螺旋桨的几何特征

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

H（8-

汰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。

兀儿儿n ta —I

2jrr

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

叶稍

随边 导边

轮毂

推力血

吸力面

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 处的静压力闩相同。由于机翼上部的压力八小于机翼下部的压力乩，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'—b'所以机翼上部的压力八小于川。而截面b 一c则小于截面b'-C',所以机翼下部的压力基仍大于丛，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)

2

式中少--相对机翼的流体速度；

F--机翼的投影面积；

八--流体的密度，

"--升力系数，

1 --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， 在就可以进一步研究螺旋桨产生推力的原因 们可以把桨叶看作是处于攻角为 Q 、速度为''〔的 水流

(8-8)

我们现

我

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1 --，由于经过螺旋桨之后的流体不再受到外力的作用，因而厲2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

Ji'；（&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J 是未扰动的水流速度L切向速度" 以及诱导速度、和J 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。