螺旋桨片条理论简介
船舶螺旋桨理论PPT课件
弦向共有K个展向的格子线
K KL KT 1
格子线的坐标为1, 2 , k K ，其中
1 K L K KT
附着涡和源汇集中分布在这些展向格子线上。
18
现在来看弦向第k个格子，展向第m个格子的情况，参见下图对网
格交点 r m , k 的点Pm,k ，它的x坐标以xm,k 表示，则
xm,k Z R (m ) m k tg s (m )
19
以单位面积计算的源强密度 按（4-70）式求得。设线段 Pm,k Pm1,k
的长度为l ，则 m,k 应满足下式
m,k l
l
rm cos s (rm
)
取：
WT Q
f t s
17
弦向以间隔为 的幅平面进行分割，称各幅平面与参考面的交
线称为展向线。从参考面上 ＝0 的展向线，向导边方向共分有KL格，
向随边方向共有KT格，使
K L
min
4
KT
m
ax
4
其中 min 为导边处的最小角坐标值， max 为随边处的最大角坐标值。
)
1 2
(1
rH
)
c
os
现在在展向第m条带内，从导边到随边的所有这些涡段的涡强度
总和应等于Γ (rm ) 。
21
设附着涡弦向的连续分布密度为 b (r, ) ，则 m,k 应满足
m,k
k
2
b
(rm
,
)rm
d
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）。
关于螺旋桨的一些知识
关于螺旋桨的一些知识螺旋桨是船舶和飞机等交通工具的重要部件，具有推动物体前进的功能。
在本文中，我们将介绍螺旋桨的工作原理、结构构造、选材等相关知识。
一、螺旋桨的工作原理螺旋桨依靠空气或水流动的原理产生推力，从而推动船舶或飞机前进。
其工作原理可简单归纳为以下几个方面：1. 流体动力学理论：根据流体动力学理论，螺旋桨叶片受到流体的作用会形成载荷，通过迎角改变和旋转速度调节，将动力转化为推进力。
2. 套氏定理：套氏定理指出，在涉及固定的螺旋桨时，液体或气体在进入螺旋桨以前，质量流率保持不变，但速度和压力会发生变化。
这种速度和压力的变化使得螺旋桨产生了推力。
二、螺旋桨的结构构造螺旋桨的结构构造通常由叶片、轴、轴套等组成。
1. 叶片：螺旋桨叶片是螺旋桨的最重要部分，其形状和数量会直接影响推力的大小和效率的高低。
通常，螺旋桨叶片会根据具体设计要求进行定制，以达到最佳的推进效果。
2. 轴和轴套：螺旋桨的轴起到支撑和固定作用，通常由高强度合金钢或碳纤维材料制成，以确保其在高速旋转时的安全可靠性。
轴套则用于固定轴与螺旋桨叶片的连接。
三、螺旋桨的选材螺旋桨的选材对于其使用寿命和推进效果有着重要影响。
常见的螺旋桨选材有以下几种：1. 铝合金：铝合金螺旋桨具有重量轻、制造成本低的优点，适用于速度较低的船舶和小型飞机。
2. 不锈钢：不锈钢螺旋桨在耐蚀性、强度和硬度方面表现出众，适用于海洋环境和高速航行的船舶和飞机。
3. 青铜：青铜螺旋桨具有较好的耐腐蚀性和抗磨损性能，适用于大型船舶和高负荷工况下的飞机。
四、螺旋桨的维护保养为了确保螺旋桨的正常运行和延长其使用寿命，维护保养工作至关重要。
以下是一些建议：1. 定期清洗：螺旋桨表面容易附着赘物，定期清洗可以减少其阻力，提高推进效率。
2. 检查叶片状态：定期检查螺旋桨叶片的变形、裂纹和磨损情况，及时修复或更换叶片，以确保其正常工作。
3. 螺母紧固：定期检查螺旋桨的连接螺母是否紧固，防止因螺母松动而导致螺旋桨脱落或异常运转。
桨叶基本理论
•螺旋桨的桨叶(blade)
–叶根 • 又名桨叶轴，安装于桨觳内，桨叶的终端 –叶背(blade back) • 桨叶型面向上凸起的曲面部分，类似翼型上表面。 –叶面(blade face) • 又叫叶盆，桨叶平直的一面，类似于翼型下表面。
• 桨叶站位
• 是为帮助沿螺旋桨桨叶长度方向识别特定的点，有几个特定的桨叶站 位，作为离桨毂中心距离的参考。 • 从桨叶轮毂中心起，将桨叶分段，以英寸为单位定出站号。
wuv
• 入流角γ
• 相对气流方向和旋转面之 间的夹角。
• 桨叶迎角的影响因素
–桨叶迎角α
• 空气流过桨叶的相对速度方向与桨叶弦线之间的夹角。
• 影响因素有: 桨叶角φ, 飞机的飞行速度v和螺旋桨转速u。
• 桨叶角φ的影响
–桨叶迎角α
• 当v和n保持不变时, 保持不变，随着φ的增大, α也增 大。
v
u
• 飞行速度v的影响
– 在桨叶角和转速不变的情况下，桨叶迎角随飞行速度增大而减小， 当飞行速度增大到一定程度，桨叶迎角可能减小到零，甚至为负值。
• 螺旋桨转速u的影响
– 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。现方式做保护处理对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑并不能对任何下载内容负责
螺旋桨基本理论
• 螺旋桨
– 螺旋桨是一种旋转的翼型(aerofoil), 它由两至四 片桨叶固定在中心桨毂(hub)上, 桨毂直接或通 过减速器安装在发动机轴上。 – 桨叶→中心桨毂→(减速器)→发动机轴
• 桨叶角
– 弦线(chord line)
• 螺旋桨前缘点和后缘点的连线；
螺旋桨的几何特征讲解课件
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 。
【国家自然科学基金】_片条理论_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
2013年 序号 1 2 3 4
科研热词 非线性气弹 失速颤振 复合材料阻尼 复合材料薄壁梁
推荐指数 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2014年 科研热词 风力机 遗传算法 螺旋桨 片条理论 涡桨发动机 干涉角迭代初值 实时数学模型 叶片优化设计 元胞自动机 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
科研热词 片条理论 风力机 非线性气弹 载荷计算 螺旋桨效率 螺旋桨 气动设计 气动力设计 性能评估 小范围近似法 复合材料薄壁结构 低雷诺数 onera模型 galerkin法
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
科研热词 验证 风力机 耦合 缓存一致性 程序设计 直升机 片上多核处理器 气弹稳定性 时间序 无轴承旋翼 悬停 存储一致性模型 多路传力 修形约束 优化设计
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
2008年 序号 1 2 3 4
科研热词 推荐指数 端泵nd:yag激光器 1 太赫兹波 1 声光调q 1 1319 nm/1338 nm双波长 1
一种快速计算螺旋桨气动声学特性的数值方法
， ｌ＝ ｖ［ 一 ， ） （ Ｙ ］＝一ｆｉ一 ．＋ｋ （ ） ， 『 ３
・
收 稿 日期 ： ０５ ２２ ； 修 订 日期 ： ０５ ６１ ． ２０ － ．０ ０ ２０ ． ．１ ０ 基 金项 目 ： 北 工 业 大学 博 士 生 创 新 基 金 ； 北 工 业 大 学 “ 才 计划 ” 西 西 英 ．
作者简介 ： 高永卫 （９８）男 ， １６ ． ， 陕西省绥德县人 ， 副教授 ， 研究方 向； 实验 流体力学 、 流体机械设 计等
维普资讯
１８ ８
空
气
动
力
学
学
报
第２ ４卷
所以， 在任 意控 制点 ． ， 如下方 程 ： 『 有 上
维普资讯
第 ２ ４卷
第 ２期
空
气
动
力
学
学
报
Ｖｏ ．４． Ｎｏ． １２ ２
２０ ０ ６年 ｏ ６月 文章 编 号 ： ２ ８ １２ （ ０ ６ ０ ． １７０ ０ ５ —８ ５ ２ ０ ） ２０ ８ ．７
ＡＣＴＡ ＡＥＲｏＤＹＮＡⅣⅡＣＡ Ｄ ＣＡ Ｓ
表 面压 力分 布 的方 法 ， 而 达到快 速模 拟螺 旋桨 声学 从
特 性 的 目的 。
缘 重合 。 边界 条件 为桨 叶表 面法 向分 速 为零 ， ： 即
Ｖ ・， ｌ＝ ０ （） １
若桨 叶表 面的 方程 为 ：
＝
ｆ ， ） （ Ｙ
（） ２
则表 面法线 方 向 由下 式 确定 ：
传统 的 升力面 方法 通 常采用 涡格 法 ， 具体 做法 是
将 桨 叶沿 展 向分成 若干 段 ， 一段 沿 弦线 方 向在桨 叶 每 上 下表 面均匀 布置 四边 形涡 环 ， 由最后 一 些面 元拖 出 马蹄 涡在 尾缘 处相 遇 ， 向无 穷 远 。展 向附着 涡位 于 伸 每 个面元 的前 缘 ， 个 面上 的第 一根 附着 涡在 桨叶前 两
第6节：螺旋桨
2、几何参数： （1）螺距H：系指压力面的螺距，2R/3 处的螺距代表螺旋桨的螺距，此值约等于螺 旋桨的平均螺距。
（2）螺距比H/D：是螺旋浆主要的结构参数之一，其大小直接 影响螺旋浆的性能。 （ 3 ）盘面比 A/Ad ：所有浆叶展开面积总和与盘面积之比，是 螺旋浆的另一个重要的结构参数。盘面比大，说明浆叶肥大， 推水的总面积大。
2、滑失与滑失率
• S=（H – hp）/H • = （H· n –Vp）/H· n
1）螺旋桨的推力 ： T=K1ρ n² D**4 （N） =C1 n² 2）螺旋浆的阻力矩： M=K2ρ n² D**5 （N· m） =C2 n² 3）螺旋浆的效率： η p=K1λ p/2π K2 =C0 4）螺旋浆的功率： Pp=2π nM
（ 1 ）无进程情况：相当 于系泊工况， Vp=0 ， 不同航行工况下推力与阻 力矩的变化 λ p=0 ， 水 流 将 从 垂 直 于轴线方向流入，螺旋 桨只有旋转运动而无轴 向移动。此时K1、K2都 最大，升力和推力重合， 推力和阻力矩都达到最 大值。在此情况下，管 理人员应注意控制柴油 机油门和转速，以免主 机超负荷。
当螺旋浆在水中运动时，水被 它推向后移，由于螺旋桨和 水之间存在轴向方向的相对 滑动，因此螺旋浆前进的距 离比螺距要小，这种现象称 为滑失现象。螺旋浆旋转一 周在轴向前进的距离称为进 程hp，进程与浆直径的比值 称为进程比λ p=hp/D。螺距 H与进程的差值（H-hp）称 为滑失。H-hp/H称为滑失比 （率），即：
压力面是一个螺旋面，有等螺 距螺旋面和变螺距螺旋面两 种。如图，与轴线相交的线 段以等角速度绕轴线旋转， 同时以等线速度沿轴线向下 （或向上）移动，其在空间 划过的轨迹所形成的曲面即 为螺旋面。线段上任意一点 运动的轨迹为一螺旋线。母 线上的任一点旋转一周在轴 线方向上移动的距离称为该 螺旋桨的螺距，以H表示。 若组成螺旋桨的各螺旋线螺 距相等，这个螺距即为螺旋 面的螺距，而该螺旋面称为 等螺距螺旋面。
螺旋桨片条理论简介
螺旋桨片条理论简介螺旋桨片条理论（Standard Strip Analysis）又称为涡流理论是在儒可夫斯基螺旋桨涡流理论基础上，将普朗特(Prandtl)有限翼展理论应用于螺旋桨涡流模型中提出的螺旋桨特性计算理论。
根据有限翼展理论，一个产生升力的有限翼展机翼，当前方来流绕过机翼时将改变方向，引起气流下洗(Airflow downwash)，下洗角取决于机翼升力大小、机翼截面尾迹沿(Trailing Edge)的切线方向和机翼展长。
在无限翼展情况下，机翼扰流无下洗角，机翼扰流仅取决于叶型剖面形状。
下洗角的产生会使螺旋桨叶素相对气流攻角减小，在后面的螺旋桨特性计算中此下洗角称为干涉角。
叶素分析法就是在某半径处剖开螺旋桨桨叶，取出径向一段微元段，利用翼型升阻特性数据对此微元(即叶素)进行受力分析。
由于在航空涡桨发动机控制系统仿真实验过程中，需要建立实时计算的航空螺旋桨模型，一般使用的计算流体力学CFD方法是无法完成计算的，但是又无法避免螺旋桨建模，所以就会使用螺旋桨片条理论进行实时模型的建立，简化螺旋桨模型计算过程，提高实时仿真效率，并通过实验数据进行仿真验证。
片条叶素的示意图如右图所示。
图中叶素段被单独示出，c标示叶素厚度，b标示叶素弦长，叶素的本质是一段机翼翼型。
叶素具有翼型的升力系数、阻力系数，通过对翼型的升力和阻力的计算，可以得到叶素的整体受力，最后积分整个螺旋桨的受力情况。
[编辑本段]详细内容螺旋桨片条理论的关键是将螺旋桨叶片半径剖开（即所谓叶素，构成叶片的片段形状要素）后对叶片的气动特性进行分析，得到截面的力学量变化，如右图所示。
图中β角就是气流下洗干涉角度，图中标示的螺旋桨运行状态时最常用的螺旋桨前进状态，其他的螺旋桨共作状态有：静拉力状态，零拉力状态，制动状态，自转状态，风车状态，全部的工作状态一共六种。
图中V0 ——螺旋桨来流空速α——叶片实际攻角β——叶片的下洗角（Airflow downwash）dLp ——叶片叶素的升力（通过升力系数得到）dDp ——叶片叶素的阻力（通过阻力系数得到）dFp ——叶素的扭矩方向力分量dT' ——叶素的前进推力方向力分量dRp ——叶素受力的合力φ——干涉角β和空气角度φ0角度和φ0——actg(V0/2nπr)2nπr——螺旋桨转速旋转分量v ——干涉角度的气流速度和向量va ——干涉角度的气流速度轴向分量vt ——干涉角度的气流速度周向分量θ——螺旋桨桨叶角度螺旋桨片条理论计算的最关键步骤是计算干涉角度β，计算的根本是求解一个非线性方程f(β)=0，由于百度百科无法提供公式编辑，所以请参阅《空气螺旋桨理论及其应用》（刘沛清编著，北航社）[编辑本段]理论发展螺旋桨理论经历了如下的发展历程：来源于《空气螺旋桨理论及其应用》1- 基于力学原得出的螺旋桨起动理论（19世纪及以前）仅仅实现了功率和拉力与螺旋桨在气流中所起速度建立的联系，而不能把桨叶尺寸和几何关系与其在空气中所激起的速度联系起来，所以这些理论没有设计上的意义。
螺旋桨4
❖ 当螺旋桨的转速保持不变时, 桨叶角大, 螺旋桨旋转一周排出的 空气量多, 则螺旋桨单位时间内排气量多, 拉力就大; 反之, 桨 叶角小, 螺旋桨旋转一周排出的空气量少, 螺旋桨单位时间内排 气量少, 拉力就小。
❖ 当桨叶角保持不变时, 螺旋桨的转速高, 则螺旋桨单位时间内排 气量多, 拉力就大; 反之, 螺旋桨旋转低, 则螺旋桨单位时间内 排气量少, 拉力就小。
❖ 起飞后的爬升阶段, 通过降低进气压力或减小供油量和增大桨叶角 来降低发动机转速, 使发动机输出的功率减少到爬升功率。随着飞 行速度的增加, 靠桨叶角的增大, 仍可以保持较小的迎角。
❖ 在巡航高度下, 飞机处于水平飞行状态, 比起飞和爬高时所需要的 功率小, 发动机的功率仍靠降低进气压力或减小供油量和增大桨叶 角去降低发动机转速, 使桨叶迎较仍然保持较小。
螺旋桨 － 参数
❖ 拉力与飞行速度的关系
螺旋桨 － 参数
❖ 推进功率和效率
▪ 螺旋桨的推进功率 :
▪ 螺旋桨的推进功率是螺旋桨的拉力与飞机飞行速度的
乘积。即 NB=FV
▪ 螺旋桨的效率是螺旋桨的推进功率与发动机提供给螺
旋桨的轴功率(有效功率)之比,用符号ηB表示 (目前螺
旋桨效率可达0.85～0.87 )。
螺旋桨 － 参数
❖ 1.3.3 螺旋桨的拉力、推进功率和效率
▪ 螺旋桨的拉力
❖ 流过螺旋桨的介质对螺旋桨的反作用力在发动机轴线方向的分力称为螺旋 桨的拉力
▪ 影响拉力的因素：
❖ 螺旋桨产生的拉力与螺旋桨在单位时间内的排气质量, 排气速度和飞行速 度有关。
❖ 当排气速度和飞行速度保持不变时, 螺旋桨产生的拉力随着螺旋桨单位时 间排气质量的增大而增大。
轮船螺旋桨工作原理
轮船螺旋桨工作原理
轮船螺旋桨是一种用于推动船只前进的装置，它的工作原理可以简述如下：
1. 螺旋桨的结构：轮船螺旋桨通常由数片叶片组成，这些叶片呈弯曲的形状，安装在轴上形成一个圆盘。
2. 水流动力学：当桨叶转动时，叶片与周围水域发生作用。
根据牛顿第三定律，水流对螺旋桨叶片的作用力与叶片对水流的作用力大小相等，方向相反。
3. 推进原理：当螺旋桨转动时，叶片与水流作用，将叶片前方的水流推动向后。
由于叶片的形状，叶片背面的水流速度较大，而叶片面前的水流速度较小。
4. 牛顿第二定律：根据牛顿第二定律，对于一个物体，当施加的力超过阻力时，物体将加速。
螺旋桨在水中形成的水流差异产生一个反作用力，这个反作用力即为推力，推动船只向前移动。
5. 调节推力：轮船螺旋桨的推力大小可以通过调整螺旋桨转速和叶片的角度来控制。
更高的转速和较大的叶片角度可以产生更大的推力，从而加快船只的速度。
总结起来，轮船螺旋桨利用螺旋桨叶片与水流的作用力来产生推力，从而推动船只前进。
推力的大小可以通过调整转速和叶片角度进行控制。
船舶推进螺旋桨基础理论PPT课件
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船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
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 。
4、推力的另一种表达式：
轴向诱导速度越大， 推进器产生的推力也 越大。
9
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船舶推进第二章 螺旋桨几何特征
六、理想推进器的效率
推进器的效率等于有效功率与消耗功率的比值 1、推进器在静水中航行时产生推力，则其有 效功率为：
2、推进器工作时，单位时间内尾流所取得的 能量为：
10
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也就是说，有限翼展的机翼微段相当于二因次 机冀，故机翼微段将受到与VR垂直的升力dL和 与VR方向一致的粘性阻力dD。
26
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船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
三、螺旋桨的作用力
27
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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。
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船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
由于自由涡的存在，在空间产生一个诱导速 度场。在机冀后缘处，诱导速度垂直于运动 方向，故也称下洗速度。
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船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
考虑了尾涡的诱导速度后，我们可以将有限翼 展的机翼微段近似地看作二元机冀的一段，如 果已知在y处的环量，从茹柯夫斯基升力公式 可知，dy段机翼所受的升力dL垂直于来流VR， 其大小为：
船舶推进第三章 螺旋桨基础理论
涡轮螺旋桨动力飞机桨发匹配性能仿真研究
涡轮螺旋桨动力飞机桨发匹配性能仿真研究史永运;钟易成;邓君湘;田野;徐伟祖【摘要】基于螺旋桨片条理论和航空发动机热力循环原理分别建立了螺旋桨性能和涡桨发动机性能仿真模型.在此基础上,基于飞行器需用推力建立了螺旋桨巡航阶段桨发匹配优化模型,提出了一种计算某一匹配推力系数下螺旋桨效率和进距比关系曲线的方法,并设计了桨发匹配优化方案.针对某型涡桨动力飞机,开展了巡航剖面桨发匹配优化.结果表明:相比于原来的巡航剖面,优化后的巡航剖面飞机巡航航程提高了13％,显著地提升了巡航性能.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2019(000)004【总页数】5页(P116-120)【关键词】涡桨发动机;螺旋桨;桨发匹配;螺旋桨飞机【作者】史永运;钟易成;邓君湘;田野;徐伟祖【作者单位】南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京210016;南京航空航天大学江苏省航空动力系统重点实验室,江苏南京210016;沈阳特种设备检测研究研究,辽宁沈阳110000;沈阳特种设备检测研究研究,辽宁沈阳110000;南京普国科技有限公司,江苏南京210000【正文语种】中文【中图分类】V23;TP391.90 引言随着燃油费用的上涨，具有低油耗优点的螺旋桨飞机在军民用飞机市场有着越来越广泛的应用前景[1]。
螺旋桨飞机不同于常规的喷气式动力飞机，其推力/拉力由发动机轴带动旋转的螺旋桨产生，整个动力系统的性能涉及到螺旋桨和发动机两部分的性能，其桨发匹配性能对飞行器推进系统数学模型的准确性及飞行器整体性能影响极大。
因此，亟需开展桨发匹配性能建模研究，便于飞机设计阶段和后期使用阶段的桨发匹配设计，以提高螺旋桨推进系统的性能。
传统的螺旋桨多是定距螺旋桨，只能保证在设计点具有较高的推进效率，很难保证整个飞行包线的飞行性能。
变距螺旋桨的研制解决了这一问题，并由此推动了桨发匹配设计理论的发展。
美国早在1943年就开展了恒速桨的全尺寸风洞试验[2]，针对几种典型的标准螺旋桨与机身/短舱组合方式，研究了不同风速下螺旋桨推进效率与旋进比对应的关系，同时形成了一套根据螺旋桨气动数据和发动机特性进行桨发匹配设计的方法[3]，用于活塞动力螺旋桨战斗机的方案设计及动力系统选型。
螺旋桨基础理论.ppt分解共27页
11、战争满足了，或曾经满足过人的 好斗的 本能， 但它同 时还满 足了人 对掠夺 ，破坏 以及残 酷的纪 律和专 制力的 欲望。 ——查·埃利奥 特 12、不应把纪律仅仅看成教育的手段 。纪律 是教育 过程的 结果， 首先是 学生集 体表现 在一切 生活领 域—— 生产、 日常生 活、学 校、文 化等领 域中努 力的结 果。— —马卡 连柯(名 言网)
13、遵守纪律的风气的培养，只有领 导者本 身在这 方面以 身作则 才能收 到成效 。—— 马卡连 柯 14、劳动者的组织性、纪律性、坚毅 精神以 及同全 世界劳 动者的 团结一 致，是 取得最 后胜利 的保证 。—— 列宁 摘自名言网
15、机会是不守纪律的。——雨果
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。—周 恩来
推进第3章 螺旋桨基础理论
将（1）式代入（2）式得： 1 u t1 u t 即： 2
（ 3）
三． u a 和 u t 的关系
1． u a 和 u t 的关系： （1）半径 r 处 dr 段圆环吸收功率：
dQ dFi r dm ut r
（2）吸收功率消耗于下列三个方面： A．有效功率： dTi VA dm u a VA
将周围流场与桨叶作用力结合起来考虑。
1. 无限叶数涡旋理论： 1912年，儒可夫斯基发展的， Z＝∞ 2. 升力线理论：1952年Lerbs根据流体力学机翼升力线
理论引伸而来,它以许多能产生升力的涡线（升力线）
代替桨叶的作用，升力线产生的速度场与螺旋桨周围 的速度场等效。 3. 升力面理论：1944年Ludwig考虑宽叶螺旋桨的负荷弦 向分布而发展的。实用上：升力线理论+升力面修正。
由（6）式， u a1
iA
3．理想推进器的效率也总是小于 1 的一个值。
1 1 u 1 a 2V A
4．诱导速度越大则理想效率将下降。 由（7）式： ua ↗，iA ↙ 5．推进器的直径越大，效率将越高。
由（9）式，当Ti，VA 一定时，A0↗即D↗，则 iA ↗
6．载荷系数越大则理想效率将越低。 由（10）式， T ↙，则 iA ↗ 7．尾流截面面积越大，则理想效率将越高。 由（13）式，当Ti，VA 一定时，A1↗，则 iA ↗
3．运动模型
（1）首先假设同一半径处周向诱导速度为常数；
（2）分析各个断面处的周向诱导速度。
A．远前方及紧前方： 因为周向诱导速度是由于螺旋桨的旋转而产生的，故 在远前方及紧前方理想螺旋桨的周向诱导速度 ut 0 B．盘面处： 假设盘面处的周向诱导速度为 ut1 C．盘面紧后方至远后方：因为对于理想螺旋桨忽 略了离心力和尾流收缩的影响，理想螺旋桨的周向诱 导速度
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。
螺旋桨基础理论分解课件
螺旋桨的相似参数包括桨叶角、螺距比、转速、雷诺数等，这些参 数在相似理论中起着重要作用。
相似定理
根据相似理论，可以通过改变螺旋桨的相似参数来研究其性能变化规 律，从而实现对实尺度螺旋桨性能的预测。
螺旋桨的尺度效应及其影响
定义及内涵
螺旋桨的尺度效应是指螺旋桨的性能随其尺寸变化而变化的现象。当螺旋桨的尺寸增大或 减小时，其周围的流场、湍流度、粘性等也会发生变化，从而影响螺旋桨的性能。
01
采用主动流动控制技术，如涡流 发生器、射流控制等，对螺旋桨 叶尖涡进行主动干预，提高螺旋 桨失速性能。
02
通过以上改进措施，可以有效提 高螺旋桨的空化和失速性能，保 证螺旋桨在各种工况下的稳定工作。
05
螺旋桨的相似理论与尺度效应
螺旋桨的相似理论
相似定 义
螺旋桨的相似理论基于流体力学的相似原理，即两个螺旋桨在几何 形状、运动状态、动力特性等方面完全相似，则它们的性能也将相 似。
• 试验设计与执行：在进行螺旋桨模型试验时，需要选择合适的模型尺寸、试验 设备等，并精确控制试验条件，以获得准确的试验数据。
• 数据处理与误差分析：对试验数据进行处理时，需要考虑各种误差来源，如测 量误差、环境干扰等，并采取合适的误差分析方法，以提高数据的可靠性。
• 换算方法与公式：为了实现螺旋桨模型试验数据与实尺度性能的换算，可以采 用相似的换算公式或方法。这些方法通常基于相似理论和尺度效应的研究成果， 通过调整相关参数来实现换算。换算过程中需要注意单位统一和适用范围。
形状优化
通过参数化建模和CFD评 估，可以对螺旋桨的叶型、 弦长、扭角等参数进行优 化，以寻求最佳性能。
控制策略优化
考虑螺旋桨与飞行器的相 互作用，CFD可用于优化 控制策略，如变速、变距等。
直升机螺旋桨工作原理
直升机螺旋桨工作原理
直升机螺旋桨是直升机的动力装置，其工作原理是通过螺旋桨叶片的旋转产生
升力，从而使直升机获得飞行动力。
螺旋桨的工作原理涉及到空气动力学和机械传动两个方面，下面将详细介绍直升机螺旋桨的工作原理。
首先，螺旋桨的叶片结构对于直升机的性能至关重要。
螺旋桨叶片通常采用空
气动力学设计，其横截面呈对称翼型，以达到最佳的升力系数和阻力系数。
叶片的材料一般为复合材料或金属材料，具有足够的强度和刚度，以承受高速旋转时产生的离心力和气动载荷。
其次，螺旋桨的旋转运动产生了气流，这是产生升力的基础。
当螺旋桨旋转时，叶片与空气发生相互作用，空气由于叶片的运动而产生了加速和减速的过程，从而产生了升力。
这种升力是由于叶片上表面的气流速度大于下表面的气流速度，产生了压差，使得直升机获得了升力，从而实现了飞行。
另外，螺旋桨的旋转运动也产生了扭矩，这是直升机旋转的动力来源。
根据牛
顿第三定律，螺旋桨叶片产生的气流对螺旋桨也会产生一个反作用力，即扭矩。
为了抵消这个扭矩，直升机通常会配置尾桨或者尾旋翼来产生一个相反的扭矩，以保持直升机的平衡飞行状态。
最后，螺旋桨的旋转速度对直升机的性能有着重要的影响。
旋翼的旋转速度过
高或者过低都会影响直升机的飞行性能，因此需要根据不同的飞行任务和环境条件来调整螺旋桨的旋转速度，以获得最佳的飞行效果。
总之，直升机螺旋桨的工作原理是基于空气动力学和机械传动的原理，通过螺
旋桨叶片的旋转产生升力和扭矩，从而实现直升机的飞行。
了解直升机螺旋桨的工作原理对于飞行器设计和飞行性能优化具有重要意义，也为直升机的安全飞行提供了重要参考。
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螺旋桨片条理论简介
螺旋桨片条理论（Standard Strip Analysis）又称为涡流理论是在儒可夫斯基螺旋桨涡流理论基础上，将普朗特(Prandtl)有限翼展理论应用于螺旋桨涡流模型中提出的螺旋桨特性计算理论。
根据有限翼展理论，一个产生升力的有限翼展机翼，当前方来流绕过机翼时将改变方向，引起气流下洗(Airflow downwash)，下洗角取决于机翼升力大小、机翼截面尾迹沿(Trailing Edge)的切线方向和机翼展长。
在无限翼展情况下，机翼扰流无下洗角，机翼扰流仅取决于叶型剖面形状。
下洗角的产生会使螺旋桨叶素相对气流攻角减小，在后面的螺旋桨特性计算中此下洗角称为干涉角。
叶素分析法就是在某半径处剖开螺旋桨桨叶，取出径向一段微元段，利用翼型升阻特性数据对此微元(即叶素)进行受力分析。
由于在航空涡桨发动机控制系统仿真实验过程中，需要建立实时计
算的航空螺旋桨模型，一般使用的计算流体力学CFD方法是无法完成计算的，但是又无法避免螺旋桨建模，所以就会使用螺旋桨片条理论进行实时模型的建立，简化螺旋桨模型计算过程，提高实时仿真效率，并通过实验数据进行仿真验证。
片条叶素的示意图如右图所示。
图中叶素段被单独示出，c标示叶素厚度，b标示叶素弦长，叶素的本质是一段机翼翼型。
叶素具有翼型的升力系数、阻力系数，通过对翼型的升力和阻力的计算，可以得到叶素的整体受力，最后积分整个螺旋桨的受力情况。
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详细内容
螺旋桨片条理论的关键是将螺旋桨叶片半径剖开（即所谓叶素，构成叶片的片段形状要素）后对叶片的气动特性进行分析，得到截面的力学量变化，如右图所示。
图中β角就是气流下洗干涉角度，图中标示的螺旋桨运行状态时最常用的螺旋桨前进状态，其他的螺旋桨共作状态有：静拉力状态，零拉力状态，制动状态，自转状态，风车状态，全部的工作状态一共六种。
图中
V0 ——螺旋桨来流空速
α——叶片实际攻角
β——叶片的下洗角（Airflow downwash）
dLp ——叶片叶素的升力（通过升力系数得到）
dDp ——叶片叶素的阻力（通过阻力系数得到）
dFp ——叶素的扭矩方向力分量
dT' ——叶素的前进推力方向力分量
dRp ——叶素受力的合力
φ——干涉角β和空气角度φ0角度和
φ0——actg(V0/2nπr)
2nπr——螺旋桨转速旋转分量
v ——干涉角度的气流速度和向量
va ——干涉角度的气流速度轴向分量
vt ——干涉角度的气流速度周向分量
θ——螺旋桨桨叶角度
螺旋桨片条理论计算的最关键步骤是计算干涉角度β，计算的根本是求解一个非线性方程f(β)=0，由于百度百科无法提供公式编辑，所以请参阅《空气螺旋桨理论及其应用》（刘沛清编著，北航社）
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理论发展
螺旋桨理论经历了如下的发展历程：来源于《空气螺旋桨理论及其应用》
1- 基于力学原得出的螺旋桨起动理论（19世纪及以前）
仅仅实现了功率和拉力与螺旋桨在气流中所起速度建立的联系，而不能把桨叶尺寸和几何关系与其在空气中所激起的速度联系起来，所以这些理论没有设计上的意义。
2- 螺旋桨叶素理论（1878年，W.Froud）
把螺旋桨桨叶当做螺旋桨的机翼建立的理论，这种理论也成为孤立桨叶理论（螺旋桨叶素理论）。
同样的这种理论也不能用来设计螺旋桨，仅仅给出某些联系。
3- 动量和叶素理论的联合理论（19世纪）
这样的理论可以对螺旋桨的几何尺寸进行指导性的修正，从而可以指导螺旋桨叶片的设计工作。
4- 螺旋桨涡流理论（20世纪）
茹科夫斯基涡流理论和普朗特的有限翼展理论综合理论，也就是现在的片条理论，更进一步得到了几何特性和气动特性之间的关系，在螺旋桨气动设计中得到了广泛应用。
可以应用于数值模拟。
5- 螺旋桨数值模拟设计阶段（20世纪末）
纳维斯托克斯方程（N-S方程）数值计算，优点是结果精确可信，缺点是不可实时计算。
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应用实例
可以通过如下步骤使用螺旋桨片条理论计算螺旋桨力学参数。
1-查找资料得到需要建立数学模型螺旋桨的叶型，叶型的全部数据可以百度一下"Airfoil Investigation Database"里面有上千种叶片的升力系数阻力系数的吹风数据，通过这些数据得到螺旋桨的风洞曲线。
2-通过这些曲线，带入到f(β)=0（上一环节提到过）中，求解得到干涉气流角。
3-根据干涉气流角度会进而通过公式演算得到全部的螺旋桨计算数据。
计算时间不会长于0.01s。
（Windows平台，32位core2酷睿二处理器2G内存，Matlab建模验证）。