螺旋桨概述

螺旋桨概述
1.概念
1.1结构
图1 螺旋桨示意图
图2 螺旋桨结构
螺旋桨由桨叶、浆毂、、整流帽和尾轴组成，如上图所示。

滑失：如果螺旋桨旋转一周，同时前进的距离等于螺旋桨的螺距P，设螺旋桨转速为n，则理论前进速度为nP。

也就是说将不产生水被螺旋桨前后拨动的现象，然而事实上，螺旋桨总是随船一起以低于nP的进速V s对水作前进运动。

那么螺旋桨旋转一周在轴向上前进的实际距离为h p（＝V s/n），称为进距。

于是我们把P与h p之差（P－h p）称为滑失。

滑失与螺距P之比为滑失比：
S r＝（P－h p）/P＝（nP－V s）/nP＝1－V s/nP
式中V s/nP称为进距比。

从式中可以得出，当V s＝nP时，S r＝0。

即P＝h,也就是螺旋桨将不产生对水前后拨动的现象，螺旋桨给水的推力为零。

因此我们可以得出结论：滑失越大，滑失比越高，则螺旋桨推水的速度也就越高，所得到的推力就越大。

1.2工作原理
船用螺旋桨工作原理可以从两种不同的观点来解释，一种是动量的变化，另一种则是压力的变化。

在动量变化的观点上，简单地说，就是螺旋桨通过加速通过的水，造成水动量增加，产生反作用力而推动船舶。

由于动量是质量与速度的乘积，因此不同的质量配合上不同的速度变化，可以造成不同程度的动量变化。

另一方面，由压力变化的观点可以更清楚地说明螺旋桨作动的原理。

螺旋桨是由一群翼面构建而成，因此它的作动原理与机翼相似。

机翼是靠翼面的几何变化与入流的攻角，使流经翼面上下的流体有不同的速度，且由伯努利定律可知速度的不同会造成翼面上下表面压力的不同，因而产生升力。

而构成螺旋桨叶片的翼面，它的运动是由螺旋桨的前进与旋转所合成的。

若不考虑流体与表面间摩擦力的影响，翼面的升力在前进方向的分量就是螺旋桨的推力，而在旋转方向的分量就是船舶主机须克服的转矩力。

1.3推力和阻力
以一片桨叶的截面为例：当船艇静止时，螺旋桨开始工作，把螺旋桨看成不动，则水流以攻角α流向桨叶，其速度为2πnr（n为转速；r为该截面半径）。

根据水翼原理，桨叶要受升力和阻力的作用，推动螺旋桨前进，即推动船艇前进。

船艇运动会产生顶流和伴流。

继续把船艇看成不动，则顶流以与艇速大小相等，方向相反的流速向螺旋桨流来，而伴流则以与艇速方向相同，流速为u r向螺旋桨流来。

通过速度合成，我们可以得到与螺旋桨成攻角α，向桨叶流来的合水流。

则桨叶受到合水流升力dL和阻力dD的作用，将升力和阻力分解，则得到平行和垂直艇首尾线的分力：
图3 螺旋桨受力分析
dT＝dL·cosβ－dD·sinβ
dQ＝dL·sinβ＋dD·cosβ
dT使船艇前进称为推力；dQ称为横向力，即桨叶的旋转阻力。

显然，攻角α和流入桨叶的水流合速度V合决定了T和Q的大小。

通常螺旋桨转速越高，而航速越低，即攻角α较大时，T和Q也越大。

设艇速V不变，如伴流流速增加（合速度减小），则攻角增大，推力和阻力也大；如果螺旋桨转速增加（合速度增加），则攻角增大，推力和阻力也大。

当船艇静止不动时，螺旋桨转动时，水流攻角很大，则推力和阻力可能达到很大的值。

阻力过大，对主机工作不利。

所以船艇在从静止开始用车时，不宜用高速；同理，船艇在前进中换倒车时或从后退中换正车时，都应经过停车阶段，让艇速下降后再行转换，而不宜直接转换。

主要是防止出现大攻角，产生巨大的旋转阻力，造成主机超负荷。

1.4 螺旋桨类型
1 可调螺距螺旋桨与定螺距螺旋桨（略）
简称调距桨，可按需要调节螺距，充分发挥主机功率；提高推进效率，船倒退时可不改变主机旋转方向。

螺距是通过机械或液力操纵桨毂中的机构转动各桨叶来调节的。

调距桨对于桨叶负荷变化的适应性较好，在拖船和渔船上应用较多。

在正常操作条件下，其效率要比普通螺旋桨低，而且价格昂贵，维修保养复杂。

2 导管螺旋桨（矢量推进器）
在普通螺旋桨外缘加装一机翼形截面的圆形导管而成。

可分为固定导管和可转导管。

导管可提高螺旋桨的推进效率，这是因为导管内部流速高、压力低，导管内外的压力差在管壁上形成了附加推力；导管和螺旋桨叶间的间隙很小，限制了桨叶尖的绕流损失；导管可以减少螺旋桨后的尾流收缩，使能量损失减少。

但导管螺旋桨的倒车性能较差。

固定导管螺旋桨使船舶回转直径增大，可转导管能改善船的回转性能。

多用于推船。

3 串列螺旋桨
将两个或三个普通螺旋桨装于同一轴上，以相同速度同向转动。

当螺旋桨直径受限制时，它可加大桨叶面积，吸收较大功率，对减振或避免空泡有利。

串列螺旋桨重量较大，桨轴伸出较长，增加了布置及安装上的困难，多用于拖船、渔船、浅水急流的内河船及沿海客货船。

4 对转螺旋桨
又称双反转螺旋桨，将两个普通螺旋桨一前一后分别装于同心的内外两轴上，以等速反方向旋转。

因可减小尾流旋转损失，效率比单桨略高，但其轴系构造复杂，大船上还未应用，多用于鱼雷和潜艇[2]。

2.5 大侧斜螺旋桨
螺旋桨的侧斜程度与螺旋桨叶数有关，一般采用百分比来衡量侧斜程度，即侧斜角与360/n（n为桨叶数）的百分比，此百分比超过50%可以称为大侧斜螺旋桨。

因此，4、5、7叶桨的倾侧角分别大于45°、36°、26°时才可以称为大侧斜。

大侧斜螺旋桨较普通螺旋桨有如下优点：①减小螺旋桨不定常轴承力和力矩；②减小螺旋桨不定常表面力；③减小螺旋桨运转于不均匀伴流场中时空泡的敏感性。

2.设计
2.1 设计方法
螺旋桨设计方法主要分为两类：
1.图谱设计方法
所谓图谱设计是根据螺旋桨敞水模型试验的结果绘制成的几何参数与性能相关的各类专用图谱进行设计的方法。

2.理论设计方法
（1）升力线理论
（2）升力面理论
（3）面元法
2.2 设计过程
1.螺旋桨初步设计；选取螺旋桨主要的参数，直径、叶数、盘面比、螺距比。

盘面比：
0/E A A λ=
E A 是单个桨叶的伸张面积乘以总桨叶伸张面积；
0A 是螺旋桨盘面积；
叶片数：
/E A A Z ττ= （值取0.1~0.15）
螺旋桨最常用的叶切面形状有弓形和机翼形两种。

弓形切面的压力分布较均匀，不易产生空泡，但在低载荷系数时，其效率较机翼形者约低3~4%。

最佳螺距比：
2.螺旋桨详细设计；采用升力线、升力面模型，进行设计，决定叶剖面的具体形状。

如弦长、拱度、厚度分布和螺距分布。

图4 螺旋桨设计参数
点对螺距比：
180H
SPR
RF
H点对高度差，R叶片半径，F点对相对浆轴中心的张角。

3.螺旋桨的分析计算；采用升力面模型或边界元法或CFD评价空泡性能、螺旋桨强度、轴承力和脉动压力。

4.螺旋桨最终设计；通过模型试验，对螺旋桨的设计进行改进。

图5 常用设计软件
船用螺旋桨制造企业：
德国的MMG，英国的Stone，荷兰的Lips，日本的KAMOME。

3.分析
3.1 分析参数
螺旋桨性能参数系数主要分为以下四个：
/A A J V nD =进速系数：
24/T K T n D ρ=推力系数：
25/Q K Q n D ρ=扭矩系数：
0//2T Q K K J ηπ=⨯效率系数：
3.2 评价效率
一般认为，叶数少者效率高，叶数多者效率低，因为叶栅干扰作用加大。

螺旋桨外形或叶切面形状的影响，一般认为桨叶外形轮廓对螺旋桨的性能影响很小。

其展开轮廓近似为椭圆形最好；对于具有倾斜的桨叶，各半径处切面弦长与展开轮廓为椭圆形的各叶切面弦长大致相同者为佳。

图6 螺旋桨参数曲线
3.3 螺旋桨空化
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。