/s）及直徑D（m）。因此存在著下列關系式：（8-16）（8-17）式中K1及K2分別稱為無困次推力系數及力矩系數。推力的單位為N，而力矩的單位為 ，對上述公式的兩邊進行因次比較便可確定出上述兩式中的指數，其結果為x1，y2，z4，R1，S2，T5，因此（8-18）（8-19）系數K1及K2僅與螺旋槳的進程有關，所謂進程是指螺旋槳旋轉一周實際前進的距離，即（8-20）取進程與螺旋槳直徑之比，則得到螺旋槳的相對進程，它是一個無因次量，其值為（8-21）螺旋槳的效率亦可以用無因次系數K1

11、、K2及表示：（8-22）式中為螺旋槳的旋轉角速度。圖8-8表示出了K1、K2及與表的關系，這種曲線稱為螺旋槳的作用曲線。該曲線表明了對于既定幾何形狀的螺旋槳，當其工作規(guī)范不同時，則對應的K1、K2及值也都不相同。圖8-8 螺旋槳作用曲線當時，即螺旋槳原地旋轉，由于這時螺旋槳的軸向速度，槳葉的攻角具有很大的值，故系數K1及K2達到最大值。隨著的增大，則攻角逐漸減小，系數K1及K2亦隨之減小螺旋槳的空泡現象由流體動力學可知，當水流繞經槳葉時，在吸力面上它的局部速度將大于未擾動的水流速度；在槳葉推力面上其繞流速度將小于未擾動的速度。根據伯努利方程式可以導出槳葉吸力面上的壓力將小于末干擾時的水流壓力

12、，當螺旋槳的轉速增加到某一定值時，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，在吸力面上便會出現空泡。隨著螺旋槳轉速偽繼續(xù)提高，空泡區(qū)域會逐漸擴大到整個葉元吸力面，這就是螺旋槳的空化現象?？栈F象分為兩個階段：如果空泡已經出現，但還沒有擴展到葉元的整個吸力面，則屬于空化的第一階段；當空泡已擴展列葉元的整個吸力面，并且越出其邊界時，則屬于空化的第二階段。當產生第一階段空化時，沿葉元的壓力分布發(fā)生了變化（圖8-11），但它對螺旋槳的作用曲線并不發(fā)生影響這是因為空化產生后在吸力面上沿葉元的長度方向壓力分布發(fā)生了變化，壓力分布面積的減小（面積abc）能為這種壓力的重新分布所增加的部

13、分（面積cde）所補償。因此第一階段的空化對螺旋槳的推力、力矩和效率均不會產生影響。圖8-11 葉元壓力分布曲線當空泡區(qū)域擴大，形成空化第二階段時，就會引起螺旋槳的作用曲線發(fā)生變化，因為在第二階段空化時，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，壓力分布曲線所包圍的面積以及葉元的升力系數將隨繞流速度的增加而下降。所以推力系數K1、力矩系數K2及效率亦相應下降。第一階段空化雖然不影響魚雷的工作性能，但在其它方面卻帶來不良的影響。我們已經知道，工作在斜流中的螺旋槳，流體流經盤面的速度場是不均勻的。螺旋槳轉一周在不同位置時水的繞流

14、速度及攻角是變化的，當螺旋槳轉到速度低的攻角區(qū)域時，吸力面上的壓力就增大了，空泡就會收縮，空泡中的部分水蒸氣分子便會凝結，因而周圍的水向空泡集中，沖擊槳葉，螺旋槳表面遭破壞，這種現象稱為剝蝕。另一方面，由于空泡周期性地擴張和收縮，所形成的氣泡振動導致噪音的產生，這種噪音對魚雷的自導裝置將產生不良的影響。應當指出，魚雷螺旋槳的工作時間很短，空化對其剝蝕作用不大。我們必須對空化的第二階段予以注意，在設計螺旋槳時，掌握發(fā)生第二階段空化時的轉數是很需要的，這個轉數我們稱為臨界轉數。如果螺旋槳的轉數高于此臨界轉數，則螺旋槳不可能產生所需要的推力，以保證魚雷的航行速度。螺旋槳空化的臨界轉數可確定如下：設所

15、研究的葉元在水下h，深度以速度運動對葉元流過的流線運用伯努利方程式即可寫出（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。上式可改寫成（8-28）令，并稱它為減壓系數，由上式得（8-29）當空化的第二階段開始時，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，故上式可簡化為（8-31）由圖8-10可知，繞流速度與螺旋槳的轉速之間的關系如下：（8-32）將上述關系代入式（8-31），則得臨界轉數（8-33）螺旋槳的臨界轉數一般是以葉片重心處整個葉元進入第

16、基階段空泡為其標志。為了確定 值，須要知道值則根據經驗公式加以確定，在此不擬詳述。一般螺旋槳的轉數時，在吸力面上不發(fā)生空泡，當時，在吸力面上局部地方將產生空泡，當時空泡則擴展到整個吸力面?？张莸男纬墒艿蕉喾N因素的影響。這些因素是繞流速度、攻角、螺旋槳的相對厚度b、槳葉數以及螺旋槳工作深度等。隨著、及b值增加，都會促使空泡過早的產生。增加葉數和螺旋槳工作深度，有利于避免空泡的形成。因為槳葉增加以后，各葉片上的負荷就會減少，吸力面上的壓降程度減小，從而可以提高產生空泡的臨界轉數。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。螺旋槳的推力減額、推力減額系數及有效推力實踐表明：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，推力減額是一個內力，它應被螺旋槳所產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動的阻力，另一部分則消耗于克服推力減額，也就是說：（8-25） 推力T中用以克服魚雷運動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來表示：（8-26）所以有效推力為：（8-27）與推力系數