螺旋桨的几何特性

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1、第二章 螺旋桨几何形体与制造工艺螺旋桨是目前应用最为广泛的一种推进器,因而也就成为“船舶推进”课程研究的主要 对象。要研究螺旋桨的水动力特性,首先必须对螺旋桨的几何特性有所认识和了解。 2-1 螺旋桨的外形和名称一、螺旋桨各部分名称螺旋桨俗称车叶,其常见外观如图2-1 所示。图2-1螺旋桨通常装于船的尾部(但也有一些特殊船在首尾部都装有螺旋桨,如港口工作船及渡 轮等),在船尾部中线处只装一只螺旋桨的船称为单螺旋桨船,左右各一者称为双螺旋桨船, 也有三桨、四桨乃至五桨者。螺旋桨通常由桨叶和桨毂构成(图 2-2)。螺旋桨与尾轴联接部分称为桨毂,桨毂是一个截 头的锥形体。为了减小水阻力,在桨毂后端加

2、一整流罩,与桨毂形成一光顺流线形体,称为 毂帽。x 叶背叶面 .:导边随边Zy叶梢(端) _叶面参考线(a)侧投影轮廓i &桨毂图2-2桨叶U .V 叶根OI转向 ,梢圆(b)桨叶固定在桨毂上。普通螺旋桨常为三叶或四叶,二叶螺旋桨仅用于机帆船或小艇上, 近来有些船舶(如大吨位大功率的油船),为避免振动而采用五叶或五叶以上的螺旋桨。由船尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面,另一面称为叶背。桨叶与毂 联接处称为叶根,桨叶的外端称为叶梢。螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称为导边,另 一边称为随边。螺旋桨旋转时(设无前后运动)叶梢的圆形轨迹称为梢圆。梢圆的直径称为螺旋桨直径, 以 D 表示。

3、梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积,以 A 表示:004 当螺旋桨正车旋转时,由船后向前看去所见到的旋转方向为顺时针者称为右旋桨。反之, 则为左旋桨。装于船尾两侧之螺旋桨,在正车旋转时其上部向船的中线方向转动者称为内旋 桨。反之,则为外旋桨。二、螺旋面及螺旋线 桨叶的叶面通常是螺旋面的一部分。为了清楚地了解螺旋桨的几何特征,有必要讨论一 下螺旋面的形成及其特点。设线段ab与轴线oo成固定角度,并使ab以等角速度绕轴oo旋转的同时以等线速度沿 11 oo向上移动,则ab线在空间所描绘的曲面即为等螺距螺旋面,如图2-3所示。线段ab称为 1母线,母线绕行一周在轴向前进的距离称为螺距,以P表示。 根据母线

4、的形状及与轴线间夹角的变化可以得到不同形式的螺旋面。若母线为一直线且 垂直于轴线,则所形成的螺旋面为正螺旋面如图2-4(a)所示。若母线为一直线但不垂直于轴 线,则形成斜螺旋面,如图2-4(b)所示。当母线为曲线时,则形成扭曲的螺旋面如图2-4(c) 及图 2-4(d) 所示。(a)(c)图2-4(b)母线上任一固定点在运动过程中所形成的轨迹为一螺旋线。任一共轴之圆柱面与螺旋面 相交的交线也为螺旋线,图2-5 (a)表示半径为R的圆柱面与螺旋面相交所得的螺旋线BBiB2o 如将此圆柱面展成平面,则此圆柱面即成一底长为2tR高为P的矩形,而螺旋线变为斜线(矩 形的对角线),此斜线称为节线。三角形

5、B B B称为螺距三角形,节线与底线间之夹角e 称为螺距角,如图2-5(b)所示。由图可知,螺距角可由下式来确定:tgO =(2-2)BB(a)BPB(b)图2-5三、螺旋桨的几何特性1. 螺旋桨的面螺距螺旋桨桨叶的叶面是螺旋面的一部分(图2-6(a),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,如图2-6 (b)中的BC段。若将螺旋线段BC引长环绕轴线一周,则 0 0 0 0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 螺距三角形如图2-6 (c)所示。IP/4

6、0(a)(b)(c)图2-6(2-3)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2 n,节线与底线之间的夹角 0为半径r处的螺距角,并可据下式来确定:tg 0 =螺旋桨某半径 r 处螺距角 0 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0愈大。图2-7 (a)表示三个不同半径的共轴圆柱面与等螺距螺 旋桨桨叶相交的情形,其展开后的螺距三角形如图2-7(b)所示。显然,r Vr Vr而0 0 0。1 2 3 1 2 31(b)(a)图2-7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,其不同半径处螺旋线的展 开如图2-8所示。对此类螺旋桨常取

7、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P或P 。0.7R0.75R2. 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, 如图2-6(b)所示。将圆柱面展为平面后则得如图2-6(c)所示的叶切面形状,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,如图 2-9 所示。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

8、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(图2-10), 图中所示线段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b梭形切面图2-9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。图 2-10 中所示的弦长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。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

9、比(5=丄。切面的中线或平均线称为 b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f表示。f与弦长b之比称MM切面的拱度比f=f /b(见图2-10)。M4b(b)图 2-10(a)机翼型;(b)弓型。1:面线;2:背线;3:导缘;4:随缘;5:拱线;6:导缘端圆3. 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,从船侧看过去所看到的为侧视图。图2-11所示为一普通螺旋桨图,图上注明了 螺旋桨各部分的名称和术语。为了正确表达正视图和侧视图之间的关系,取叶面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,如图中直线OU。若螺旋桨叶面是正螺旋面,则在侧视图上参叶面参考线I叶面参考线侧投影轮廓线伸张轮廓B(a)(b)K图 2-1111 o_一l展开轮廓考线OU与轴线垂直。若为斜螺旋面,则参考线与轴线的垂线成某一夹角,称为纵斜角。参 考线线段OU在轴线上的投影长度称为纵斜,用z表示。纵斜螺旋桨一般都是向后倾斜的,R 其目的在于增大桨叶与尾框架或船体间的间隙,以减小螺旋桨诱导的船体振动,但纵斜不宜 过大(一般

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