螺旋桨的几何特征 .docx

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1、精品名师归纳总结螺旋桨的几何特点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。不难懂得，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，仍必要配置效率较高的螺旋桨，才能获得 较好的推动成效。螺旋桨通过推动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。依据作用与反 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。我们讨论螺旋桨的几何特点时， 第一要对螺旋面有所明白。设有一水平线 AB 图 8-1，匀速的绕线 EE 旋转，同时又以匀称速度向上移动，就线AB 上每一个点就形成一条螺旋线，由这些

2、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。绽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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中 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。其螺旋线的绽开图形如图 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绽开图可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结螺旋面也可以由不同螺距的螺旋线组成。 例如母线 AB 以匀称的速度绕 EE 轴线旋转。也以匀称速度直线上升，只是在

3、不同的半径上具有不同的 上升速度，就得到径向变螺距螺旋面，不同的半 径处螺距是不同的，其螺旋线的绽开图如图8-2a所示。假假设母线的旋转运动和前进运动不是匀称的或者其中任一种运动不是匀称的，就得到轴向变螺距螺旋面，其螺旋线的绽开图如图8-2b所示。图 8-2b 轴向变螺距螺旋面螺旋线的绽开图螺旋桨的结构参数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 8-3 螺旋桨的结构参数螺旋桨的结构参数如图 8-3 所示。螺旋桨与推动轴联接的部分称为桨毂以肯定的角度联按于轮 毅上。鱼雷的桨叶一般为 2-7 片。叶片数主要打算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

4、旋桨开头 工作时，叶片第一拨动水的一边称为导边，而水可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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，经绽开后得到的外形。桨叶 剖面外形确定于流体动力特性和桨叶的强度，由 于桨叶承担流体动力的作用。故它必需具有足够 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纳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稳以便减 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

5、的情形下， 为了获得足够的推力， 就必需采纳双螺旋桨。螺旋桨的工作原理螺旋桨的桨叶截面如同一个机翼的断面， 为了阐明螺旋桨产生推力的缘由，我们第一来分析流 体对机翼的绕流情形。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 8-5a 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， 其流线情形如图 8-5a所示。在机翼邻近处流线发生弯曲，在远离机翼上下肯定的距离之外，流线又 复原平直。不难懂得，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 于无攻角情形，这时流经机翼下部的流速与截 面 a 一 a 的流速大致相同，

6、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 平行于流体流淌方向，阻挡机翼的前进运动，该力称为阻 力。另一个分力 Y 垂直流体的流淌方向，称为升力。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 8-5b 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 8-5b， 即机翼与流淌方向形成一个不大的攻角。就机翼的绕流情形将发生变化，从而使作用于机翼上的 流体动力增加。由图 8-5b可以看出、截面 a

7、一b 仍旧大于截面 a一 b，所以机翼上部的压力 小于。而截面 b 一 c 就小于截面 b-c，所以机翼下部的压力仍大于，明显，机翼上下的压力差较之无攻角时的仍要大，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。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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。试验证明， 升力与速度的平方成正比。升力产生的主要缘由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。因此升力仍与机翼面积成正比。对于阻力 X 有着和升力 Y 相同的结论。综合以上所述

8、， 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。对机冀产生升力的缘由作了分析之后， 我们现在就可以进一步讨论螺旋桨产生推力的缘由。我 们可以把桨叶看作是处于攻角为、速度为的可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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。当讨论螺旋桨的绕流情形时，我们仍应指出， 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头形成的，它是由流体流经螺旋桨

9、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。该合成速度以肯定的攻角作用于叶片上叶片剖面如同一个 机翼剖面，依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。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图 8-7a 叶片上的作用力多角形图 8-7b 叶片上的速度多角形设作用于半径

10、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 ，就依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试验确定。升力 dY 与流速相垂直，阻力 dX 与 的方向相反。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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。螺旋桨的工作原理假如巳知叶元力 dP 及 dQ 沿螺旋桨叶片长度上的分布规律，就由螺旋桨产生的总推力及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

11、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试验结果运用于几何相像的任何螺旋桨。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结对于既定几问外形的螺旋桨在给定流速的情形下，螺旋桨的推力及力矩正比于流体密度、转数 n1/s及直径 Dm。因此存在着以下关系式：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，R1，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

12、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， 就得到螺旋桨的相对进程，它是一个无因次量，其值为8-21 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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。该曲线说明白 对于既定几何外形的螺旋桨，当其工作标准不同 时，就对应的 K1、K2 及 值也都不相同。图 8-8 螺旋桨作用曲线当时，即螺旋桨原的旋转，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 到达最大值。随着的

13、增大，就攻角逐步减小，系数 K1 及 K2 亦随之减小可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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。依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 速增加到某肯定值时，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， 在吸力面上便会显现空泡。随着螺旋桨转速伪继 续提高，空泡区域会逐步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：假如空泡已经显现， 但仍没有扩展到叶元的整

14、个吸力面，就属于空化 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，就属于空化的其次阶段。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由于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。 因此第一阶可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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， 形成空化其次阶段时， 就会引起螺旋桨的作用曲线发生变化，由于在其次阶 段空化时

15、，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。因此在其次阶段空化时，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匀称的。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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结攻角区域时，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聚，因而四周的水

16、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，由于空泡周期性的扩张和收缩，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。我们必需对空化的其次阶段 予以留意，在设计螺旋桨时，把握发生其次阶段 空化时的转数是很需要的，这个转数我们称为临 界转数。假如螺旋桨的转数高于此临界转数，就 螺旋桨不行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： 设所讨论的叶元在水下 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 式中及 分别为在叶元前未受干扰处

17、水流的压力和速度， 及 分别为叶元吸力面上流体的压力和速度。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结上式可改写成8-28 令，并称它为减压系数，由上式得8-29 当空化的其次阶段开头时， 吸力面上的压力等于饱和蒸汽压力 ，绕流速度 就等于临界绕流速度 ，在上述公式的基础上得到8-30 式中为大气压力。 为水的比重， 由于一般比大得许多，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，就得临界转数可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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

18、标志。为了确定值，必要知道值就依据体会公式加以确定， 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，在吸力面上局部的方将产生空泡，当 时空泡就扩展到整个吸力面。空泡的形成受到多种因素的影响。 这些因素是绕流速度、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、 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，有利于防止空泡的形成。由于桨 叶增加以后，各叶片上的负荷就会削减，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，故可防止空泡过早的显现。螺旋桨的推力减额、 推力减额系

19、数及有效推力实践说明： 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，推力减可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结额是一个内力，它应被螺旋桨所产生的部分推力 所平稳。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 ，另一部分就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 与推力系数相像，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 可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结推力减额系数的大小打算于雷体外形、 螺旋桨与雷体的相互位置、螺旋桨的大小及工作标准， 并用试验方法确定之。讨论证明， 推力减额系数与螺旋桨的相对于零推力螺距的滑脱有以下关系：其中 由此，当时，就，此时，这也就是说。 是当螺旋桨原的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，巴甫连科教授供应了下述公式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。可编辑资料 - - - 欢迎下载