螺旋桨的几何特征.doc

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，利用该推力克制鱼雷运动时的阻力，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，将水流推向鱼雷前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，那么线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，不同半径处具有一样的螺距图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，那么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〕所示假假设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，那么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螺旋桨的结构参数图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局部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场工作时，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，为了说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的流速大致一样，因此机翼下部的流体静力亦大致与截面a一a处的静压力一样由于机翼上部的压力小于机翼下部的压力，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〕假设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。

那么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’一b’，所以机翼上部的压力小于 而截面b一c那么小于截面b’’-c’，所以机翼下部的压力仍大于，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一样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〕〔8-8〕式中 --相对机翼的流体速度；F--机翼的投影面积；--流体的密度，--升力系数，--阻力系数和是翼型和攻角的函数对机冀产生升力的原因作了分析之后，我们现在就可以进一步研究螺旋桨产生推力的原因我们可以把桨叶看作是处于攻角为、速度为的水流中机翼的一局部，作用于这局部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场形成的，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，由于经过螺旋桨之后的流体不再受到外力的作用，因而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〔8-9〕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是未扰动的水流速度切向速度 以与诱导速度和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〔a〕 叶片上的作用力多角形图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，那么根据机翼理论可表示如下：〔8-10〕〔8-11〕升力系数和阻力系数可以通过实验确定升力dY与流速相垂直，阻力dX与的方向相反流体动力沿螺旋桨轴线方向与切线方向的分力分别为〔8-12〕〔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与dQ沿螺旋桨叶片长度上的分布规律，那么由螺旋桨产生的总推力与回转阻力矩可分别由以下式子表示：〔8-14〕〔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。

螺旋桨的推力与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，螺旋桨的推力与力矩正比于流体密度、转数n〔1/s〕与直径D〔m〕因此存在着以下关系式：〔8-16〕〔8-17〕式中K1与K2分别称为无困次推力系数与力矩系数推力的单位为N，而力矩的单位为 ，对上述公式的两边进展因次比拟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〔8-18〕〔8-19〕系数K1与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，那么得到螺旋桨的相对进程，它是一个无因次量，其值为〔8-21〕螺旋桨的效率亦可以用无因次系数K1、K2与表示：〔8-22〕式中为螺旋桨的旋转角速度图8-8表示出了K1、K2与与表的关系，这种曲线称为螺旋桨的作用曲线该曲线说明了对于既定几何形状的螺旋桨，当其工作规不同时，那么对应的K1、K2与值也都不一样图8-8 螺旋桨作用曲线当时，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与K2到达最大值。

随着的增大，那么攻角逐渐减小，系数K1与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，那么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，那么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局部〔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与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与效率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与攻角是变化的，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，空泡中的局部水蒸气分子便会凝结，因而周围的水向空泡集中，冲击桨叶，螺旋桨外表遭破坏，这种现象称为剥蚀另一方面，由于空泡周期性地扩和收缩，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，那么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〕式中与分别为在叶元前未受干扰处水流的压力和速度，与分别为叶元吸力面上流体的压力和速度。

上式可改写成〔8-28〕令，并称它为减压系数，由上式得〔8-29〕当空化的第二阶段开场时，吸力面上的压力等于饱和蒸汽压力，绕流速度那么等于临界绕流速度，在上述公式的根底上得到〔8-30〕式中为大气压力；为水的比重，由于一般比大得很多，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：〔8-32〕将上述关系代入式〔8-31〕，那么得临界转数〔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 值，须要知道值那么根据经历公式加以确定，在此不拟详述一般螺旋桨的转数时，在吸力面上不发生空泡，当时，在吸力面上局部地方将产生空泡，当时空泡那么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。