螺旋桨的几何特征

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螺旋桨概述

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)。

螺旋桨 形态特征

螺旋桨 形态特征

螺旋桨形态特征螺旋桨是一种常见的机械传动装置,其形态特征具有一定的独特性和重要性。

本文将从几个方面介绍螺旋桨的形态特征及其作用。

一、螺旋桨的基本构造螺旋桨由螺旋线和旋转轴构成。

螺旋线是以旋转轴为中心,呈螺旋状的线条,可以想象成一根绕着轴线旋转的弹簧,它的形状决定了螺旋桨的特性和性能。

旋转轴是螺旋桨的中心轴线,通过外界的力或动力源使其转动。

二、螺旋桨的作用1. 推进力:螺旋桨通过旋转产生推进力,将水或空气推向相反的方向,从而推动船只或飞机前进。

螺旋桨的旋转方向和叶片形状可以调整推进力的大小和方向,以满足不同的需求。

2. 提升效果:螺旋桨的旋转还可以产生上升力,用于提升飞机或直升机。

螺旋桨的叶片形状和角度可以调整提升效果,以实现平稳的垂直起降。

3. 混合效果:螺旋桨旋转时会产生水流或气流的扰动,从而改变周围介质的流动状态。

这种混合效果可以用于搅拌、混合、换热等工艺过程。

三、螺旋桨的形态特征1. 叶片形状:螺旋桨的叶片形状决定了其推进力和提升效果。

常见的叶片形状有对称翼型、非对称翼型等,它们的气动特性和流场分布有所不同。

2. 叶片数量:螺旋桨的叶片数量会影响推进力和振动特性。

叶片数量越多,推进力越大,但也会增加水动力和气动力的阻力。

3. 叶片扭曲:螺旋桨的叶片通常会在轴向上有一定的扭曲角度。

这种扭曲可以使叶片在旋转时产生更均匀的推进力,减小振动和噪音。

4. 叶片角度:螺旋桨的叶片角度可以调整推进力和提升效果。

叶片角度越大,推进力越大,但也会增加阻力和能耗。

5. 叶片间距:螺旋桨的叶片间距会影响推进力和混合效果。

叶片间距越大,推进力越强,但混合效果越弱。

四、螺旋桨的应用领域螺旋桨广泛应用于船舶、飞机、风力发电机等领域。

在船舶中,螺旋桨是主要的推进装置,可以实现船舶的前进、后退和转向;在飞机中,螺旋桨是提供推进力和提升力的关键部件;在风力发电机中,螺旋桨则是将风能转化为电能的重要设备。

总结起来,螺旋桨作为一种常见的机械传动装置,其形态特征决定了其作用和性能。

船用螺旋桨的几何特征

船用螺旋桨的几何特征

船用螺旋桨的几何特征螺旋桨的面螺距螺旋桨桨叶的叶面是螺旋面的一部分,故任何与螺旋桨共轴的圆柱面与叶面的交线为螺旋线的一段,B0C0段。

若将螺旋线段B0C0引长环绕轴线一周,则其两端之轴向距离等于此螺旋线的螺距P。

若螺旋桨的叶面为等螺距螺旋面之一部分,则P即称为螺旋桨的面螺距。

面螺距P与直径D之比P/D称为螺距比。

将圆柱面展成平面后即得螺距三角形。

设上述圆柱面的半径为r,则展开后螺距三角形的底边长为2πr,节线与底线之间的夹角θ为半径r处的螺距角,并可据下式来确定:tgθ=P/2πr螺旋桨某半径r处螺距角θ的大小,表示桨叶叶面在该处的倾斜程度。

不同半径处的螺距角是不等的,r愈小则螺距角θ愈大。

若螺旋桨叶面各半径处的面螺距不等,则称为变螺距螺旋桨。

对此类螺旋桨常取半径为0.7R或0.75R(R为螺旋桨梢半径)处的面螺距代表螺旋桨的螺距,为注明其计量方法,在简写时可记作P0.7R或P0.75R。

桨叶切面与螺旋桨共轴的圆柱面和桨叶相截所得的截面称为桨叶的切面,简称叶切面或叶剖面。

将圆柱面展为平面后则得叶切面形状,其形状与机翼切面相仿。

所以表征机翼切面几何特性的方法,可以用于桨叶切面。

桨叶切面的形状通常为圆背式切面(弓形切面)或机翼形切面,特殊的也有梭形切面和月牙形切面。

一般说来,机翼形切面的叶型效率较高,但空泡性能较差,弓形切面则相反。

普通之弓形切面展开后叶面为一直线,叶背为一曲线,中部最厚两端颇尖。

机翼形切面在展开后无一定形状,叶面大致为一直线或曲线,叶背为曲线,导边钝而随边较尖,其最大厚度则近于导边,约在离导边25%~40%弦长处。

切面的弦长一般有内弦和外弦之分。

连接切面导边与随边的直线AB称内弦,线段BC称为外弦。

对于系列图谱螺旋桨来说,通常称外弦为弦线,而对于理论设计的螺旋桨来说,则常以内弦(鼻尾线)为弦线,弦长及螺距也根据所取弦线来定义。

弦长b 为系列螺旋桨之表示方法。

切面厚度以垂直于所取弦线方向与切面上、下面交点间的距离来表示。

螺旋桨的几何特征讲解课件

螺旋桨的几何特征讲解课件
详细描述
叶片数决定了螺旋桨的推力和效率。通常,叶片数越多,产生的推力越大,但 同时也会增加阻力。选择合适的叶片数需要综合考虑任务需求和性能要求。
螺旋桨的直径
总结词
螺旋桨的直径是衡量其大小的重要参数。
详细描述
直径越大,螺旋桨在旋转时能够产生的推力就越大。但同时,直径的增加也会导 致阻力增加,进而影响发动机的效率和性能。因此,选择合适的直径是优化螺旋 桨性能的关键。
04
03
螺旋桨的性能测试方法
01
02
03
实验测试
在实验室内模拟各种条件 下的螺旋桨性能,以获取 准确的数据。
实际应用测试
在实际使用环境中测试螺 旋桨的性能,以评估其在 真实环境下的表现。
数值模拟
利用计算机软件模拟螺旋 桨在流体中的运动,预测 其性能表现。
螺旋桨的性能优化建议
优化设计
根据实际应用需求,对螺 旋桨的形状、尺寸和材料 进行优化,以提高推进效 率、降低噪音和振动。
选择合适的材料
选择具有高强度、轻质和 耐腐蚀的材料,以提高螺 旋桨的使用寿命和性能。
维护保养
定期对螺旋桨进行清洗、 检查和维护,确保其正常 运转和延长使用寿命。
06 螺旋桨的应用实例
船舶螺旋桨的应用
船舶螺旋桨是船舶推进系统的重要组成部分,通过旋转产生推力,使船舶在水中前 进。
船舶螺旋桨的尺寸较大,转速较慢,通常由金属材料制成,具有较高的推进效率和 稳定性。
螺旋桨的桨距
总结词
桨距是衡量螺旋桨工作效果的重要参数。
详细描述
桨距指的是相邻两个叶片之间的夹角。桨距越大,螺旋桨在旋转时产生的推力就越大。但过大的桨距 可能导致噪音增加和振动问题,影响螺旋桨的工作稳定性。因此,需要根据实际需求选择合适的桨距 。

船舶原理(第九章 推力)

船舶原理(第九章 推力)

螺旋浆叶面的形成
螺旋桨的几何特性
2018/11/1
15
章目录
总目录
第一节 螺旋桨的结构和几何特征
螺旋桨结构和名称 叶面、叶背 由船艉后面向前看时所见到的 螺旋桨桨叶的一面,该面是推 船前进产生压力的一面,又称 为压力面;另一面称为叶背 (吸力面)。 叶根 桨叶与毂联接处。 叶梢 桨叶的外端。 导边、随边 螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在 前面者;另一边称为随边。
第九章 船舶推进
2018/11/1
12
节目录
章目录
总目录
船舶推力概述
形态各异的船用螺旋桨
第九章 船舶推进
2018/11/1
13
节目录
章目录
总目录
船舶推力概述
形态各异的船用螺旋桨
第九章 船舶推进
2018/11/1
14
节目录
章目录
总目录
第一节 螺旋桨的结构和几何特征
第九章 船舶推进
螺旋桨结构和名称
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37
节目录
章目录
总目录
第四节船体和螺旋桨的相互影响

第九章 船舶推进
2018/11/1
38
节目录
章目录
总目录
第四节船体和螺旋桨的相互影响

第九章 船舶推进
摩擦伴流带
L
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(b) 节目录 章目录
总目录
第四节船体和螺旋桨的相互影响

第九章 船舶推进
np

n2r
np

U r n 2r
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节目录
章目录
总目录
第三节 螺旋桨的工作原理

螺旋桨的数式表达

螺旋桨的数式表达

螺旋桨的数式表达螺旋桨是用于推进船舶或飞机的一种装置,它的数学表达式可以描述为一个旋转体,具有一定的几何特性。

在本文中,我们将探讨螺旋桨的数学表达式以及其相关的特性和应用。

螺旋桨的数学表达式通常可以用一个参数方程来表示。

假设螺旋桨的旋转轴为z轴,螺旋桨的半径为R,每个螺旋桨叶片的倾斜角为β,螺旋桨的旋转速度为ω。

那么螺旋桨叶片上任意一点的坐标可以表示为:x = (R + r*cos(θ)) * cos(ω*t)y = (R + r*cos(θ)) * sin(ω*t)z = r*sin(θ)其中,r是螺旋桨叶片的宽度,θ是螺旋桨叶片的角度,t是时间。

通过改变θ和t的取值,我们可以得到螺旋桨叶片上各个点的坐标,从而描述整个螺旋桨的形状。

螺旋桨的数学表达式给我们提供了一种描述螺旋桨形状的方法,同时也揭示了螺旋桨的几何特性。

首先,通过改变参数R和r,我们可以调整螺旋桨的大小和形状。

当R趋近于0时,螺旋桨变成一个点;当r趋近于0时,螺旋桨变成一条直线。

其次,通过改变参数β,我们可以调整螺旋桨叶片的倾斜角度,从而改变螺旋桨的推进效率。

较小的倾斜角度可以减小螺旋桨的阻力,提高推进效率;较大的倾斜角度则可以增加螺旋桨的推力。

此外,通过改变参数ω,我们可以调整螺旋桨的旋转速度,从而控制船舶或飞机的前进速度。

螺旋桨作为推进装置,在航海和航空领域有着广泛的应用。

在船舶上,螺旋桨通过推动水流或气流,产生反作用力,从而推动船舶前进。

在飞机上,螺旋桨通过推动空气,产生升力和推力,使飞机能够起飞和保持飞行。

螺旋桨的数学表达式可以帮助工程师设计和优化螺旋桨的形状和参数,以提高推进效率和降低能耗。

除了航海和航空领域,螺旋桨的数学表达式还在其他领域有着重要的应用。

例如,在流体力学中,螺旋桨的数学表达式可以用于描述旋转流体的运动规律;在数学建模中,螺旋桨的数学表达式可以用于描述复杂的曲线和曲面。

螺旋桨的数学表达式是数学和物理学研究的重要工具之一。

螺旋桨概述

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)。

螺旋桨的几何特征讲解

螺旋桨的几何特征讲解

切面的厚度以垂直于所取弦线方向与切面上、下面交点间的距离 来表示。其最大厚度t称为叶厚,t与切面弦长b之比称为切面的相对 厚度或叶厚比δ =t/b。切面的中线或平均线称为拱线或中线,拱线到 内弦线的最大垂直距离称为切面的拱度,以fM表示。 fM与弦长b之比 称切面的拱度比f= fM /b。
三)桨叶的外形轮廓和叶面积 桨叶的外形轮廓可以用螺旋桨的正视图和侧视图来表示。从船后 向船首所看到的为螺旋桨的正视图,从船侧看过去过去所看到的为侧 视图。
第一章


一、本课题的研究对象和内容 1、船舶快速性 船舶在给定主机马力(功率)情况下,在一定装载时于 水中航行的快慢问题。 2、推进器 将能源(发动机)发出的功率转换为推船前进的功率的 专门装置或机构。常见的推进器为螺旋桨。 3、主要内容 1)推进器在水中运动时产生推力的基本原理及其性能 好坏; 2)螺旋桨的图谱设计方法。
桨叶中间的一根母线作为作图的参考线,称为桨叶参考线或叶面 参考线或辐射参考线,即图中的直线OU。 若叶面是正螺旋面,则在侧视图上参考线与轴线垂直;若为斜螺 旋面,则参考线与轴线成夹角ε (纵斜角)。参考线OU在轴线上的投 影长度称为zR(纵斜)。
二)桨叶切面
与螺旋桨共轴的圆柱面与桨叶相截所得的截面称为桨叶切面,简 称叶切面或叶剖面。展为平面后则得叶切面形状,通常有如下几种: 圆背式切面(弓形切面)、机翼形切面、梭形切面和月牙形切面。其 中弓形和机翼形较为常见。
切面的弦长一般有内弦和外弦之分。连接切面导边与随边的直 线AB称为内弦,图中线段BC称为外弦。 对于系列图谱螺旋桨来说,通常称外弦为弦线,而对于理论设 计的螺旋桨来说,则常以内弦为弦线。弦长的定义应与弦长相对应。
半径r处的螺距角θ,
tan P

船舶推进第3章-螺旋桨基础理论

船舶推进第3章-螺旋桨基础理论

船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
三、螺旋桨的作用力
船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
上式把螺旋桨的推力、转矩与流场及螺旋桨的几何特征联系起来,因而比动量理论的结果要精密完整得多。
船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
由上式可知,欲求某一螺旋桨在给定的进速和转速时所产生的推力、转矩和效率,则必须知道速度环量和诱导速度沿半径方向的分布情况。这些问题可应用螺旋桨环流理论来解决。
2、当转速不变,随进速的增大,攻角随之减小,从而力矩和推力也相应减小。
当进速的增大到某一数值时,螺旋桨发出的推力为零。此时作用于叶元体上的升力及阻力在轴向的分力大小相等方向相反,故叶元体的推力等于零。
螺旋桨不发出推力时旋转一周所前进的距离称为无推力进程或实效螺距 。
船舶推进第三章 螺Байду номын сангаас桨基础理论
3、当进速再增大到某一数值时,螺旋桨不遭受旋转阻力,其实质乃是升力dL及阻力dD在周向的分力大小相等方向相反。但在此种情况下螺旋桨产生负推力。
螺旋桨不遭受旋转阻力时旋转一周所前进的距离称为无转矩进程或无转矩螺距 。
船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
对于一定的螺旋桨,有:
船舶在航行时,螺旋桨必须产生向前的推力以克服船舶阻力,才能使船以一定的速度前进。所以螺旋桨在实际操作时,其每旋转一周前进的距离小于实效螺距。
3、流管远后方CC1断面流出的动量:
船舶推进第二章 螺旋桨几何特征
4、根据动量定理,作用于流体上的立等于单位时间内流体动量的增量。而流体的反作用力即为推力:
船舶推进第二章 螺旋桨几何特征
五、盘面处速度增量与远后方速度增量的关系
1、在盘面前和盘面后应用伯努力方程:
船舶推进第二章 螺旋桨几何特征

螺旋桨设计与绘制汇总

螺旋桨设计与绘制汇总

螺旋桨设计与绘制汇总螺旋桨是一种船舶和飞机上常用的推进装置,其设计与绘制涉及到多个方面,包括几何形状、流体力学、材料力学等等。

以下是关于螺旋桨设计与绘制的汇总,详细介绍了各个方面的内容。

一、螺旋桨的几何形状设计1.螺旋桨的基本几何形状包括螺距、叶片数、叶片截面形状等。

确定螺距时需要考虑推进效率和船舶/飞机的性能需求,叶片数的选择影响到螺旋桨的稳定性和噪音产生。

叶片截面形状通常为翼型,需要进行流线型设计,以减少阻力和音响。

2.利用计算机辅助设计软件进行螺旋桨的三维模型设计,可采用实体造型或曲面造型方法。

实体造型较为简单,但不易调整;曲面造型则可以更加灵活地对螺旋桨进行优化。

二、螺旋桨的流体力学设计1.螺旋桨受到的流体力学作用主要包括阻力、升力和扭矩。

螺旋桨的叶片形状和叶片曲度将直接影响这些力的大小和分布。

三、螺旋桨的静力学和强度设计1.螺旋桨在运行时会受到来自流体力学、离心力和惯性力等载荷的作用,因此需要进行强度和振动分析。

静力学分析用于确定螺旋桨的刚度和变形情况,而动力学分析则用于确定螺旋桨的共振频率和临界速度。

2.使用有限元分析软件对螺旋桨进行强度和振动分析,以确保螺旋桨在运行时不会发生破裂或共振失效。

四、螺旋桨的材料选择和制造工艺1.螺旋桨常用的材料包括高强度钢、铝合金、复合材料等。

材料的选择主要考虑到强度、耐腐蚀性和重量等因素。

复合材料由于具有轻质、高强度和良好的耐腐蚀性能,逐渐在螺旋桨制造中得到应用。

2.螺旋桨的制造工艺包括铸造、锻造、机械加工和涂装等。

涂装工艺对螺旋桨的表面光滑度和耐腐蚀性都有重要影响。

总结:螺旋桨的设计与绘制涉及到几何形状、流体力学、静力学和强度分析、材料选择和制造工艺等多个方面。

设计过程中需要使用计算机辅助设计软件和CFD软件进行模拟和优化,并结合有限元分析软件进行强度和振动分析。

材料的选择需要考虑到强度、耐腐蚀性和重量等因素。

制造工艺包括铸造、锻造、机械加工和涂装等。

《船舶推进学》--chapter2--螺旋桨的几何特征 - 给学生

《船舶推进学》--chapter2--螺旋桨的几何特征 - 给学生

18
正视图 front view
8 March 2015
3
S 0
正视图 front view 侧视图side view 1、纵斜和纵斜角rake,rake angle, 2、最大厚度线 3、最大厚度t: 最大厚度线与桨叶参考线之间的距离 4、叶根厚度 5、叶厚分数: t /D
0

6、桨毂直径d:
5
8 March 2015 12 8 March 2015
11
2
2-2 螺旋桨的几何特征
六、螺距
2-2 螺旋桨的几何特征
七、桨叶切面
1、叶剖面的定义 4、螺距比 5、标称螺距 6、平均螺距
pitch ratio:
P/D
nominal pitch: P
0. 7 r

P0.75 r
mean pitch:
t /b
16 8 March 2015
2-2 螺旋桨的几何特征
七、桨叶切面
2-2 螺旋桨的几何特征
螺旋桨生成线
八、螺旋桨的外形轮廓
螺旋桨生成线
3、叶剖面的术语
t
A
B
b
展开轮廓developed outline 伸张轮廓expanded outline
17
8 March 2015
侧视图side view
9 8 March 2015 10
x f ( ) y r sin( ) z r cos( )
8 March 2015
2-2 螺旋桨的几何特征
1、螺距的定义
六、螺距
2-2 螺旋桨的几何特征
3、有关螺距角的各种定义
六、螺距
螺旋线上一点沿螺旋线旋转一周前进的距离

螺旋桨知识

螺旋桨知识

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。

无人机发烧友 59. 螺旋桨几何扭转的原因

无人机发烧友 59. 螺旋桨几何扭转的原因

棚拍教案:螺旋桨几何扭转的原因
一、课程引入
飞机的螺旋桨用来在发动机驱动下高速旋转,从而产生拉力(或推力),拉动(推动)飞机向前飞行。

二、课程内容
1.知识回顾
(1)飞行中,螺旋桨是一面旋转一面前进的。

螺旋桨剖面具有两个速度:一个是前进速度v, 一个是圆周速度(切向速度)u。

(2)桨叶迎角α随切向速度u的变化
在桨叶角和飞行速度不变的情况下,桨叶迎角随转速增大而增大,随转速减小而减小。

2.螺旋桨几何扭转的原因
假设:如果没有扭转,根据v=wr,半径越大,转速越大,迎角越大,升力分布则不均匀,螺旋桨可能受损甚至断掉。

螺旋桨几何扭转的目的,是为了保持螺旋桨桨叶各剖面的桨叶迎角基本相等。

讲授法。

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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螺旋桨的结构参数图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。

螺旋桨的工作原理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。

螺旋桨的工作原理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。

螺旋桨的工作原理如果巳知叶元力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。

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。

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.这是因为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,形成空化第二阶段时,就会引起螺旋桨的作用曲线发生变化,因为在第二阶段空化时,.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。

因此在第二阶段空化时,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均匀的。

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结,因而周围的水向空泡集中,冲击桨叶,螺旋桨表面遭破坏,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。

我们必须对空化的第二阶段予以注意,在设计螺旋桨时,掌握发生第二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。

如果螺旋桨的转数高于此临界转数,则螺旋桨不可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:设所研究的叶元在水下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。

上式可改写成(8-28)令,并称它为减压系数,由上式得(8-29)当空化的第二阶段开始时,吸力面上的压力等于饱和蒸汽压力,绕流速度则等于临界绕流速度,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,由于一般比大得很多,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),则得临界转数(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。

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