船用螺旋桨原理进阶指南

可能大家在生活中会见过船舶上面的螺旋桨，这是一种独特而非凡的特性，让我们一起来深入了解一下：船用螺旋桨的工作原理，

事实上我们可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的的机翼流经桨叶各个刨面的气流沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋奖半径1和2(12)两处各取极小一段，讨论奖叶上的气流情况。V一轴向速度，-螺旋奖转速，气流角，即气流与螺旋奖旋转平面夹角，一奖叶剖面迎角，一奖叶角，即奖叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见B=a+o。空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力AD和升力AL，合成后总空气动力为AR。AR沿飞行方向的分力为拉力AT，与旋螺奖旋转方向相反的力AP 阻止螺旋奖转动。将整个奖叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋奖的拉力和阳止螺旋奖转动的力矩。必须使螺旋奖各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋奖工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖，半径较大处气流角较小，对应奖叶角也应较小。而在接近奖根，半径较小处气流角较大，对应奖叶角也应较大。螺旋奖的奖叶角从奖尖到奖根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋奖是一个扭转了的机翼更为确切。气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋奖的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“”反映奖尖处气流角，V/D。式中D-螺旋桨直径。理论和 试验证明: 螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率()可用下列公式 计算:T=Ctpn2D4P=Cppn3D5n=J.Ct/Cp式中:C一拉力系数;Cp一功率系数;p一空气密度;螺旋奖转速，D一螺旋桨直径。其中C和Cp取决丁螺桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随变化。图1-1-21称为螺 旋奖的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋奖拉力系数、功 率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋奖和计算飞机性能的主要依据之一。当前进比较小时，螺旋奖效率很低。对飞行速度较 低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如:飞行速度为72千米/小时，发动转 速为6500转/分时，下32%。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋桨的转 速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。

附：船用螺旋桨功率计算

功率(w)直径(D)距(P)转分(N)

功率(w)=(D/10)的4次方* (P/10)* (N/1000)的3次方*0.45速度(SP) km/h= (P/10) (N/1000) *15.24

静止推力(Th) g-(D/10)的3次方* (P/10)*(N/1000)的2次方*22

船用螺旋桨几何参数

直径(D)

影响螺旋奖性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量选直径较大的螺旋奖。此外还要考虑螺旋 奖奖尖气流速度不应过大(<0.7音)，否则可能出现激波，导致效率降低

奖叶数目(B)

可以认为螺旋奖的拉力系数和功率系数与奖叶数目成正比。超轻型飞 机一般采用结构简单的双叶奖。只是在螺旋奖直径受到限制时采用增加奖叶数目的方法使螺旋奖与发动机获得良好的配合实度(o)

桨叶面积与螺旋桨旋转面积(R2)的比值。它的影响与桨叶数目的影响相 似。随实度增加拉力系数和功率系数增大.

叶角(B)

奖叶角随半径变化，其变化规律是影响桨工作性能最主要的因素。习惯 上以70%直径处奖叶角值为该奖奖叶角的名称值。螺距:它是奖叶角的另一种表示方法。图1一1-22是各种意义的螺矩与奖叶角的关系

几何螺距(H)

奖叶剖面迎角为零时，奖叶旋转一周所前进的距离。它反映了奖叶角的大小，更直接指出螺旋奖的工作特性，奖叶各剖面的几何螺矩可能是不相等的。习惯上以70%直处的几何螺矩做名称值。国外可按照直径和螺距订购螺旋奖。如 64/34，表示该奖直径为60英寸，何螺矩为34英寸

实际螺距(Hg)

桨叶旋转一周飞机所前进的距离。可用Hv/计算螺旋桨的实际螺矩值，可按H=1.1 1.3H粗略估计该机所用螺旋奖几何螺矩的数

值。

理论螺矩(HT)

设计螺旋奖时必须考虑空气流过螺旋奖时速度增加，流过螺旋奖旋转平面的气流速度大于飞行速度。因而螺旋奖相对空气而言所前进的距离一理论螺矩将大于实际螺矩

螺旋奖效率解说一、工作原理 可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经奖叶各剖面的气 流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。在螺旋奖半径r1和r2t1<2两处各取极小一段，讨论奖叶上的气流情况。V一轴向速度，1一螺旋奖转速，0一气流角，即气流与螺旋桨旋转平面夹角，0一奖叶剖面迎角，B-奖叶角，即奖叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见B=ato。空气流过桨叶各小段时产生气动力，阻力AD和升力工，合成后 总空气动力为R。R沿飞行方向的分力为拉力AT，与旋螺奖旋转方向相反的力AP阻止螺旋奖转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加，形成该螺旋桨的拉 力和阻止螺旋奖转动的力矩。从以上还可以看出。必须使螺旋奖各剖面在升阻比较大的迎角工作，才能获得较大的拉力，较小的阻力矩，也就是效率较高。螺旋奖工作时。轴向速度不随半径变化，而切线速度随半径变化。因此在接近奖尖，半径较大处气流角较小，对应奖叶角也应较小。而在接近奖根，半径较小处气流角较大，对应奖叶角也应较大。螺旋奖的奖叶角从奖尖到奖根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋奖是一个扭转了的机翼更为确切。从中还可以看到，气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值，对某个螺旋奖的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化，迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“反映奖尖处气流角，J=V/。式中D一螺旋奖直径理论和 试验证明:螺旋奖的拉力(1)，克服螺旋奖阻力矩所需的功率)和效率()可用下列公式计算: T=Ctpn2D4P-Cppn3D5 nJCCp 式中:Ct一拉力系数;p一功率系数;一空气密度;-螺奖转速D-螺旋直径。其中C和Cp决于螺旋的几何参数，对每个螺旋奖其值随]变化。螺旋奖的特性曲线，它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功 率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋奖和计算飞机性能的主要依据之一。从计算公式可以看到，当前进比较小时，螺旋奖效率很低，对飞行速度较 低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例:飞行速度为72千米/小时，发动转 速为6500转 /分时，32%。因此超轻型飞机必须使用减速器，降低螺旋奖的转 速，提高进距比，提高螺旋桨的效率。二、几何参数 直径D): 影响螺旋桨性能重要参数之一。一般情况下，直径增大拉力随之增大，效率随之提高。所以在结构允许的情况下尽量洗直径较大的螺旋奖。此外还要考虑螺旋 奖奖尖气流速度不应过大(<0.7音)，否则可能出现激波，导致效率降低，奖数目(B):可以认为螺旋奖的拉力系数和功率系数与奖叶数目成正比。超轻型飞机一般采用结构简单的双叶奖。只是在螺旋奖直径受到限制时，采用增加桨叶数目的方 法使螺旋桨与发动机获得良好的配合。实度():奖叶面积与螺旋奖旋转面积(R2)的比值。它的影响与桨叶数目的影响相 似。随实度增加拉力系数和功率系数增大。桨叶角(B): 桨叶角随半径变化，其变化规律是影响奖工作性能最主要的因素。习惯 上以70%直径处奖叶角值为该桨奖叶角的名称值。螺距:它是奖叶角的另一种表示方法。各种意义的螺矩与奖角的关系。几何螺距(H):桨叶剖面迎角为零时，桨叶旋转一周所前进的距离。它反映了桨叶角的大小，更直接指出螺旋奖的工作特性.奖叶各剖面的几何螺可能是不相等的。习 惯上以70%直径处的几何螺矩做名称值。国外可按照直径和螺距订购螺旋奖。如 64/34，表示亥奖直径为60英寸，几何螺矩为34英寸。实际螺距(g):奖叶转一周飞机所前进的距离。可用Hg=计算螺旋的实际螺矩值。可按=1.1~13H粗略估计该机所用螺旋奖几何螺矩的数值。理论螺矩(H):设计螺旋奖时必须考虑空气流过螺旋奖时速度增加，流过螺旋奖旋转平面的气流速度大于飞行速度，因而螺旋奖相对空气而言所前进的距离一理论螺矩将大于实际螺矩，三、螺旋奖拉力在飞行中的变化1.奖叶迎角随转速的变化 在飞行速度不变的情况下，转速增加，则切向速度()增大，进距比减小奖叶迎增大，螺旋奖拉力系教增大.又由于拉力与转速平方成正比，所以增大油门时，可增大拉力。2.奖叶迎角随飞行速度的变化:在转速不变的情况下，飞行速度增大讲距比加大，奖叶迎角减小，螺旋奖拉力系数减小。拉力随之降低，当飞行速度等于零时，切向速度就是合速度，奖叶迎角等于桨叶角飞机在地面试 车时，飞行速度(V)等于零，奖叶迎角最大，一些剖面由于迎角过大超过失速迎角气动 性能变坏，因而螺旋奖产生的拉力不定最大。3.螺旋奖拉力曲线:根据螺旋奖拉力随飞行速度增大而减小的规律，可绘出螺旋奖可用拉力曲线。4，螺旋奖拉力随转速《行速度变化的综合情况:在飞行中，加大油门后固定。螺旋奖的拉力随转速和飞行速度的变化过程如下:由于发动机输出功率增大，使螺旋奖转速(切向速度 迅速增加到一定值，螺旋奖拉 力增加。飞行速度增加，由于飞行速度增大，致使奖叶迎角又开始逐渐减小，拉力也随之逐渐降低，飞机阻力逐渐增大，从而速度的增加趋势也逐渐减慢。当拉力降低到一定 程度(即拉力等于阻力)后，飞机的速度则不再增加。此时，飞行速度、转速、桨叶迎角 及螺旋桨拉力都不变，飞机即保持在一个新的速度上飞行。四、螺旋奖的自转:当发动机空中停车后，螺旋奖会象风车一样继续沿着原来的方向旋转，这种现象，叫螺旋奖自转。螺旋奖自转，不是发动机带动的，而是被奖叶的迎面流“推着”转的。它不但不能 产生拉力，反而增加了飞机的阻力。螺旋奖发生自转时，由于形成了较大的负迎角。奖叶的总空 气动力方向及作用发生了质的变化。它的一个分力(0)与切向速度(D)的方向相同，成为 推动奖叶自动旋转的动力，迫使奖叶沿原来方向续继旋转:另个分力(P)与速度方向 相反，对飞行起着阻力作用。一些超轻型飞机的发动机空中停车后由于飞行速度较小，产生自旋力矩不能克服螺旋奖的阳旋力知时螺旋奖不会出现自转。此时，奖叶阳力较大，飞机的升阻比(或称滑 翔)将大大降低，五、螺旋奖的有效功率:1，定义:螺旋奖产生拉力，拉着飞机前进，对飞机作功。螺旋奖单位时间所作功，即为螺旋奖的有效功率。公式:奖=PV 式中:奖一螺旋奖的有效功率;P一螺旋奖的拉力;一飞行速度 2螺旋奖有效功率随飞行速度的变化:(1)地面试车时，飞机没有前进速度(V=0)，拉力没有对飞机作功，故螺旋奖的有效功率为“零”。(2)飞行速度增大时，从实际测得的螺旋奖有效功率曲线:在0A速度范围内，螺旋奖的效功率随飞行速度的增大而增大，在大于该速度范围后螺旋奖有效功率则随飞行速度的增大而减小，在OA速度范围内，当飞行速度增大时，拉力减小较慢，随速度的增大，螺旋奖有效功率逐渐提高。当飞行速度增大到A时，螺旋奖的有效功率最大。当飞行速度再增大时由于拉力迅速减小，因此随着飞行速度的增加而螺旋奖有效功率反会降低，螺旋奖是发动机带动旋转的，螺旋奖的作用是把发动机的功率转变为拉着飞机前进的有效功率，螺旋奖有效功率与发动机输出功率之比，叫螺旋桨效率。1FN奖有效螺旋奖的工作原理如果已知叶元力dP及d0沿螺旋奖叶片长度上的分布规律，则由螺旋奖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-旋奖的叶片数，R-螺旋奖的外半径，-螺旋奖教半径。螺旋奖的推力及回转力通常用无因次系数表示，应用无因次系数可以使螺旋奖的模型实验结果运用于几何相似的任何螺旋奖。对于既定几问形状的螺旋奖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(1s)及直径D(m)因此存在着下列关系式: (8-16) (8-1)式中K1及K2分别称为无因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=,R=1，S=2T=5，因此(8-18) (8-19)系K1及K2仅与奖的进程有关，所程是指旋奖旋转一周实际前进的离，即 (8-20) 取进程与螺旋奖直径之比，则得到螺旋奖的相对进程，它是一个无因次量，其值为(8-21)螺旋奖的效率亦可以用无因次系数K1、K2及表示 (8-22)式中为螺旋奖的旋转角速度。图8-8表示出了K1、K2及与表的关系，这种曲线称为螺旋奖的作用曲线，该曲线表明了对于既定几何形状的螺旋奖，当其工作规范不同时，则对应的K1、K2及值也都不相同。当时，即螺旋奖原地旋转，由于这时螺旋奖的轴向速度，奖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