螺旋槳(動力機械)

螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉，將發動機轉動功率轉化為推進力的裝置，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推進器。螺旋槳分為很多種，套用也十分廣泛，如飛機、輪船的推進器等。

基本介紹

• 中文名：螺旋槳
• 外文名：propeller
• 原理：旋轉後產生反推力
• 始祖：阿基米德螺旋泵，竹蜻蜓

歷史起源

1、古代的車輪，即歐洲所謂“槳輪”，配合近代的蒸汽機，將原來槳輪的一列直葉板斜裝於一個轉轂上。構成了螺旋槳的雛型。

2．古代的風車，隨風轉動可以輸出扭矩，反之，在水中，輸入扭矩轉動風車，水中風車就有可能推動船運動。

3．在當時，已經使用了十幾個世紀的古希臘的阿基米德螺旋泵，它能在水平或垂直方向提水，螺旋式結構能打水這一事實，作為推進器是重要的啟迪。

偉大的英國科學家虎克在1683年成功地採用了風力測速計的原理來計量水流量，於此同時，他提出了新的推進器——推進船舶，為船舶推進器作出了重大貢獻。

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，幾何螺矩為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。

船用槳

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，螺旋槳就這樣誕生了。

發展

1752年，瑞士物理學家伯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），也包括了螺旋槳。

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，然而並不是用在船上，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，螺旋槳順應蒸汽機的發展，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，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。

阿基米德螺旋泵示意圖

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，在水線下的螺旋槳軸軸承磨損，槳軸密封，推力軸承等。

隨著技術的進步，螺旋槳的上述缺陷，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，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

螺旋槳的理論研究，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最佳化的設什。一個好的螺旋槳其設計是非常重要的，模型試驗也起著主要的作用。

中國發展

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”（圖4）。

“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，如（圖5）最新艦用大側斜螺旋槳，直徑6.3米，軸功率35660千瓦，艦航速達32.8節；圖6所示是最新在客渡船上採用的大側斜螺旋槳，該槳直徑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，該槳直徑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，可以提供最好的“關刀槳”。

工作原理

可以把螺旋槳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α+β=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：

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。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。

空氣槳

概述

靠槳葉在空氣中旋轉將發動機轉動功率轉化為推進力或升力的裝置，簡稱螺旋槳。它由多個槳葉和中央的槳轂組成，槳葉好像一扭轉的細長機翼安裝在槳轂上,發動機軸與槳轂相連線並帶動它旋轉。噴氣發動機出現以前，所有帶動力的航空器無不以螺旋槳作為產生推動力的裝置。螺旋槳仍用於裝活塞式和渦輪螺旋槳發動機的亞音速飛機。直升機旋翼和尾槳也是一種螺旋槳。

原理

螺旋槳旋轉時，槳葉不斷把大量空氣（推進介質）向後推去，在槳葉上產生一向前的力，即推進力。一般情況下，螺旋槳除旋轉外還有前進速度。如截取一小段槳葉來看，恰像一小段機翼，其相對氣流速度由前進速度和旋轉速度合成。槳葉上的氣動力在前進方向的分力構成拉力。在旋轉面內的分量形成阻止螺旋槳旋轉的力矩，由發動機的力矩來平衡。槳葉剖面弦(相當於翼弦)與旋轉平面夾角稱槳葉安裝角。螺旋槳旋轉一圈，以槳葉安裝角為導引向前推進的距離稱為槳距。實際上槳葉上每一剖面的前進速度都是相同的，但圓周速度則與該剖面距轉軸的距離（半徑）成正比，所以各剖面相對氣流與旋轉平面的夾角隨著離轉軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個剖面與相對氣流都保持在有利的迎角範圍內，各剖面的安裝角也隨著與轉軸的距離增大而減小。這就是每個槳葉都有扭轉的原因。

螺旋槳效率以螺旋槳的輸出功率與輸入功率之比表示。輸出功率為螺旋槳的拉力與飛行速度的乘積。輸入功率為發動機帶動螺旋槳旋轉的功率。在飛機起飛滑跑前，由於前進速度為零，所以螺旋槳效率也是零，發動機的功率全部用於增加空氣的動能。隨著前進速度的增加，螺旋槳效率不斷增大，速度在200～700公里/時範圍內效率較高,飛行速度再增大，由於壓縮效應槳尖出現波阻，效率急劇下降。螺旋槳在飛行中的最高效率可達85%～90%。螺旋槳的直徑比噴氣發動機的大得多，作為推進介質的空氣流量較大，在發動機功率相同時，螺旋槳後面的空氣速度低,產生的推力較大，這對起飛（需要大推力）非常有利。

構造特點

螺旋槳有2、3或4個槳葉,一般槳葉數目越多吸收功率越大。有時在大功率渦輪螺旋槳飛機上還採用一種套軸式螺旋槳，它實際上是兩個反向旋轉的螺旋槳，可以抵消反作用扭矩。在發動機功率低於100千瓦的輕型飛機上，常用雙葉木製螺旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊修成扭轉的槳葉，中間開孔與發動機軸相連線。螺旋槳要承受高速旋轉時槳葉自身的離心慣性力和氣動載荷。大功率螺旋槳在槳葉根部受到的離心力可達200千牛(20噸力)。此外還有發動機和氣動力引起的振動。大功率發動機一般採用3葉和4葉螺旋槳，並多用鋁合金和鋼來製造槳葉。鋁和鋼製槳葉因材料堅固可以做得薄一些，有利於提高螺旋槳在高速時的效率。70年代以後還用複合材料製造槳葉以減輕重量。

自轉

當發動機空中停車後，螺旋槳會象風車一樣繼續沿著原來的方向旋轉，這種現象，叫螺旋槳自轉。螺旋槳自轉，不是發動機帶動的，而是被槳葉的迎面氣流“推著”轉的。它不但不能產生拉力，反而增加了飛機的阻力。螺旋槳發生自轉時，由於形成了較大的負迎角。槳葉的總空氣動力方向及作用發生了質的變化。它的一個分力(Q)與切向速度(U)的方向相同，成為推動槳葉自動旋轉的動力，迫使槳葉沿原來方向續繼旋轉：另一個分力(-P)與速度方向相反，對飛行起著阻力作用。一些超輕型飛機的發動機空中停車後由於飛行速度較小，產生自旋力矩不能克服螺旋槳的阻旋力矩時螺旋槳不會出現自轉。此時，槳葉阻力較大，飛機的升阻比(或稱滑翔比)將大大降低。

分類

螺旋槳分為定（槳）距和變距螺旋槳兩大類。

①定距螺旋槳

木製螺旋槳一般都是定距的。它的槳距（或槳葉安裝角）是固定的。適合低速的槳葉安裝角在高速飛行時就顯得過小；同樣，適合高速飛行的安裝角在低速時又嫌大。所以定距螺旋槳只在選定的速度範圍內效率較高，在其他狀態下效率較低。定距螺旋槳構造簡單，重量輕，在功率很小的輕型飛機和超輕型飛機上得到廣泛套用。

②變距螺旋槳

為了解決定距螺旋槳高、低速性能的矛盾，遂出現了飛行中可變槳距的螺旋槳。螺旋槳變距機構由液壓或電力驅動。最初使用的是雙距螺旋槳。高速時用高距，低速（如起飛、爬升狀態）時用低距，以後又逐步增加槳距的數目，以適應更多的飛行狀態。最完善的變距螺旋槳是帶有轉速調節器的恆速螺旋槳。轉速調節器實際上是一個能自動調節槳距、保持恆定轉速的裝置。駕駛員可以通過控制調節器和油門的方法改變發動機和螺旋槳的轉速，一方面調節螺旋槳的拉力，同時使螺旋槳處於最佳工作狀態。在多發動機飛機上，當一台發動機發生故障停車時，螺旋槳在迎面氣流作用下像風車一樣轉動,一方面增加飛行阻力，造成很大的不平衡力矩，另外也可能進一步損壞發動機。為此變距螺旋槳還可自動順槳，即槳葉轉到基本順氣流方向而使螺旋槳靜止不動，以減小阻力。變距螺旋槳還能減小槳距，產生負拉力，以增加阻力，縮短著陸滑跑距離。這個狀態稱為反槳。

為了提高亞音速民用機的經濟性和降低飛機的油耗，70年代後期美國開始研究一種多槳葉螺旋槳，稱為風扇螺旋槳。它有8～10片彎刀狀槳葉，葉片薄，直徑小。彎刀形狀能起相當於後掠翼（見後掠翼飛機）的作用，薄葉片有利於提高螺旋槳的轉速。它適用於更高的飛行馬赫數(M=0.8)。由於葉片較多,螺旋槳單位推進面積吸收的功率可提高到300千瓦/平米(一般螺旋槳為80～120千瓦/平米)。

拉力變化

隨轉速的變化

在飛行速度不變的情況下，轉速增加，則切向速度(U)增大，進距比減小槳葉迎角增大，螺旋槳拉力係數增大又由於拉力與轉速平方成正比，所以增大油門時，可增大拉力。

隨速度的變化

在轉速不變的情況下，飛行速度增大，進距比加大，槳葉迎角減小，螺旋槳拉力係數減小。，拉力隨之降低。當飛行速度等於零時，切向速度就是合速度，槳葉迎角等於槳葉角。飛機在地面試車時，飛行速度(V)等於零，槳葉迎角最大，一些剖面由於迎角過大超過失速迎角氣動性能變壞，因而螺旋槳產生的拉力不一定最大。

拉力曲線

根據螺旋槳拉力隨飛行速度增大而減小的規律，可繪出螺旋槳可用拉力曲線。

有效功率

螺旋槳產生拉力，拉著飛機前進，對飛機作功。螺旋槳單位時間所作功，即為螺旋槳的有效功率。

綜合情況

在飛行中，加大油門後固定。螺旋槳的拉力隨轉速和飛行速度的變化過程如下：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。飛行速度增加，由於飛行速度增大，致使槳葉迎角又開始逐漸減小，拉力也隨之逐漸降低，飛機阻力逐漸增大，從而速度的增加趨勢也逐漸減慢。當拉力降低到一定程度(即拉力等於阻力)後，飛機的速度則不再增加。此時，飛行速度、轉速、槳葉迎角及螺旋槳拉力都不變，飛機即保持在一個新的速度上飛行。

螺旋槳飛機

螺旋槳飛機的結構比較複雜。為了降低轉速和提高螺旋槳效率，絕大多數發動機裝有減速器。這類飛機的發動機裝有滑油散熱器。液冷活塞式發動機還裝有冷卻液散熱器。槳轂和發動機均有流線型外罩，以減小阻力。機身前部的發動機和螺旋槳往往影響飛行員的視線，個別飛機將發動機安排在座艙下方，用一長軸與機頭的螺旋槳相連，如美國的P-39戰鬥機。有的飛機將座艙偏置在機翼一側來改進前方視線，成為特殊的不對稱飛機，如德國的BV-141飛機。頭部裝有機槍的拉進式戰鬥機需要採用協調機構，以保證子彈從旋轉著的螺旋槳槳葉中間發射出去。有的飛機將機炮炮管裝在螺旋槳軸內，炮彈由槳軸內的炮管射出。螺旋槳旋轉時產生一個反作用扭矩，大功率發動機的飛機常用較大的垂直尾翼或偏置垂直尾翼產生的力矩來加以平衡，也可以採用反向旋轉的同軸螺旋槳來抵消反作用扭矩，如蘇聯的安22飛機。

現代的螺旋槳飛機多採用槳葉角可調的變距螺旋槳，這種螺旋槳可根據飛行需要調整槳葉角，提高螺旋槳的工作效率。由於螺旋槳在旋轉時，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處於最佳氣動力狀態，所以把槳根的槳葉角設計成最大，依次遞減，槳尖的槳葉角最小工作狀態的槳葉是一根懸壁梁受力態勢，為了增加槳根的強度，槳根的截面積設計為最大。

一架飛機上槳葉數目根據發動機的功率而定，有2葉、3葉和4葉的，也有5葉、6葉的。裝于飛機頭部的螺旋槳為拉力式螺旋槳，裝于飛機後部的螺旋槳為推力式螺旋槳，還有既裝有拉力式螺旋槳又裝有推力式螺旋槳的飛機。