螺旋桨桨叶参数与性能的关系

螺旋桨桨叶参数与性能的关系

螺旋桨设计时，涉及到多种参数，它们分别表达着设计要求的不同方向，例如伴流分数与推力减额分数，表达了船舶与螺旋桨之间的相互影响，而空泡数则是桨叶空泡性能的量化指标。主要介绍直径、螺距、弦长、纵倾、侧斜等参数对螺旋桨推力、效率、空泡、振动、噪声等性能的影响。

螺旋桨的直径

螺旋桨在原地旋转时，叶梢的轨迹称为稍圆，其直径即为螺旋桨直径，以D表示。螺旋桨初步设计中，首先对直径与转速选定其一，然后通过图谱法确定另一参数的最佳值。环流理论设计法中，直径是根据设计经验或船型指定的。一般来说，螺旋桨的直径越大，转速越低，效率越高，但直径过大时，桨叶盘面处的平均伴流减小，导致船身效率下降，可能会降低总的推进效率。另外，螺旋桨直径的选择须考虑船舶吃水及船舶尾框间隙的限制，对于经常压载航行的船舶，较小的直径可以照顾压载时的效率及避免叶梢露出水面；从振动方面考虑，螺旋桨与船体间的间隙不宜过小，否则可能引起船体尾部结构的振动。

螺距分布

取某半径处与螺旋桨共轴的圆柱面剖分桨叶，截得桨叶剖面，将该叶剖面的鼻尾线延长，环绕轴线一周，其两端点的轴向距离即是桨叶子啊该半剖面的螺距，以P表示，螺距P与螺旋桨直径D之比P/D称为螺距比。将共轴圆柱面与翼型剖面一起展开，鼻尾线与底线之间的夹角称为螺距角，螺距角的大小表示桨叶在相应半剖面的倾斜程度，桨叶的负荷主要通过螺距分布的设计沿桨叶径向进行布置。螺旋桨设计时，螺距分布的选取很大程度上决定着桨叶的负荷及负荷分布；设计工况一定时，螺距分布决定着桨叶剖面的工作状态以及工况点在桨叶空炮斗中的位置；环流理论设计方法通过在不同半径叶剖面上选取不同的螺距以适应船尾伴流饿不均匀性。在图谱法及环流理论设计方法中，螺距都是最重要的设计变量。螺距分布对桨叶推力、效率、空泡、振动及噪声都有着重要的影响。由螺旋桨环流理论可以知道，螺旋桨负荷径向分布的最大值位置越是偏向叶梢，桨叶的效率越高，但叶梢处的空泡性能会变得很差。现代螺旋桨设计是在保证推理与效率的同时，追求桨叶空泡、振动与噪声性能的提高，这就使桨叶叶梢处螺距的设计更加关键。

盘面比与弦长分布

桨叶梢圆的面积称为盘面积A0，螺旋桨的伸张面比（伸张面积与盘面积之比）与展开面比（展开面积与盘面积之比）均可称为盘面比，盘面比实质上表示桨叶的宽窄程度。相同的桨叶数，盘面比越大，桨叶越宽。盘面比的大小主要取决于桨叶数与弦长分布。对于推力要求确定的螺旋桨，盘面比越大，桨叶单位面积上的负荷越小。因此，图谱法中，在桨叶弦长分布形式给定的情况下，通过空泡校核确定螺旋桨的最小盘面比，进而确定弦长。关于盘面比与效率的关系，一般认为盘面比增加会导致效率的降低，但设计实践表明：增加桨叶数导致盘面比增大时，效率未必一定降低。对此相互矛盾结论的解释是：盘面比的改变，会导致其它参数（如0.75R处的厚度弦长比）的变化，这些变化对效率有不同的影响，关键取决于那种影响更具有决定作用，这只有通过比较计算，甚至试验才能确定。在环流理论设计方法中，通过径向环量与桨叶切面的弦长，升力系数之间的关系（升长积系数），可以综合空泡、推力、效率的设计要求，结合螺旋桨的设计工况与螺旋桨分布的设计来考虑弦长分布的设计。这只是让我们在设计弦长分布时有了更多的选择，然而至今还没有公认的桨叶弦长设计方法。

桨叶纵倾与侧斜

假设螺旋桨固定于船尾旋转，与桨叶固定的旋转坐标系为（ο—χγψ），根据国际船模试验水池会议（ITTC）的建议，将通过叶跟剖面鼻尾线中点的径向线称为螺旋桨参考线。通常将螺旋桨参考线与桨轴的交点作为原点，而取某一桨叶的参考线作为ψ=0。

纵倾（又称纵斜）表示桨叶各半径剖面在桨轴方向的位置，通常指桨叶的最大总纵倾；侧斜桨的总纵倾为初始纵倾与侧斜引起的纵倾之和，前者为无侧斜时，叶剖面弦长中点沿轴向的位移，而后者是桨叶剖面沿螺距方向形成周向位移的同时产生的轴向位移。侧斜指桨叶各半径剖面鼻尾线的中点沿周向偏离螺旋桨参考线的程度，以角度表示，通常指最大侧斜角。