2022年螺旋桨的几何特征.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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,面有所明白；第一要对螺旋设有一水平线 AB 图 8-1,匀速地绕线 EE 旋转,同时又以匀称速度向上移动,就线 AB 上

2、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；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名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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 同的螺距；8-1 所示,不同半径处具有相图 8-2a 径向变螺距螺旋面螺旋线的绽开图名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 20 页精选

3、学习资料 - - - - - - - - - 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名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 8-3 螺

4、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；当螺旋桨开头 工作时,叶片第一拨动水的一边称为导边,而水名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

5、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；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 8-5a 作用于叶

6、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,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

7、流淌方向,阻挡机翼的前进运动,该力称为阻力；另一个分力 力；Y 垂直流体的流淌方向,称为升名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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；

8、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；名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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, 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

9、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；我名师归纳总结 们可以把桨叶看作是处于攻角为、速度为的第 8 页,共 20 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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时因扭转而 产生的；设螺旋桨后面远处的切向

10、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；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 8-7a 叶片上的作用力多角

11、形图 8-7b 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,就依据机翼理论可表示如下：8-108-11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；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 流体动力沿螺旋桨轴线方向及切线方向的分力分别为8-128-13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

12、回转 阻力矩可分别由以下式子表示：8-148-15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试验 结果运用于几何相像的任何螺旋桨；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 对于既定几问外形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 n1/s及直径 Dm；因此 存在着以下关系式：8-168-17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

13、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x1,y2,z4,R1,S2,T5,因此8-188-19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, 就得到螺旋桨的相对进程,它是一个无因次量,其值为8-21名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

14、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 到达最大值；随着 的增大,就攻角逐步减小,系数K1 及 K2 亦随之减小名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

15、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

16、的重新分 布所增加的部分 面积 cde所补偿； 因此第一阶名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,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；

17、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名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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

18、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；名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - -

19、- - 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,就得临界转数名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,必要知道值就依据体会公式加以

20、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,故可防止空泡过早地显现；螺旋桨的推力减额、 推力减额系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；

21、在雷体 螺旋桨系统中,推力减名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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,供了下述公式巴甫连科教授提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,其进速系数值称为名师归纳总结 零有效推力的相对螺距,并用来表示；第 20 页,共 20 页- - - - - - -