舰艇螺旋桨的几何参数-舰艇静力学与快速性

为了对螺旋桨做进一步研究和分析，要定义其几何参数，从而实现对复杂几何体的参数化表达。

1.螺距

1）螺旋面和螺旋线

桨叶的叶面通常是螺旋面的一部分。下面首先介绍一下螺旋面（线）的概念。

在空间笛卡儿坐标系的oxy平面上有一条线段oA，使oA在以等角速度绕z轴旋转的同时以等线速度沿z轴向上移动，则oA在空间所描绘的曲面即为等螺距螺旋面，如图10-11所示。线段oA称为母线；母线绕行一周在轴向前进的距离称为螺距，以P表示。

图10-11　等螺距螺旋面

根据母线的形状及其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10-12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10-13所示。若母线为曲线，则形成扭曲的螺旋面，如图10-14所示。

图10-12　正螺旋面

图10-13　斜螺旋面

图10-14　扭曲螺旋面

母线上任一固定点在运动过程中所形成的轨迹均为一螺旋线。如图10-15所示，半径为R的圆柱面与螺旋面相交得到螺旋线BB1B2。如将此圆柱面展开成平面，则此圆柱面即成一底长为2πR、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。节线与矩形的两边围成的三角形称为螺距三角形；节线与底线间的夹角θ称为螺距角。由图可知，螺距角可由下式来确定：

2）螺旋桨的面螺距

螺旋桨桨叶的叶面是螺旋面的一部分，如图10-16（a）所示，故任何与螺旋桨共轴的圆柱面与叶面的交线均为螺旋线的一段，如图10-16（b）中的B0C0段。若将螺旋线段B0C0延长且环绕轴线一周，则其两端的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的一部分，则P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旋桨的螺距三角形，如图10-16（c）所示。

图10-15　螺旋线

图10-16　螺旋桨的面螺距

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：

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。图10-17（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后展开的螺距三角形，显然r1＜r2＜r3，而θ1＞θ2＞θ3。

图10-17　螺旋桨不同半径r处的螺距角

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10-17（b）所示。对此类螺旋桨常取半径为0.7R或0.75R（R为螺旋桨叶梢半径）处的面螺距代表螺旋桨的螺距，为注明其计量方法，在简写时可写作P0.7R或P0.75R。

2.叶切面

半径为r且与螺旋桨同轴的圆柱面与桨叶相交所得的剖面称为叶切面，也称叶剖面，如图10-16所示。显然，叶切面是圆柱面的一部分，而不是一个平面。叶切面展平后的形状称为翼型（见图10-18）。翼型的弦线（首、尾连线）的水平投影长度称为弦长，用b表示，对应叶切面则为半径r处的弦长；翼型上下边的最大距离称为翼厚，用t表示，对应叶切面则为叶厚；上下边坐标平均后的曲线称为拱线，拱线最高处的纵坐标值称为拱度，用f表示，对应叶切面则为拱弧。

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图10-18　叶切面翼型

对叶切面翼型有两种定义方法。一种是以弦线为基准，在弦线的不同位置给出上、下表面的型值，在传统的图谱设计中一般采用这种方法。另一种则是在螺旋桨理论设计中采用的NACA组合翼型定义方法。

叶切面翼型有机翼形、弓形、月牙形及梭形等，如图10-19所示。过去认为月牙形叶切面的空泡性能好主要是针对均匀流场而言的，目前理论设计时主要采用机翼形叶切面，而且人们还在研究各种新型叶切面。

图10-19　各种叶切面翼型

3.纵倾和侧斜

从图10-20（a）所示的螺旋桨侧视图上看：若叶面参考线（螺旋桨叶面所在螺旋面的母线）与轴线垂直，如图10-21（a）所示，则叶面所在螺旋面为正螺旋面；若叶面参考线与轴线的垂直线成一夹角ε，如图10-21（b）所示，则叶面所在螺旋面为斜螺旋面，角ε称为纵倾角。纵倾的方向一般是向后。

图10-20　不同纵倾角的翼型

图10-21　螺旋桨简图

如图10-21所示，螺旋桨叶的投影轮廓称为投射轮廓。对称桨叶的投射轮廓对称于叶面参考线；非对称桨叶的投射轮廓不对称于叶面参考线。叶梢到叶面参考线的距离称为侧斜，以Xs表示，相应的角度θs称为侧斜角，相应的螺旋桨即侧斜桨。侧斜的方向与螺旋桨的旋向相反。

合理选择纵倾角、侧斜角可加大桨叶到艉部船体的间隙，对减小螺旋桨诱导的振动有利。纵倾角不宜过大，否则螺旋桨工作时离心力对叶根的弯矩较大，不利于保证桨叶强度。适当增大侧斜角还对防止螺旋桨空泡、减小噪声有利。近年来出现了大侧斜桨，其抗空泡减振降噪性能都较高。

MIT 4381-4384为系列标准螺旋桨模，其最大的区别就是侧斜角不同，从图10-22中可以直观地看到，叶梢处的侧斜角（即最大侧斜）分别为0°、36°、72°和108°。

4.直径和盘面积

螺旋桨旋转一周所形成的圆盘称为桨盘面。由桨叶的“顶点”叶梢可以定义螺旋桨的直径D（见图10-23）和盘面积A0=。

桨叶是一个扭曲状的三维体，将桨叶展平测量得到桨叶的面积，然后乘以叶数，即得到螺旋桨的叶面面积，记作A，A=Z×单个桨叶面面积。

图10-22　不同侧斜的螺旋桨

图10-23　螺旋桨的直径

在工程上也常用盘面比A/A0衡量螺旋桨叶面面积，A/A0是螺旋桨叶面面积A与盘面积A0的比值，A/A0表征叶片轮廓形状的饱满程度，A/A0大则表示叶片饱满。注意：螺旋桨的A/A0可以大于1.0。

A或A/A0是对螺旋桨的空泡、振动特性影响大的参数，对螺旋桨的工作特性也有较大影响，但对螺旋桨水动力性能影响的程度要小于直径D和螺距P。

5.螺旋桨型线图

螺旋桨的型线图和型值表完整准确地表达了螺旋桨的几何形状，是螺旋桨设计的结果和制造的依据。

螺旋桨型线图一般由三部分组成：侧视图、正视图和伸张轮廓图（见图10-24）。螺旋桨型线图可将螺旋桨的结构组成、外形和几何参数以曲线和数值的形式表达出来。

图10-24　螺旋桨型线图

正视图是从船艉向船艏看得到的视图，侧视图是从船侧看得到的视图。

所谓伸张轮廓图，是将桨叶各半径处的叶切面拉直后置于相应半径处，并过导边与随边绘出在叶梢处相接的框线所得到的图形。该框线称为伸张轮廓，伸张轮廓的外形称为伸张外形。若桨叶伸张外形为左右对称的，则该桨为对称型螺旋桨，否则为非对称型螺旋桨。伸张轮廓的面积称为伸张面积，记作AE，研究表明该面积与螺旋桨叶面面积非常接近，常认为AE=A。在工程中也常以伸张面积比AE/A0表示伸张面积，因而盘面比AE/A0=A/A0。