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。

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处的静压力相同。

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）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’一b’，所以机翼上部的压力小于。

而截面b一c 则小于截面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。

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）（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，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及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，则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及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。

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）（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、转数n（1/s）及直径D（m）。

因此存在着下列关系式：（8-16）（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，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（8-18）（8-19）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，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及表示：（8-22）式中为螺旋桨的旋转角速度。

图8-8表示出了K1、K2及与表的关系，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及值也都不相同。

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及K2达到最大值。

随着的增大，则攻角逐渐减小，系数K1及K2亦随之减小螺旋桨的推力减额、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，通常把推力减额值用推力减额系数来表示：（8-26）所以有效推力为：（8-27）与推力系数相似，有效推力系数由下式确定：（8-28）或者将式（8-27）代入上式得：（8-29）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：其中由此，当时，则，此时，这也就是说；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(8-30)式中为鱼雷尾部壳体之切线与雷体纵轴的夹角。

对现有鱼雷系数当有效推力系数时，其进速系数值称为零有效推力的相对螺距，并用来表示。

8.3.1 对转螺旋桨设计准则一、叶剖面的选择叶剖面的选择将影响设计桨的空泡性能及推进性能。

螺旋桨一般采用的叶剖面有：机翼形剖面、准椭圆形剖面等。

从空泡性能和推进性能总体上来衡量，大多数鱼雷螺旋桨均采用机翼形剖面，如众所周知的NACA系列剖面。

长期使用表明，该系列剖面具有阻力低，空泡性能好等优点。

常使用的剖面型号有NACA16，NACA66（mod）等。

NACA16翼型具有前缘较小，尾尖角稍厚，压力分布平坦，空泡性能良好等优点；NACA66（mod）翼型则较好地兼顾了低阻力及高升力极限等性能。

常用拱线有，及NACA65等。

拱线就相等的升力来讲有较大的吸力；拱线具有较为适宜的压力分布。

表8-2给出了几种适用于螺旋桨的常用翼型剖面的弦向厚度分布和拱度分布。

表8-2 适用于螺旋桨的翼型剖面型值表二、计算螺旋桨叶片所需的伸张面积及盘面比在粗略的计算中，前、后螺旋桨的伸张面积取为相等，其计算式为(8-32)式中——鱼雷在运动过程中所受到的流体阻力；叶片上单位伸张面积的压强。

值的大小与值及空泡现象有关。

当值增大时，值下降，在其他条件相同的情况下，螺旋桨的效率将有所提高。

但值的增大却易于导致空泡现象的发生。

经验表明，值一般应在范围内选择。

在给定螺旋桨直径的情况下，求得伸张面积之后，即可计算得出螺旋桨的盘面比。

如果直径没有给出，则应先给出直径的大概数值，并计算出的近似值。

三、叶片数目的选择鱼雷螺旋桨一般采用3，4，5，6及7个叶片。

前、后螺旋桨的叶片数通常取不同值。

叶片数目根据盘面比来进行选择。

对现有螺旋桨有下列关系式：（8-33）当选择叶片数目时，应注意下列事项：（1）当伸张面积既定时，随着叶片数目的增加，螺旋桨的效率也多少有所提高。