螺旋槳葉

船舶的螺旋槳葉指可在水中旋轉的槳葉，將發動機轉動功率轉化為推進力的部分裝置，可有兩個或較多的葉與轂相連，葉的向後一面為螺旋面或近似於螺旋面的一種船用推進器。

螺旋槳葉的拉力隨轉速的變化過程如下： 由於發動機輸出功率增大，使螺旋槳轉速（切向速度）迅速增加到一定值，螺旋槳拉力增加。螺旋槳葉的設計研究，在船舶技術發展過程中，它比任何一個專業領域都做得多，從經驗方法過渡到數位化設計，再進而套用計算機技術進行螺旋槳葉最佳化的設什。螺旋槳的槳葉角從槳尖到槳根應按一定規律逐漸加大。

基本介紹

• 中文名：螺旋槳葉
• 外文名：Propeller blade
• 地位：螺旋槳葉是螺旋槳的主要部分
• 目的：導入推進、給船舶導入動力
• 本質：動力的傳播介質
• 出現：1752年

歷史發展

1752年，瑞士物理學家白努利第一次提出了螺旋槳比在它以前存在的各種推進器優越的報告，他設計了具有雙導程螺旋的推進器，安裝在船尾舵的前方。1764年，瑞士數學家歐拉研究了能代替帆的其它推進器，如槳輪（明輪）。噴水，也包括了螺旋槳葉。

潛水器和潛艇在水面下活動，傳統的槳、帆無法套用，笨重龐大的明輪也難適應。於是第一個手動螺旋槳，不是用在船上，而是作為潛水器的推進工具。

蒸汽機問世，為船舶推進器提供了新的良好動力，推進器順應蒸汽機的發展，成為船舶推進的最新課題。

第一個實驗動力驅動螺旋槳葉的是美國人史蒂芬，他在1804年建造了一艘7.6米長的小船，用蒸汽機直接驅動，在哈得遜河上做第一次實驗航行，實驗中發現發動機不行，於是換上瓦特蒸汽機，實驗航速是4節，最高航速曾達到8節。

史蒂芬螺旋槳有4個風車式槳葉，它鍛制而成，和普通風車比較它增加了葉片的徑向寬度，為在實驗中能選擇螺距與轉速的較好配合，槳葉做成螺距可以調節的結構。在哈得遜河上兩個星期的試驗航行中，螺旋槳葉改變了幾個螺距值，但是實驗的結果都不理想，性能遠不及明輪。這次實驗使他明白，在蒸汽機這樣低速的條件下，明輪的優越性得到了充分發揮，它的推進效率高於螺旋槳是必然的結論。

阿基米德螺旋的引入，最早見於1803年，1829年有英國的阿基米德螺旋槳的專利。並在此基礎上於1840- 1841年建造了一些民用的螺旋槳。1843年，英國海軍在“雷特勒”號艦上，第一次以螺旋槳代替明輪，隨後由斯密士設計了20艘螺旋槳艦，參加了對俄戰爭，斯密士成為著名人物。

1843年，美國海軍建造了第一艘螺旋槳船“浦林西登”號，它是由艦長愛列松設計，在愛列松的積極推廣下，美國相續建造了41艘民用螺旋槳船，最大的排水量達2000噸。

儘管英、美等國取得了一些成功，但是螺旋槳用作船舶推進還有很多問題，如在木殼船上可怕的振動，在水線下的螺旋槳葉軸軸承磨損，槳軸密封，推力軸承等。

隨著技術的進步，螺旋槳葉的上述缺陷，一個一個地克服，以及蒸汽機轉速的提高，愈來愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年，“大東方”號裝有當時世界上最大的螺旋槳葉，它的直徑有7.3米，重量達36噸，轉速每分種50轉，當時，推進器標準不再具有權威性，由於螺旋槳的推進效率接近明輪，而且它卻具有許多明輪無法競爭的優點，明輪逐步在海船上消失。

在科學技術發展過程中，

許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時候，就已經廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規律和沒有完整的理論分析以前，這些裝置很難達到它的最佳性能。螺旋槳也不例外，直到1860年，雖然它在海船上已經成為一枝獨秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經驗。螺旋槳葉的進步，只依靠專家們的直觀推理，已經不能滿足船舶技術的發展需要，它有待科學家對其流體動力特性做出完整的解釋，這就促使螺旋槳理論的發展。

螺旋槳葉的理論研究，在船舶技術發展過程中，它比任何一個專業領域都做得多，從經驗方法過渡到數位化設計，再進而套用計算機技術進行螺旋槳葉最佳化的設什。一個好的螺旋槳葉其設計是非常重要的，模型試驗也起著主要的作用。

誕生

1836年，英國的“阿基米德號”使用了螺旋推進器，那是一個木製的長長的像螺絲釘的螺桿 。開始試驗時，它以每小時4海里的航速航行。突然，水中的障礙物碰斷了螺桿，只剩了一小截。正當造船工程師史密斯急得不知所措時，這船卻意外地加快了速度，達到每小時13海里。這事啟發了造船工程師們，他們把長螺桿變成短螺桿，又把短螺桿變成葉片狀，螺旋槳葉就這樣誕生了。

1845年，英國製成了世界上第一艘螺旋槳船 “大不列顛號”，但是，當時的人們對螺旋槳葉和螺旋槳船存在疑慮螺旋槳沒有等到廣泛套用， 螺旋槳船還不多。

為了證明螺旋槳的優越性， 英國海軍組織了一場有趣比賽：把動力相當的“響尾蛇號”螺旋槳輪船和“愛里克托號”明輪進行了競賽。兩艘船的船尾用粗纜繩系起來，讓它們各朝相反的方向駛去。“響尾蛇號”的螺旋槳飛快地旋轉，“愛里克托號”的明輪猛烈地向後撥水。先是互不相讓，但過了一會兒，“響尾蛇號”就把“愛里克托號”拖走了。這場比賽證明了螺旋槳的優越性。從此，螺旋槳輪船就取代了明輪。

近代船用槳葉

由於我國自19世紀中葉淪為半殖民地，很少有貢獻。解放後，我國造船事業得到新發展，對螺旋槳技術也進行了大量設計、研究工作，為各類艦船配上了大量自己設計製造的螺旋槳。最值得驕做的是“關刀槳”的問世，它是我國在螺旋槳技術發展中的一大創造。那是在60年代，廣州文沖船廠有一位師傅，名叫周挺，他根據自己幾十年製做螺旋槳的經驗，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關公的82斤重大刀的式樣，他形象地叫它“關刀槳”。

“關刀槳”曾在一些船上試驗航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振動卻大大地減弱了。在當時的長江2000馬力拖輪和華字登入艇上使用，都取得了良好的效果，這一成就，吸引了許多造船界人士。1973年，在上海首先做了“關刀槳”敞水試驗研究，同時還提供了設計圖譜。有趣的是，在世界著名造船國家今天開發的“大側斜”螺旋槳葉，如最新艦用大側斜螺旋槳葉，直徑6.3米，軸功率35660千瓦，艦航速達32.8節；最新在客渡船上採用的大側斜螺旋槳葉，該槳葉直徑5.1米，軸功率15640乾瓦，船航速為23.2節。圖7所示是最新化學品船上採用的大側斜螺旋槳葉，該槳葉直徑6.2米，軸功率10400千瓦，船航速16.7節。它們和“關刀槳”非常相似，其重要特徵是振動，噪聲小，這也是“關刀槳”所具有的特點。常州中海船舶螺旋槳公司造出我國民企最大船用螺旋槳葉，可以提供最好的“關刀槳”。

計算公式

功率（W） 直徑（D）螺距（P） 轉/分（N）

功率

速度

靜止推力

工作原理

可以把螺旋槳葉看成是一個一面旋轉一面前進的機翼進行討論。流經槳葉各剖面的氣 流由沿旋轉軸方向的前進速度和旋轉產生的切線速度合成。在螺旋槳葉半徑r1和r2（r1<r2）兩處各取極小一段，討論槳葉上的氣流情況。V—軸向速度；n—螺旋槳轉速；φ—氣流角，即氣流與螺旋槳旋轉平面夾角；α—槳葉剖面迎角；β—槳葉角，即槳葉剖面弦線與旋轉平面夾角。顯而易見β=α+φ。

空氣流過槳葉各小段時產生氣動力，阻力ΔD和升力ΔL，合成後，總空氣動力為ΔR。ΔR沿飛行方向的分力為拉力ΔT，與旋螺槳旋轉方向相反的力ΔP 阻止螺旋槳轉動。將整個槳葉上各小段的拉力和阻止旋轉的力相加，形成該螺旋槳的拉力和阻止螺旋槳轉動的力矩。

必須使螺旋槳葉各剖面在升阻比較大的迎角工作，才能獲得較大的拉力，較小的阻力矩，也就是效率較高。螺旋槳工作時。軸向速度不隨半徑變化，而切線速度隨半徑變化。因此在接近槳尖，半徑較大處氣流角較小，對應槳葉角也應較小。而在接近槳根，半徑較小處氣流角較大，對應槳葉角也應較大。螺旋槳的槳葉角從槳尖到槳根應按一定規律逐漸加大。所以說螺旋槳葉是一個扭轉了的機翼更為確切。

氣流角實際上反映前進速度和切線速度的比值。對某個螺旋槳的某個剖面，剖面迎角隨該比值變化而變化。迎角變化，拉力和阻力矩也隨之變化。用進矩比“J”反映槳尖處氣流角，J=V/nD。式中D—螺旋槳直徑。理論和 試驗證明：螺旋槳的拉力（T），克服螺旋槳阻力矩所需的功率（P）和效率（η）可用下列公式計算：

T=Ctρn2D4

P=Cpρn3D5

η=J·Ct/Cp

式中：Ct—拉力係數；Cp—功率係數；ρ—空氣密度；n—螺旋槳轉速；D—螺旋槳直徑。其 中Ct和Cp取決於螺旋槳的幾何參數，對每個螺旋槳其值隨J變化。螺旋槳葉的特性可通過理論計算或試驗獲得。特性曲線給出該螺旋槳拉力係數、功率係數和效率隨前進比變化關係。是設計選擇螺旋槳和計算飛機性能的主要依據之一。

從計算公式可以看到，當前進比較小時，螺旋槳效率很低。對飛行速度較 低而發動機轉速較高的輕型飛機極為不利。例如：飛行速度為72千米/小時，發動轉速為6500轉/分時，η≈32%。因此超輕型飛機必須使用減速器，降低螺旋槳的轉速，提高進距比，提高螺旋槳的效率。

幾何參數

直徑

D：影響螺旋槳性能重要參數之一。一般情況下，直徑增大拉力隨之增大， 效率隨之提高。所以在結構允許的情況下儘量選直徑較大的螺旋槳。此外還要考慮螺旋 槳槳尖氣流速度不應過大（<0.7音速），否則可能出現激波，導致效率降低。

槳葉數目

B：可以認為螺旋槳的拉力係數和功率係數與槳葉數目成正比。超輕型飛 機一般採用結構簡單的雙葉槳。只是在螺旋槳直徑受到限制時，採用增加槳葉數目的方 法使螺旋槳與發動機獲得良好的配合。

實度

σ：槳葉面積與螺旋槳旋轉面積（πR2）的比值。它的影響與槳葉數目的影響相 似。隨實度增加拉力係數和功率係數增大。

槳葉角

β：槳葉角隨半徑變化，其變化規律是影響槳工作性能最主要的因素。習慣 上以70%直徑處槳葉角值為該槳槳葉角的名稱值。 螺距：它是槳葉角的另一種表示方法。

幾何螺距

H：槳葉剖面迎角為零時，槳葉旋轉一周所前進的距離。它反映了槳葉 角的大小，更直接指出螺旋槳的工作特性。槳葉各剖面的幾何螺矩可能是不相等的。習 慣上以70%直徑處的幾何螺矩做名稱值。國外可按照直徑和螺距訂購螺旋槳。如 64/34，表示該槳直徑為60英寸，幾何螺距為34英寸。

實際螺距

Hg：槳葉旋轉一周飛機所前進的距離。可用Hg=v/n計算螺旋槳的實際螺矩值。可按H=1.1～1.3Hg粗略估計該機所用螺旋槳幾何螺矩的數值。

理論螺矩

HT：設計螺旋槳時必須考慮空氣流過螺旋槳時速度增加，流過螺旋槳旋轉平面的氣流速度大于飛行速度。因而螺旋槳相對空氣而言所前進的距離一理論螺矩將大於實際螺矩。