螺旋桨的几何特征.docx
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螺旋桨的几何特征
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
h（8-
汰1）
式中H为螺距
图8-1螺旋面的形成
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。
兀儿儿
n
ta—I
2jrr
图8-2b轴向变螺距螺旋面螺旋线的展开图
螺旋桨的结构参数
叶稍
随边
导边
轮毂
推力血
吸力面
图8-3螺旋桨的结构参数
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。
桨叶与轮毅的联接处称为叶根。
桨叶的自由端称为叶梢。
当螺旋桨开始工作时，叶片首先拨动水的一边称为导边，而水
流从叶片脱离的一边称为随边。
叶片迎水的一面称为吸力面，叶片的另一面称为推力面。
鱼雷螺旋桨的桨叶剖面一般是弓形的。
所谓桨叶剖面就是指用与螺旋桨共轴的圆柱面同桨叶相剖后所得到的截面，经展开后得到的形状。
桨叶剖面形状确定于流体动力特性和桨叶的强度，由于桨叶承受流体动力的作用。
故它必须具有足够的厚度以保证其强度。
早期鱼雷曾使用过单螺旋桨，而目前的鱼雷一般都是采用对转螺旋桨.当螺旋桨工作时，两个螺旋桨的反作用力矩能获得较好的平衡.以便减小鱼雷的横滚。
对于高速鱼雷，在螺旋桨直径受到其它条件限制的情况下，为了获得足够的推力，就必须采用双螺旋桨。
螺旋桨的工作原理
螺旋桨的桨叶截面犹如一个机翼的断面，为了阐明螺旋桨产生推力的原因，我们首先来分析流体对机翼的绕流情况。
图8-5（a）作用于叶片上的流体动力（无攻
角）
设将一块上凸下平的机翼放于流体中，其流线情况如图8-5（a）所示。
在机翼附近处流线发生弯曲，在远离机翼上下一定的距离之外，流线又恢复平直。
不难理解，翼面上方的流体速度大于翼面下方的流体速度。
现在再分析机翼下部所受的流体压力，设其下部与流体的流速平行（相当于无攻角情况），这时流经机翼下部的流速与截面a一a的流速大致相同，因此机翼下部的流体静力=亦大致与截面a一a处的静压力闩相同。
由于机翼上部的压力八小于机翼下部的压力乩，所以机翼上下就形成压力差，该压力差连同流体流经机翼时产生的摩擦力合成一总的流体动力R。
可将R分成两个分力：
一个分力X（平行于流体流动方向），阻止机翼的前进运动，该力称为阻力；另一个分力Y垂直流体的流动方向，称为升力。
图8-5（b）作用于叶片上的流体动力（有攻
角）
若机翼的前缘略为向上仰起（图8-5（b））,即机翼与流动方向形成一个不大的攻角。
则机翼的绕流情况将发生变化，从而使作用于机翼上的流体动力增加。
由图8-5（b）可以看出、截面a一b仍然大于截面a'—b'所以机翼上部的压力八小于川。
而截面b一c则小于截面b'-C',所以机翼下部的压力基仍大于丛，显然，机翼上下的压力差较之无攻角时的还要大，换句话说；随着攻角的增加•作用在机翼上的流体动力也愈大。
螺旋桨的工作原理
我们进一步分析影响升力的各种因素
由伯努利方程式可知，流体速度愈大，机翼上下的压力差愈大，因而升力也愈大。
实验证明，升力与速度的平方成正比。
升力产生的主要原因是由于机翼上下存在着压力差，压力差作用的面积愈大，所产生的升力愈大。
因此升力还与机翼面积成正比。
对于阻力X有着和升力Y相同的结论。
综合以上所述，可将升力和阻力分别用下式表
示：
（8-7）
2
式中少--相对机翼的流体速度；
F--机翼的投影面积；
八--流体的密度，
"--升力系数，
1--阻力系数。
—和「是翼型和攻角的函数。
（8-8）
我们现
我
对机冀产生升力的原因作了分析之后，在就可以进一步研究螺旋桨产生推力的原因们可以把桨叶看作是处于攻角为Q、速度为''〔的水流中机翼的一部分，作用于这部分机翼上的升力就形成了螺旋桨的推力。
当研究螺旋桨的绕流情况时，我们还应指出，螺旋桨工作时，水流不但获得了轴向诱导速度，而且沿螺旋桨的旋转方向也获得了切向诱导速度。
切向诱导速度只是水流通过螺旋桨盘面时才开始形成的，它是由流体流经螺旋桨时因扭转而产生的。
设螺旋桨后面远处的切向诱导速度为1--，由于经过螺旋桨之后的流体不再受到外力的作用，因而厲2将保持不变。
通过理论可以证明在盘面处的切向诱导速度为
Ji'；（&9）
现在.我们可以作出桨叶任意半径处叶片的流体速度多角形（图8-7）.其中包括铀向诱导速度和切向诱导速度。
从图中可以看出作用在叶片上的相对流速J是未扰动的水流速度L切向速度"以及诱导速度、和J等合成的结果。
该合成速度以一定的攻角作用于叶片上•叶片剖面犹如一个机翼剖面，根据机翼产生升力的同样道理，在叶片上同样产生流体动力的作用。
图8-7（b）叶片上的速度多角形
设作用于半径为r、宽度为b、长度为dr叶片上的升力和阻力分别为dY和dX，则根据机翼理论可表示如下：
图8-7（a）叶片上的作用力多角形
2
dY=cy^^-bdr
J2
dX-cxbdr
2
（8-10）
（8-11）
升力系数％和阻力系数5可以通过实验确定升力dY与流速1相垂直，阻力dX与"」的方向相反。
流体动力沿螺旋桨轴线方向及切线方向的分
力分别为
，■/P汀厂品Z'4.■/V.III/.'（8-12）
dQ-刃］+dXQ-dY^in0+dXcos（8-13）
式中dP即为叶元所产生的推力，而dQ即为
叶元的回转阻力。
螺旋桨的工作原理
如果巳知叶元力dP及dQ沿螺旋桨叶片长度上的分布规律，则由螺旋桨产生的总推力及回转阻力矩可分别由下列式子表示：
（8-14）
Q=s^dQ（8-15）
式中Z--螺旋桨的叶片数；
R--螺旋桨的外半径；
r--螺旋桨毂半径。
螺旋桨的推力及回转力矩通常用无因次系数表示，应用无因次系数可以使螺旋桨的模型实验结果运用于几何相似的任何螺旋桨。
对于既定几问形状的螺旋桨在给定流速的情况下，螺旋桨的推力及力矩正比于流体密度「认—、转数n（1/s）及直径D（m）。
因此存在着下列关系式：
+'冷人厂’"■厂（8-16）
\!
'八’（8-17）
式中K1及K2分别称为无困次推力系数及力矩系数。
推力的单位为N,而力矩的单位为血垃，对上述公式的两边进行因次比较便可确定出上述两式中的指数，其结果为
x=1,y=2,z=4,R=1,S=2,T=5,
因此
卩人］广厂门（8-18）
人；"门‘（8-19）
n
系数K1及K2仅与螺旋桨的进程有关，所谓进程是指螺旋桨旋转一周实际前进的距离，即
（8-20）
取进程与螺旋桨直径之比，则得到螺旋桨的相对进程八，它是一个无因次量，其值为
rk
%
仏=—=
（8-21）
pD
nD
pv耳P=
Md）K新D‘x
（8-22）
螺旋桨的效率亦可以用无因次系数K1、K2及心表示：
式中卫为螺旋桨的旋转角速度。
图8-8表示出了K1、K2及宀与心表的关系,这种曲线称为螺旋桨的作用曲线。
该曲线表明了对于既定几何形状的螺旋桨，当其工作规范不同时，则对应的K1、K2及化值也都不相同。
K|K：
7p
K2
图8-8螺旋桨作用曲线
当切=0时，即螺旋桨原地旋转，由于这时螺旋桨的轴向速度';"-，桨叶的攻角具有很大的值，故系数K1及K2达到最大值。
随着心的增大,则攻角逐渐减小，系数K1及K2亦随之减小
螺旋桨的空泡现象
由流体动力学可知，当水流绕经桨叶时，在吸力面上它的局部速度将大于未扰动的水流速度；在桨叶推力面上其绕流速度将小于未扰动的速度。
根据伯努利方程式可以导出桨叶吸力面上的压力将小于末干扰时的水流压力，当螺旋桨的转速增加到某一定值时，桨叶的吸力面上的最大流速处的压力降到该处温度下的饱和蒸汽压力时，在吸力面上便会出现空泡。
随着螺旋桨转速伪继续提高，空泡区域会逐渐扩大到整个叶元吸力面，这就是螺旋桨的空化现象。
空化现象分为两个阶段：
如果空泡已经出现，但还没有扩展到叶元的整个吸力面，则属于空化的第一阶段；当空泡已扩展列叶元的整个吸力面，并且越出其边界时，则属于空化的第二阶段。
当产生第一阶段空化时，沿叶元的压力分布发生了变化（图8-11），但它对螺旋桨的作用曲线并不发生影响．这是因为空化产生后在吸力面上沿叶元的长度方向压力分布发生了变化，压力分布面积的减小（面积abc）能为这种压力的重新分布所增加的部分（面积cde）所补偿。
因此第一阶段的空化对螺旋桨的推力、力矩和效率均不会产生影响。
空泡区
图8-11叶元压力分布曲线
当空泡区域扩大，形成空化第二阶段时，就会引起螺旋桨的作用曲线发生变化，因为在第二阶段空化时，.叶元吸力面上的压力将保持为饱和蒸汽压力，但其推力面上的压力将总是随着绕流速度的增加而降低。
因此在第二阶段空化时，压力分布曲线所包围的面积以及叶元的升力系数将随绕流速度的增加而下降。
所以推力系数K1、力矩系数K2及效率⑺亦相应下降。
第一阶段空化虽然不影响鱼雷的工作性能，但在其它方面却带来不良的影响。
我们已经知道，工作在斜流中的螺旋桨，流体流经盘面的速度场是不均匀的。
螺旋桨转一周在不同位置时水的绕流速度及攻角是变化的，当螺旋桨转到速度低的攻角区域时，吸力面上的压力就增大了，空泡就会收缩，空泡中的部分水蒸气分子便会凝结，因而周围的水向空泡集中，冲击桨叶，螺旋桨表面遭破坏，这种现象称为剥蚀。
另一方面，由于空泡周期性地扩张和收缩，所形成的气泡振动导致噪音的产生，这种噪音对鱼雷的自导装置将产生不良的影响。
应当指出，鱼雷螺旋桨的工作时间很短，空化对其剥蚀作用不大。
我们必须对空化的第二阶段予以注意，在设计螺旋桨时，掌握发生第二阶段空化时的转数是很需要的，这个转数我们称为临界转数。
如果螺旋桨的转数高于此临界转数，则螺旋桨不可能产生所需要的推力，以保证鱼雷的航行速度。
螺旋桨空化的临界转数可确定如下：
设所研究的叶元在水下h，深度以速度"运动.对叶元流过的流线运用伯努利方程式即可写出
（8-27）
式中八及化分别为在叶元前未受干扰处水流的压力和速度，"及也分别为叶元吸力面上流体的压力和速度。
（8-28）
上式可改写成
令'一1并称它为减压系数，由上式得
（8-29）
当空化的第二阶段开始时，吸力面上的压力等于饱和蒸汽压力儿，绕流速度工则等于临界绕流
（8-30）
20（）-%）
2［（P空十肌）—“訂
P爲ax
速度_：
，在上述公式的基础上得到
式中八为人气压力；「为水的比重，由于儿E
亠般比儿人得很多，故上式可简化为
（8-31）
由图8-10可知，绕流速度与螺旋桨的转速之
间的关系如下：
2曲％
"（8-32）
COSp
将上述关系代入式（8-31），则得临界转数
cos"]2（p吉+诙»
（8-33）
螺旋桨的临界转数一般是以叶片重心处整个叶元进入第基阶段空泡为其标志。
为了确定"丁值，须要知道值则根据经验公式加以确定，在
此不拟详述。
一般螺旋桨的转数1J时，在吸力面上不发生空泡，当"一心叫时，在吸力面上局部地方将产生空泡，当"'5时空泡则扩展到整个吸力面。
空泡的形成受到多种因素的影响。
这些因素是绕流速度J、攻角"、、螺旋桨的相对厚度b、桨叶数以及螺旋桨工作深度等。
随着"、几及b值增加，都会促使空泡过早的产生。
增加叶数和螺旋桨工作深度，有利于避免空泡的形成。
因为桨叶增加以后，各叶片上的负荷就会减少，吸力面上的压降程度减小，从而可以提高产生空泡的临界转数。
增加螺旋桨的工作深度，使得螺旋桨处的流体静压力增加，故可防止空泡过早地出现。
螺旋桨的推力减额、推力减额系数及有效推力实践表明：
推力减额基本上是由尾部附加压力降所引起的。
在雷体——螺旋桨系统中，推力减
额是一个内力，它应被螺旋桨所产生的部分推力所平衡。
因此，螺旋桨总推力T,亦即通过推力轴承传给雷体的力，一部分消耗于克服鱼雷运动的阻力，另一部分则消耗于克服推力减额，也就是说：
（8-25）
推力T中用以克服鱼雷运动阻力的部分称为螺旋桨的有效推力二，通常把推力减额值用推力减额系数上来表示：
（8-26）
所以有效推力为：
（8-27）
与推力系数匚相似，有效推力系数匚由下式确定:
（8-28）
或者将式（8-27）代入上式得:
推力减额系数的大小决定于雷体形状、螺旋桨与雷体的相互位置、螺旋桨的大小及工作规范，并用试验方法确定之。
研究证实，推力减额系数与螺旋桨的相对于零推力螺距的滑脱$有下列关系：
/=常数
其中云
f=—
由此，1
当二「时，则”，此时一,，这也就是说；I是当螺旋桨原地（用系缆固定）工作时的推力减额系数。
对于鱼雷类型的旋转体，「—巴甫连科教授提供了下述公式
如=0.2•sina（8-30）
式中二:
为鱼雷尾部壳体之切线与雷体纵轴的夹角。
对现有鱼雷系数
如=0035
当有效推力系数订「时，其进速系数值「称为零有效推力的相对螺距，并用」来表示。
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