船用螺旋桨理论研究的发展与方向

可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋
转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋桨半径r1和r2(r1<r2)两处各取极小一段，讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度；n—螺旋桨转速；φ—气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角；α—桨叶剖面迎角；β—桨叶角，即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β=α+φ。空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力ΔD和升力ΔL，合成后总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT，与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。从以上两图还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应桨叶角也应较小。而在接近桨根，半径较小处气流角较大，对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。从图中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J=V/nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算：T=Ctρn2D4P=Cpρn3D5η=J·Ct/Cp式中：Ct—拉力系数；Cp—功率系数；ρ—空气密度；n—螺旋桨转速；D—螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺旋桨的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。从图形和计算公式都可以看到，当前进比较小时，螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如：飞行速度为72千米/小时，发动转速为6500转/分时，η≈32%。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。

当前位置：首页> 网络课堂> 第八章> 螺旋桨的工作原理螺旋桨的几何特征鱼雷螺旋桨位于鱼雷的尾部，由发动机带动以产生推力，利用该推力克服鱼雷运动时的阻力，使鱼雷以既定的速度航行。

不难理解，为了经商鱼雷的速度，不仅要求鱼雷具有阻力最小的雷体外形，还须要配置效率较高的螺旋桨，才能获得较好的推进效果。

螺旋桨通过推进轴直接由发动机驱动，当螺旋桨旋转时，将水流推向鱼雷后方。

根据作用与反作用原理，水便对螺旋桨产生反作用力，该反作用力即称为螺旋桨的推力。

我们研究螺旋桨的几何特征时，首先要对螺旋面有所了解。

设有一水平线AB（图8-1），匀速地绕线EE旋转，同时又以均匀速度向上移动，则线AB上每一个点就形成一条螺旋线，由这些螺旋线所组成的面叫做螺旋面。

线段AB称为螺旋面的母线，它可以是直线或曲线。

展开了的螺旋线与圆柱体底线间的角度称为螺旋角，以表示，其值可按下式求得（8-1）式中H为螺距。

图8-1 螺旋面的形成（螺旋面的形成演示动画）当母线的圆周运动和直线运动均为匀速运动时，所得到的螺旋面称为等螺距螺旋面。

其螺旋线的展开图形如图8-1所示，不同半径处具有相同的螺距。

图8-2a 径向变螺距螺旋面螺旋线的展开图螺旋面也可以由不同螺距的螺旋线组成。

例如母线AB以均匀的速度绕EE轴线旋转。

也以均匀速度直线上升，只是在不同的半径上具有不同的上升速度，则得到径向变螺距螺旋面，不同的半径处螺距是不同的，其螺旋线的展开图如图8-2（a）所示。

假若母线的旋转运动和前进运动不是均匀的．或者其中任一种运动不是均匀的，则得到轴向变螺距螺旋面，其螺旋线的展开图如图8-2（b）所示。

图8-2b 轴向变螺距螺旋面螺旋线的展开图图8-3 螺旋桨的结构参数（螺旋桨的结构参数演示动画）螺旋桨的结构参数如图8-3所示。

螺旋桨与推进轴联接的部分称为桨毂以一定的角度联按于轮毅上。

鱼雷的桨叶一般为2-7片。

叶片数主要决定于螺旋桨推力的大小。

第九章螺旋桨图谱设计§9-1 设计问题与设计方法螺旋桨设计是整个船舶设计中的一个重要组成部分。

在船舶线型初步设计完成后，通过有效马力的估算或船模阻力试验，得出该船的有效马力曲线。

在此基础上，要求我们设计一个效率最佳的螺旋桨，既能达到预定的航速，又要使消耗的主机马力小；或者当主机已选定，要求设计一个在给定主机条件下使船舶能达到最高航速的螺旋桨。

因此，螺旋桨的设计问题可分为两类。

一、螺旋桨的初步设计对于新设计的船舶，根据设计任务书对船速的要求设计出最合适的螺旋桨，然后由螺旋桨的转速及效率决定主机的转速及马力，并据此订购主机。

具体地讲就是：①已知船速V，有效马力PE，根据选定的螺旋桨直径D，确定螺旋桨的最佳转速n、效率η0、螺距比P/D和主机马力P s；②已知船速V，有效马力PE，根据给定的转速n，确定螺旋桨的最佳直径D、效率η0、螺距比P/D和主机马力Ps。

二、终结设计主机马力和转速决定后(最后选定的主机功率及转速往往与初步设计所决定者不同)，求所能达到的航速及螺旋桨的尺度。

具体地讲就是：已知主机马力Ps、转速n和有效马力曲线，确定所能达到的最高航速V，螺旋桨的直径D、螺距比P/D及效率η0。

新船采用现成的标准型号主机或旧船调换螺旋桨等均属此类问题。

在造船实践中，一般采用标准机型，所以在实际设计中，极大多数是这类设计问题。

目前设计船用螺旋桨的方法有两种，即图谱设计法及环流理论设计法。

图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计。

用图谱方法设计螺旋桨不仅计算方便，易于为人们所掌握，而且如选用图谱适宜，其结果也较为满意，是目前应用较广的一种设计方法。

应用图谱设计螺旋桨虽然受到系列组型式的限制，但此类资料日益丰富，已能包括一般常用螺旋桨的类型。

环流理论设计方法是根据环流理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。

用此种方法可以分别选择各半径处最适宜的螺距和切面形状，并能照顾到船后伴流不均匀的影响，因而对于螺旋桨的空泡和振动问题可进行比较正确的考虑。

第十一章特种推进器上述各章中我们所讨论的推进器均为普通螺旋桨，广泛用于一般商船和军舰。

除普通螺旋桨外，还有许多其他形式的推进器，如导管螺旋桨、可调螺距螺旋桨、喷水推进器、隧道螺旋桨、串联螺旋桨和对转螺旋桨及风帆等。

各类推进机构在特殊情况下各有其优点，为了更好地满足各种特殊船舶所要求的性能，采用相应的推进器型式是有利的。

由于篇幅所限，本章将着重讨论应用较广的导管螺旋桨和可调螺距螺旋桨，至于其他型式的推进器仅作一般介绍。

§11-1导管螺旋桨导管螺旋桨亦称套筒螺旋桨(见图l1-1)，是在螺旋桨的外围加上一个环形套筒而成。

套筒的剖面为机翼型或折角线型。

由于它能改善重载螺旋桨的效率，故首先在螺旋桨载荷较重的船舶上得到广泛应用(如拖船、顶推船以及拖网渔船)。

最近十多年来，船舶向大型化、高功率发展，导致螺旋桨的载荷加重。

实践证明，此类船上采用导管螺旋桨不仅可提高推进效率，而且有利于减小振动。

图11-2为各类船用推进器最佳效率的比较，图的上方还标出了各类船舶B p的大致范围。

从图中可以看出，当Bp值约为25时，导管螺旋桨开始显示出其优越性，载荷越高，效率上的收益越大。

近代大型油船的Bp值一般在40以上，采用导管螺旋桨能使效率有明显的提高。

至于渔船及拖船，其Bp值分别在60及100以上，导管螺旋桨的效率远远超过普通螺旋桨，故在这类船上采用导管螺旋桨的优越性是毫无疑问的。

采用导管螺旋桨除能提高重载螺旋桨的效率外，尚有下列优点：①将导管兼作舵用，可显著提高船舶的操纵性能；② 导管螺旋桨盘面处的水流速度受船速变化的影响远较普通螺旋桨为小，因此导管螺旋桨吸收的功率受船速变化的影响较小，在各种载荷(如拖曳或自由航行等)情况下都能良好地运转；③ 纵摇较小，可减小波浪中失速；④ 保护螺旋桨不与异物相碰，浅吃水时可防止空气吸入现象。

一、导管螺旋桨的工作原理在第三章中，我们已求得推进器的理想效率ηiA 与载荷系数σT 之间的关系如下：T A i 112ση++= （11-1）上式也可用尾流截面积（图3-1中的CC 1断面）A 1来表示，根据连续性方程有：）（）（a A 11a A u V A u V A +=+ 将上述关系式代入(3-5)式，得：T i = ρ A 1（V A + u a ）u a从上式解出u a ，得：1i 2A A a 4212A ρTV V u ++-= 代入(3-7)式并经整理后得：2A 1i iA 4134V A ρT η++=（11-2）0.700.600.500.400.302001501251009080706050403025201510B Pη0o p t图 11-2其中，2A i T 21AV ρT σ=为推进器的载荷系数，ρ为水的密度，T i 为推进器的推力，V A 为推进器进速，A 为推进器盘面积，A 1为尾流截面积。