螺旋槳（旋轉后產(chǎn)生反推力的動(dòng)力機械）
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螺旋槳是指靠槳葉在空氣或水中旋轉，將發(fā)動(dòng)機轉動(dòng)功率轉化為推進(jìn)力的裝置，可有兩個(gè)或較多的葉與轂相連，葉的向后一面為螺旋面或近似于螺旋面的一種推進(jìn)器。螺旋槳分為很多種，應用也十分廣泛，如飛機、輪船的推進(jìn)器等。
基本信息
| 中文名 | 螺旋槳 |
| 外文名 | propeller |
| 原理 | 旋轉后產(chǎn)生反推力 |
| 所屬 | |
| 始祖 |
歷史起源
2．古代的風(fēng)車(chē)，隨風(fēng)轉動(dòng)可以輸出扭矩，反之，在水中，輸入扭矩轉動(dòng)風(fēng)車(chē)，水中風(fēng)車(chē)就有可能推動(dòng)船運動(dòng)。
偉大的英國科學(xué)家虎克在1683年成功地采用了風(fēng)力測速計的原理來(lái)計量水流量，于此同時(shí)，他提出了新的推進(jìn)器——推進(jìn)船舶，為船舶推進(jìn)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盡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(guò)大(<0.7音速)，否則可能出現激波，導致效率降低。
實(shí)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(shí)度增加拉力系數和功率系數增大。
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
直徑處槳葉角值為該槳槳葉角的名稱(chēng)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(shí)，槳葉旋轉一周所前進(jìn)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。習慣上以直徑處的幾何螺矩做名稱(chēng)值。國外可按照直徑和螺距訂購螺旋槳。如
，表示該槳直徑為60英寸，幾何螺矩為34英寸。
實(shí)際螺距(Hg)
槳葉旋轉一周飛機所前進(jìn)的距離。可用
計算螺旋槳的實(shí)際螺矩值。可按
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(shí)必須考慮空氣流過(guò)螺旋槳時(shí)速度增加，流過(guò)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(jìn)的距離一理論螺矩將大于實(shí)際螺矩。
船用槳
發(fā)展
1
752年，瑞士物理學(xué)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(jìn)器優(yōu)越的報告，他設計了具有雙導程螺旋的推進(jìn)器，安裝在船尾舵的前方。1764年，瑞士數學(xué)家歐拉研究了能代替帆的其它推進(jìn)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(dòng)，傳統的槳、帆無(wú)法應用，笨重龐大的明輪也難適應。于是第一個(gè)手動(dòng)螺旋槳，然而并不是用在船上，而是作為潛水器的推進(jìn)工具。
蒸汽機問(wèn)世，為船舶推進(jìn)器提供了新的良好動(dòng)力，螺旋槳順應蒸汽機的發(fā)展，成為船舶推進(jìn)的最新課題。
第一個(gè)實(shí)驗動(dòng)力驅動(dòng)螺旋槳的是美國人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘7.6米長(cháng)的小船，用蒸汽機直接驅動(dòng)，在哈得遜河上做第一次實(shí)驗航行，實(shí)驗中發(fā)現發(fā)動(dòng)機不行，于是換上瓦特蒸汽機，實(shí)驗航速是4節，最高航速曾達到8節。
斯蒂芬螺旋槳有4個(gè)風(fēng)車(chē)式槳葉，鍛制而成，和普通風(fēng)車(chē)比較它增加了葉片的徑向寬度，為在實(shí)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(gè)星期的試驗航行中，螺旋槳改變了幾個(gè)螺距值，但是實(shí)驗的結果都不理想，性能遠不及明輪。這次實(shí)驗使他明白，在蒸汽機這樣低速的條件下，明輪的優(yōu)越性得到了充分發(fā)揮，它的推進(jìn)效率高于螺旋槳是必然的結論。
阿基米德螺旋的引入，最早見(jiàn)于1803年，1829年有英國的阿基米德螺旋槳的專(zhuān)利。并在此基礎上于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，隨后由斯密士設計了20艘螺旋槳艦，參加了對俄戰爭，斯密士成為著(zhù)名人物。
螺旋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(cháng)愛(ài)列松設計，在愛(ài)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。
隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，螺旋槳的上述缺陷，一個(gè)一個(gè)地克服，以及蒸汽機轉速的提高，愈來(lái)愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年，“大東方”號裝有當時(shí)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(shí)，推進(jìn)器標準不再具有權威性，由于螺旋槳的推進(jìn)效率接近明輪，而且它卻具有許多明輪無(wú)法競爭的優(yōu)點(diǎn)，明輪逐步在海船上消失。
在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，
許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時(shí)候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規律和沒(méi)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(jīng)成為一枝獨秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經(jīng)驗。螺旋槳的進(jìn)步，只依靠專(zhuān)家們的直觀(guān)推理，已經(jīng)不能滿(mǎn)足船舶技術(shù)的發(fā)展需要，它有待科學(xué)家對其流體動(dòng)力特性做出完整的解釋?zhuān)@就促使螺旋槳理論的發(fā)展。
螺旋槳的理論研究，在船舶技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，它比任何一個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都做得多，從經(jīng)驗方法過(guò)渡到數字化設計，再進(jìn)而應用計算機技術(shù)進(jìn)行螺旋槳最佳化的設什。一個(gè)好的螺旋槳其設計是非常重要的，模型試驗也起著(zhù)主要的作用。
中國發(fā)展
由于我國自19世紀中葉淪為半殖民地，很少有貢獻。解放后，我國造船事業(yè)得到新發(fā)展，對螺旋槳技術(shù)也進(jìn)行了大量設計、研究工作，為各類(lèi)艦船配上了大量自己設計制造的螺旋槳。最值得驕做的是“關(guān)刀槳”的問(wèn)世，它是我國在螺旋槳技術(shù)發(fā)展中的一大創(chuàng )造。那是在60年代，廣州文沖船廠(chǎng)有一位師傅，名叫周挺，他根據自己幾十年制做螺旋槳的經(jīng)驗，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關(guān)公的82斤重大刀的式樣，他形象地叫它“關(guān)刀槳”（圖4）。
“關(guān)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(dòng)卻大大地減弱了。在當時(shí)的長(cháng)江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用，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(guān)刀槳”敞水試驗研究，同時(shí)還提供了設計圖譜。有趣的是，在世界著(zhù)名造船國家今天開(kāi)發(fā)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采用的大側斜螺旋槳，該槳直徑5.1米，軸功率15640干瓦，船航速為23.2節。圖7所示是最新化學(xué)品船上采用的大側斜螺旋槳，該槳直徑6.2米，軸功率10400千瓦，船航速16.7節。它們和“關(guān)刀槳”非常相似，其重要特征是振動(dòng)，噪聲小，這也是“關(guān)刀槳”所具有的特點(diǎn)。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(guān)刀槳”。
工作原理
可以把螺旋槳看成是一個(gè)一面旋轉一面前進(jìn)的機翼進(jìn)行討論。
流經(jīng)槳葉各剖面的氣流由沿旋轉軸方向的前進(jìn)速度和旋轉產(chǎn)生的切線(xiàn)速度合成。在螺旋槳半徑
和
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(xiàn)與旋轉平面夾角。顯而易見(jiàn)
。
空氣流過(guò)槳葉各小段時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)力，阻力ΔD和升力ΔL，合成后總空氣動(dòng)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(dòng)。將整個(gè)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(dòng)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(shí)。軸向速度不隨半徑變化，而切線(xiàn)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(shuō)螺旋槳是一個(gè)扭轉了的機翼更為確切。
氣流角實(shí)際上反映前進(jìn)速度和切線(xiàn)速度的比值。對某個(gè)螺旋槳的某個(gè)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(jìn)矩比“J”反映槳尖處氣流角，
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：
式中：
-拉力系數；
-功率系數；ρ-空氣密度；n-螺旋槳轉速；D-螺旋槳直徑。其中和取決于螺旋槳的幾何參數，對每個(gè)螺旋槳其值隨J變化。特性曲線(xiàn)給出該螺旋槳拉力系數、功率系數和效率隨前進(jìn)比變化關(guān)系。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(fā)動(dòng)機轉動(dòng)功率轉化為推進(jìn)力或升力的裝置，簡(jiǎn)稱(chēng)螺旋槳。它由多個(gè)槳葉和中央的槳轂組成，槳葉好像一扭轉的細長(cháng)機翼安裝在槳轂上，發(fā)動(dòng)機軸與槳轂相連接并帶動(dòng)它旋轉。噴氣發(fā)動(dòng)機出現以前，所有帶動(dòng)力的航空器無(wú)不以螺旋槳作為產(chǎn)生推動(dòng)力的裝置。螺旋槳仍用于裝活塞式和渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)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(shí)，槳葉不斷把大量空氣（推進(jìn)介質(zhì)）向后推去，在槳葉上產(chǎn)生一向前的力，即推進(jìn)力。一般情況下，螺旋槳除旋轉外還有前進(jìn)速度。如截取一小段槳葉來(lái)看，恰像一小段機翼，其相對氣流速度由前進(jìn)速度和旋轉速度合成。槳葉上的氣動(dòng)力在前進(jìn)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(fā)動(dòng)機的力矩來(lái)平衡。槳葉剖面弦(相當于翼弦)與旋轉平面夾角稱(chēng)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(jìn)的距離稱(chēng)為槳距。實(shí)際上槳葉上每一剖面的前進(jìn)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(zhù)離轉軸的距離增大而逐步減小，為了使槳葉每個(gè)剖面與相對氣流都保持在有利的迎角范圍內，各剖面的安裝角也隨著(zhù)與轉軸的距離增大而減小。這就是每個(gè)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(fā)動(dòng)機帶動(dòng)螺旋槳旋轉的功率。在飛機起飛滑跑前，由于前進(jìn)速度為零，所以螺旋槳效率也是零，發(fā)動(dòng)機的功率全部用于增加空氣的動(dòng)能。隨著(zhù)前進(jìn)速度的增加，螺旋槳效率不斷增大，速度在
公里/時(shí)范圍內效率較高，飛行速度再增大，由于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
。螺旋槳的直徑比噴氣發(fā)動(dòng)機的大得多，作為推進(jìn)介質(zhì)的空氣流量較大，在發(fā)動(dòng)機功率相同時(shí)，螺旋槳后面的空氣速度低，產(chǎn)生的推力較大，這對起飛（需要大推力）非常有利。
構造特點(diǎn)
螺旋槳有2、3或4個(gè)槳葉，一般槳葉數目越多吸收功率越大。有時(shí)在大功率渦輪螺旋槳飛機上還采用一種套軸式螺旋槳，它實(shí)際上是兩個(gè)反向旋轉的螺旋槳，可以抵消反作用扭矩。在發(fā)動(dòng)機功率低于100千瓦的輕型飛機上，常用雙葉木制螺旋槳。它是用一根拼接的木材兩邊修成扭轉的槳葉，中間開(kāi)孔與發(fā)動(dòng)機軸相連接。螺旋槳要承受高速旋轉時(shí)槳葉自身的離心慣性力和氣動(dòng)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(fā)動(dòng)機和氣動(dòng)力引起的振動(dòng)。大功率發(fā)動(dòng)機一般采用3葉和4葉螺旋槳，并多用鋁合金和鋼來(lái)制造槳葉。鋁和鋼制槳葉因材料堅固可以做得薄一些，有利于提高螺旋槳在高速時(shí)的效率。70年代以后還用復合材料制造槳葉以減輕重量。
自轉
當發(fā)動(dòng)機空中停車(chē)后，螺旋槳會(huì )象風(fēng)車(chē)一樣繼續沿著(zhù)原來(lái)的方向旋轉，這種現象，叫螺旋槳自轉。螺旋槳自轉，不是發(fā)動(dòng)機帶動(dòng)的，而是被槳葉的迎面氣流“推著(zhù)”轉的。它不但不能產(chǎn)生拉力，反而增加了飛機的阻力。螺旋槳發(fā)生自轉時(shí)，由于形成了較大的負迎角。槳葉的總空氣動(dòng)力方向及作用發(fā)生了質(zhì)的變化。它的一個(gè)分力(Q)與切向速度(U)的方向相同，成為推動(dòng)槳葉自動(dòng)旋轉的動(dòng)力，迫使槳葉沿原來(lái)方向續繼旋轉：另一個(gè)分力(-P)與速度方向相反，對飛行起著(zhù)阻力作用。一些超輕型飛機的發(fā)動(dòng)機空中停車(chē)后由于飛行速度較小，產(chǎn)生自旋力矩不能克服螺旋槳的阻旋力矩時(shí)螺旋槳不會(huì )出現自轉。此時(shí)，槳葉阻力較大，飛機的升阻比(或稱(chēng)滑翔比)將大大降低。
分類(lèi)
木制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(shí)就顯得過(guò)小；同樣，適合高速飛行的安裝角在低速時(shí)又嫌大。所以定距螺旋槳只在選定的速度范圍內效率較高，在其他狀態(tài)下效率較低。定距螺旋槳構造簡(jiǎn)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應用。
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(dòng)。最初使用的是雙距螺旋槳。高速時(shí)用高距，低速（如起飛、爬升狀態(tài)）時(shí)用低距，以后又逐步增加槳距的數目，以適應更多的飛行狀態(tài)。最完善的變距螺旋槳是帶有轉速調節器的恒速螺旋槳。轉速調節器實(shí)際上是一個(gè)能自動(dòng)調節槳距、保持恒定轉速的裝置。駕駛員可以通過(guò)控制調節器和油門(mén)的方法改變發(fā)動(dòng)機和螺旋槳的轉速，一方面調節螺旋槳的拉力，同時(shí)使螺旋槳處于最佳工作狀態(tài)。在多發(fā)動(dòng)機飛機上，當一臺發(fā)動(dòng)機發(fā)生故障停車(chē)時(shí)，螺旋槳在迎面氣流作用下像風(fēng)車(chē)一樣轉動(dòng)，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(jìn)一步損壞發(fā)動(dòng)機。為此變距螺旋槳還可自動(dòng)順槳，
即槳葉轉到基本順氣流方向而使螺旋槳靜止不動(dòng)，以減小阻力。變距螺旋槳還能減小槳距，產(chǎn)生負拉力，以增加阻力，縮短著(zhù)陸滑跑距離。這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)為反槳。
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(jìn)距比減小槳葉迎角增大，螺旋槳拉力系數增大又由于拉力與轉速平方成正比，所以增大油門(mén)時(shí)，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(jìn)距比加大，槳葉迎角減小，螺旋槳拉力系數減小。，拉力隨之降低。當飛行速度等于零時(shí)，切向速度就是合速度，槳葉迎角等于槳葉角。飛機在地面試車(chē)時(shí)，飛行速度(V)等于零，槳葉迎角最大，一些剖面由于迎角過(guò)大超過(guò)失速迎角氣動(dòng)性能變壞，因而螺旋槳產(chǎn)生的拉力不一定最大。
拉力曲線(xiàn)
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(xiàn)。
有效功率
螺旋槳產(chǎn)生拉力，拉著(zhù)飛機前進(jìn)，對飛機作功。螺旋槳單位時(shí)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(mén)后固定。螺旋槳的拉力隨轉速和飛行速度的變化過(guò)程如下：由于發(fā)動(dòng)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，由于飛行速度增大，致使槳葉迎角又開(kāi)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(即拉力等于阻力)后，飛機的速度則不再增加。此時(shí)，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(gè)新的速度上飛行。
螺旋槳飛機
螺旋槳飛機的結構比較復雜。為了降低轉速和提高螺旋槳效率，絕大多數發(fā)動(dòng)機裝有減速器。這類(lèi)飛機的發(fā)動(dòng)機裝有滑油散熱器。液冷活塞式發(fā)動(dòng)機還裝有冷卻液散熱器。槳轂和發(fā)動(dòng)機均有流線(xiàn)型外罩，以減小阻力。機身前部的發(fā)動(dòng)機和螺旋槳往往影響飛行員的視線(xiàn)，個(gè)別飛機將發(fā)動(dòng)機安排在座艙下方，用一長(cháng)軸與機頭的螺旋槳相連，如美國的P-39戰斗機。有的飛機將座艙偏置在機翼一側來(lái)改進(jìn)前方視線(xiàn)，成為特殊的不對稱(chēng)飛機，如德國的BV-141飛機。頭部裝有機槍的拉進(jìn)式戰斗機需要采用協(xié)調機構，以保證子彈從旋轉著(zhù)的螺旋槳槳葉中間發(fā)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(shí)產(chǎn)生一個(gè)反作用扭矩，大功率發(fā)動(dòng)機的飛機常用較大的垂直尾翼或偏置垂直尾翼產(chǎn)生的力矩來(lái)加以平衡，也可以采用反向旋轉的同軸螺旋槳來(lái)抵消反作用扭矩，如蘇聯(lián)的安22飛機。
現代的螺旋槳飛機多采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。由于螺旋槳在旋轉時(shí)，槳根和槳尖的圓周速度不同，為了保持槳葉各部分都處于最佳氣動(dòng)力狀態(tài)，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(tài)的槳葉是一根懸壁梁受力態(tài)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(fā)動(dòng)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，裝于飛機后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。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
