螺旋桨的工作原理

螺旋桨的工作原理

上次课给大家介绍了船艇水阻力的三种主要成分的形成原因及影响其大小的主要因素。（那么这三种阻力是哪三种？选其中一种提问其成因）。我们知道，船艇在水中运动要受到阻力的影响。那么船艇为什么能在水中运动？它是靠什么推动的呢？它又是怎样推动的呢？这就是我们这次课要给大家介绍的内容。

我们把推动船艇运动的装置称为推进器。推进器的种类很多，我们常见的有明轮推进器、喷水推进器、平旋推进器和螺旋桨等。目前使用最广泛的推进器是螺旋桨，它的特点是：推进效率高，结构

简单，工作可靠。下面我们就来看一看

一、螺旋桨的结构、配置和螺旋桨水流

（一）螺旋桨的结构

螺旋桨由桨毂、桨叶和整流罩等组成，并通过桨毂和尾轴相连。一般螺旋桨有3～5个桨叶，有的则多达6个。下面给大家介绍几个有关螺旋桨的几何名词。（结合幻灯片）

螺距——螺旋桨绕轴旋转一圈，沿轴向前进的几何距离。（P）

螺旋桨按旋转方向可分为左旋螺旋桨和右旋螺旋桨两种，从艇尾向前看，进车时顺时针旋转的称右

旋螺旋桨；反时针旋转的

称左旋螺旋桨。我们怎样判断一个静止的螺旋桨是左旋还是右旋呢？将螺旋桨平放，从侧面看，桨叶向右上方倾斜的为右旋螺旋桨；桨叶向左上方倾斜的为左旋螺旋桨。

（二）螺旋桨的配置

螺旋桨的配置一般有单螺旋桨、双螺旋桨、三螺旋桨和四螺旋桨等。地方商船一般采用单螺旋

桨，且多数为右旋螺旋桨；公边船艇一般采用双螺旋桨或四螺旋桨配置，且多采用外旋式（即右舷安装

右旋螺旋桨，左舷安装左旋螺旋桨；若右舷安装左旋螺旋桨，左舷安装右旋螺旋桨，则称为内旋式）。三螺旋桨船相对较少。

（三）螺旋桨工作时的水流

排出流、吸入流、顶流、伴流

这四种水流只有排出流和吸入流和螺旋桨直接相关。而顶流和伴流则和船艇是否对水移动有关，只有船艇对水移动时才产生顶流和伴流，且随艇速增加而增大。

二、螺旋桨的推力和阻力

（一）水翼原理

水翼从形状上可分为机翼形水翼和弓形水翼。船艇上的舵就属于机翼形水翼，螺旋桨桨叶则是弓形水翼。

当水翼和水流成一攻角后。翼板前面压力要高于翼背面的压力，形成压力差，使翼板前面的水流流至尾部锐缘后转向背面，导致翼剖面周围形成环流。这个环流和原来的水流形成叠加，使翼背面水流流速大增，压力明显下降；翼前面水流流速降低，压力升高。从而进一步加大了压力差，产生了垂直于来流方向的升力和平行于来流方向的阻力。

根据实验，可得水翼在水中运动的升力和阻力的公式如下：

升力L=C升SV2阻力D=C阻SV2 其中：V——水翼相对于水的速度(米/秒)

S——水翼面积(米2)

C升——升力系数，是攻角和水的密度(ρ)的函数。

C阻——阻力系数，是攻角和水的密度(ρ)的函数。

（二）螺旋桨的推力和阻力

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，则顶流以和艇速大小相等，方向相反的流速向螺旋桨流来，而伴流则以和艇速方向相同，流

速为u r向螺旋桨流来。通

过速度合成，我们可以得

到和螺旋桨成攻角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：

u r dP

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。

下面给大家介绍一个滑失的概念。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和h p 之差（P－h p）称为滑失。

滑失和螺距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 p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。

小结

本次课介绍了螺旋桨的结构、配置及螺旋桨工作时的水流；主要通过引入水翼原理，分析了螺旋桨的工作原理，最后得出螺旋桨的推力T、阻力Q 和攻角α和流入桨叶的水流的合速度V O之间的关系，即：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。