水下航行体螺旋桨推进器设计探讨

张承科

（中国船舶集团公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

摘  要：介绍了对转螺旋桨的特点，说明了水下航行器对转螺旋桨的基本要求。探讨了螺旋桨几何特性与水动力性能，分析了螺旋桨的工作原理。

关键词：水下航行器；推进器；螺旋桨；设计探讨

1对转螺旋桨概述

1．1 对转螺旋桨特点

对转螺旋桨是指一对分别装在具有同一轴心的外轴和内轴上的正反转推进装置。近半个世纪以来，对转螺旋桨这种推进方式在水下航行器推进中得到了广泛应用。同时，随着大型油轮以及大功率军用、民用船舶的出现，对转螺旋桨的应用已经冲出了水下航行器的局限范围，走进了大型船舶舰艇的推进领域。可是由于对转螺旋桨的复杂轴系、密封技术以及经济成本过高等一系列问题，使得对转螺旋桨尚未能广泛地应用于一般船舶的推进，目前，世界上只有极少数的几条油轮、集装箱船和潜艇、驱逐舰使用了对转螺旋桨推进形式。水下航行器上之所以采用对转螺旋桨，主要是因为与单浆相比，对转螺旋桨有如下的优缺点：

（1）对转螺旋桨使螺旋桨工作时所产生的反力矩得到相互抵消，从而大大减小了横滚现象。水下航行器的重心距纵轴很近（在其下几厘米处），其横向稳定度很小，因而在不平衡力矩的作用下，将会产生横滚。横滚现象的出现将导致航向偏差。

（2）对转螺旋桨的前浆和后浆在运动过程中会产生相互干扰，前、后桨相互干扰的结果改变了整个伴流场，即改变了前、后桨的伴流分布和推力减额分数；另一个方面，由于后桨回收了一部分前桨的旋转能量损耗，因此提高了效率。对转螺旋桨比普通螺旋桨可以提高8％～15％的效率。

（3）因为对转螺旋桨总的桨叶面积增大，所以在吸收同样功率的情况下，其负荷较单桨为低，有利于避免空泡的发生。

（4）在一定负荷下，对转螺旋桨的双桨大约减小15％的直径。

（5）对转螺旋桨与单桨相比其缺点是结构复杂，制造和检修费用较高。

1.2 对水下航行器对转螺旋桨的基本要求

（1）在满足功率的要求下，应保持最大的推进效率；（2）叶片具有足够的强度；（3）结构工艺性好；（4）噪音及振动要小；（5）提高螺旋桨的无空泡转速。

水下航行器对转螺旋桨的设计必须针对上述要求来进行。从当前螺旋桨的理论与设计方法的发展来看，单桨的设计方法和性能预报已相当先进，相比之下，对转螺旋桨的设计方法和性能预报还有相当大的差距，所以研究对转螺旋桨的性能与设计有重大的现实意义。

2螺旋桨几何特性与水动力性能

2.1螺旋桨的几何特性

水下航行器螺旋桨位于水下航行器的尾部，由发动机带动以产生推力，利用该推力克服水下航行器运动时的阻力，使水下航行器以既定的速度航行。为了提高水下航行器的速度，不仅要求水下航行器具有阻力最小的外形，还须要配置效率较高的螺旋桨，才能获得较好的推进效果。

    螺旋桨通过推进轴直接由发动机驱动，当螺旋桨旋转时，将水流推向水下航行器后方。根据作用与反作用原理，水便对螺旋桨产生反作用力，该反作用力即称为螺旋桨的推力。

    我们研究螺旋桨的几何特征时，首先要对螺旋面有所了解。设有一水平线AB（图1），匀速地绕轴线EE旋转，同时又以均匀速度向上移动，则线AB上每一个点就形成一条螺旋线，由这些螺旋线所组成的面叫做螺旋面。线段AB称为螺旋面的母线，它可以是直线或曲线。

图1  螺旋面的形成

展开了的螺旋线与圆柱体底线间的角度称为螺旋角，以表示，其值可按下式求得

                             （1）

式中H为螺距。

    当母线的圆周运动和直线运动均为匀速运动时，所得到的螺旋面称为等螺距螺旋面。其螺旋线的展开图形如图1所示，不同半径处具有相同的螺距。

螺旋面也可以由不同螺距的螺旋线组成。例如母线AB以均匀的速度绕EE轴线旋转。也以均匀速度直线上升，只是在不同的半径上具有不同的上升速度，则得到径向变螺距螺旋面，不同的半径处螺距是不同的，其螺旋线的展开图如图2（a）所示。假若母线的旋转运动和前进运动不是均匀的，或者其中任一种运动不是均匀的，则得到轴向变螺距螺旋面，其螺旋线的展开图如图2（b）所示。

图2 螺旋线展开图

    螺旋桨叶片的推力面就是螺旋面的一部分．一般推力面为等螺距螺旋面的一部分，若推力面是变螺距螺旋面的一部分，则这种螺旋桨称为变螺距螺旋桨。在桨叶的不同半径处，其螺距是不同的。 

螺旋桨的结构参数如图3所示。螺旋桨与推进轴联接的部分称为桨毂，以一定的角度联接于轮毂上。水下航行器的桨叶一般为2-7片。叶片数主要决定于螺旋桨推力的大小。桨叶与轮毂的联接处称为叶根。桨叶的自由端称为叶梢。当螺旋桨开始工作时，叶片首先拨动水的一边称为导边，而水流从叶片脱离的一边称为随边。叶片迎水的一面称为吸力面，叶片的另一面称为推力面。

图3 螺旋桨

    水下航行器螺旋桨的桨叶剖面一般是弓形的。所谓桨叶剖面就是指用与螺旋桨共轴的圆柱面同桨叶相剖后所得到的截面，经展开后得到的形状。桨叶剖面形状确定于流体动力特性和桨叶的强度，由于桨叶承受流体动力的作用。故它必须具有足够的厚度以保证其强度。

    早期水下航行器曾使用过单螺旋桨，而目前的水下航行器一般都是采用对转螺旋桨。当螺旋桨工作时，两个螺旋桨的反作用力矩能获得较好的平衡．以便减小水下航行器的横滚。对于高速水下航行器，在螺旋桨直径受到其它条件限制的情况下，为了获得足够的推力，就必须采用双螺旋桨。

2．2螺旋桨的工作原理

螺旋桨的桨叶截面犹如一个机翼的断面，为了阐明螺旋桨产生推力的原因，我们首先来分析流体对机翼的绕流情况。 

设将一块上凸下平的机翼放于流体中，其流线情况如图4（a）所示。在机翼附近处流线发生弯曲，在远离机翼上下一定的距离之外，流线又恢复平直。不难理解，翼面上方的流体速度大于翼面下方的流体速度。现在再分析机翼下部所受的流体压力，设其下部与流体的流速平行（相当于无攻角情况），这时流经机翼下部的流速与截面a一a的流速大致相同，因此机翼下部的流体静力亦大致与截面a一a处的静压力相同。由于机翼上部的压力小于机翼下部的压力，所以机翼上下就形成压力差，该压力差连同流体流经机翼时产生的摩擦力合成一总的流体动力R。可将R分成两个分力：一个分力X（平行于流体流动方向），阻止机翼的前进运动，该力称为阻力；另一个分力Y垂直流体的流动方向，称为升力。

图4 作用于叶片上的流体动力

    若机翼的前缘略为向上仰起（图4（b）），即机翼与流动方向形成一个不大的攻角。则机翼的绕流情况将发生变化，从而使作用于机翼上的流体动力增加。由图8-4（b）可以看出、截面a-b仍然大于截面a’一b’，所以机翼上部的压力小于。而截面b一c则小于截面b’’-c’，所以机翼下部的压力就大于，显然，机翼上下的压力差较之无攻角时的还要大，换句话说；随着攻角的增加．作用在机翼上的流体动力也愈大。

    我们进一步分析影响升力的各种因素。由伯努利方程式可知，流体速度愈大，机翼上下的压力差愈大，因而升力也愈大。实验证明，升力与速度的平方成正比。升力产生的主要原因是由于机翼上下存在着压力差，压力差作用的面积愈大，所产生的升力愈大。因此升力还与机翼面积成正比。       

    对于阻力X有着和升力Y相同的结论。

    综合以上所述，可将升力和阻力分别用下式表示：

                           （2）

                           （3）

式中  ——相对机翼的流体速度；F ——机翼的投影面积；——流体的密度；——升力系数； ——阻力系数。和是翼型和攻角的函数。

    对机冀产生升力的原因作了分析之后，就可以进一步研究螺旋桨产生推力的原因。可以把桨叶看作是处于攻角为、速度为的水流中机翼的一部分，作用于这部分机翼上的升力就形成了螺旋桨的推力。

    当研究螺旋桨的绕流情况时，还应指出，螺旋桨工作时，水流不但获得了轴向诱导速度，而且沿螺旋桨的旋转方向也获得了切向诱导速度。

切向诱导速度只是水流通过螺旋桨盘面时才开始形成的，它是由流体流经螺旋桨时因扭转而产生的。设螺旋桨后面远处的切向诱导速度为，由于经过螺旋桨之后的流体不再受到外力的作用，因而将保持不变。通过理论可以证明在盘面处的切向诱导速度为

                          （4）

现在．我们可以作出桨叶任意半径处叶片的流体速度多角形（图5）．其中包括轴向诱导速度和切向诱导速度。从图中可以看出作用在叶片上的相对流速是未扰动的水流速度、切向速度以及诱导速度和等合成的结果。该合成速度以一定的攻角作用于叶片上．叶片剖面犹如一个机翼剖面，根据机翼产生升力的同样道理，在叶片上同样产生流体动力的作用。

图5 叶片上的作用力及速度多边形

    设作用于半径为r、宽度为b、长度为dr叶片上的升力和阻力分别为dY和dX，则根据机翼理论可表示如下：   

                     （5）

                      （6）

    升力系数和阻力系数可以通过实验确定。升力dY与流速相垂直，阻力dX与的方向相反。

    流体动力沿螺旋桨轴线方向及切线方向的分力分别为

             （7）

             （8）

式中dP即为叶元所产生的推力，而dQ即为叶元的回转阻力。

如果巳知叶元力dP及dQ沿螺旋桨叶片长度上的分布规律，则由螺旋桨产生的总推力及回转阻力矩可分别由下列式子表示：

                           （9）

                           （10）

式中  z--螺旋桨的叶片数； R--螺旋桨的外半径； r--螺旋桨轮毂半径。

    螺旋桨的推力及回转力矩通常用无因次系数表示，应用无因次系数可以使螺旋桨的模型  实验结果运用于几何相似的任何螺旋桨。   

    对于既定几何形状的螺旋桨在给定流速的情况下，螺旋桨的推力及力矩正比于流体密度

、转数n（1/s）及直径D（m）。因此存在着下列关系式：

                        （11）

                      （12）

式中K1及K2分别称为无因次推力系数及力矩系数。推力的单位为N，而力矩的单位为，对上述公式的两边进行因次比较便可确定出上述两式中的指数，其结果为

x＝1，y＝2，z＝4，R＝1，S＝2，T＝5，

因此

                           （13）

                           （14）

系数K1及K2仅与螺旋桨的进程有关，所谓进程是指螺旋桨旋转一周实际前进的距离，即

                                 （15）

    取进程与螺旋桨直径之比，则得到螺旋桨的相对进程，它是一个无因次量，其值为

                            （16）

  螺旋桨的效率是螺旋桨产生的有效功与其所消耗的功之比，可以用无因次系数K1、K2及表示：

           （17）

式中为螺旋桨的旋转角速度。

图6表示出了K1、K2及与表的关系，这种曲线称为螺旋桨的作用曲线。该曲线表明了对于既定几何形状的螺旋桨，当其工作规范不同时，则对应的K1、K2及值也都不相同。

图6 螺旋桨作用曲线

当时，即螺旋桨原地旋转，由于这时螺旋桨的轴向速度，桨叶的攻角具有很大的值，故系数K1及K2达到最大值。随着的增大，则攻角逐渐减小，系数K1及K2亦随之减小。

2.3螺旋桨的空泡现象

由流体动力学可知，当水流绕经桨叶时，在吸力面上它的局部速度将大于未扰动的水流速度；在桨叶推力面上其绕流速度将小于未扰动的速度。根据伯努利方程式可以导出桨叶吸力面上的压力将小于末干扰时的水流压力，当螺旋桨的转速增加到某一定值时，桨叶的吸力面上的最大流速处的压力降到该处温度下的饱和蒸汽压力时，在吸力面上便会出现空泡。随着螺旋桨转速的继续提高，空泡区域会逐渐扩大到整个叶元吸力面，这就是螺旋桨的空化现象。

空化现象分为两个阶段：如果空泡已经出现，但还没有扩展到叶元的整个吸力面，则属于空化的第一阶段；当空泡已扩展到叶元的整个吸力面，并且越出其边界时，则属于空化的第二阶段。   

当产生第一阶段空化时，沿叶元的压力分布发生了变化（图7），但它对螺旋桨的作用曲线并不发生影响．这是因为空化产生后在吸力面上沿叶元的长度方向压力分布发生了变化，压力分布面积的减小（面积abc）能为这种压力的重新分布所增加的部分（面积cde）所补偿。因此第一阶段的空化对螺旋桨的推力、力矩和效率均不会产生影响。

图7 叶元压力分布曲线

    当空泡区域扩大，形成空化第二阶段时，就会引起螺旋桨的作用曲线发生变化，因为在第二阶段空化时，叶元吸力面上的压力将保持为饱和蒸汽压力，但其推力面上的压力将总是随着绕流速度的增加而降低。因此在第二阶段空化时，压力分布曲线所包围的面积以及叶元的升力系数将随绕流速度的增加而下降。所以推力系数K1、力矩系数K2及效率亦相应下降。

    第一阶段空化虽然不影响水下航行器的工作性能，但在其它方面却带来不良的影响。我们已经知道，工作在斜流中的螺旋桨，流体流经盘面的速度场是不均匀的。螺旋桨转一周在不同位置时水的绕流速度及攻角是变化的，当螺旋桨转到速度低的攻角区域时，吸力面上的压力就增大了，空泡就会收缩，空泡中的部分水蒸气分子便会凝结，因而周围的水向空泡集中，冲击桨叶，螺旋桨表面遭破坏，这种现象称为剥蚀。另一方面，由于空泡周期性地扩张和收缩，所形成的气泡振动导致噪音的产生，这种噪音对水下航行器的自导装置将产生不良的影响。

应当指出，水下航行器螺旋桨的工作时间很短，空化对其剥蚀作用不大。我们必须对空化的第二阶段予以注意，在设计螺旋桨时，掌握发生第二阶段空化时的转数是很需要的，这个转数我们称为临界转数。如果螺旋桨的转数高于此临界转数，则螺旋桨不可能产生所需要的推力，以保证水下航行器的航行速度。

螺旋桨空化的临界转数可确定如下：设所研究的叶元在水下深度h以速度运动．对叶元流过的流线运用伯努利方程式即可写出

                    （18）

式中及分别为在叶元前未受干扰处水流的压力和速度，及分别为叶元吸力面上流体的压力和速度。

    上式可改写成

                  （19）

令，并称它为减压系数，由上式得

                          （20）

当空化的第二阶段开始时，吸力面上的压力等于饱和蒸汽压力，绕流速度则等于临界绕流速度，在上述公式的基础上得到

             （21）

式中为大气压力；为水的比重。由于（）一般比大得很多，故上式可简化为

                        （22）

绕流速度与螺旋桨的转速之间的关系如下：

                            （23）

将上述关系代入式（22），则得临界转数

                     （24）

螺旋桨的临界转数一般是以叶片重心处整个叶元进入第二阶段空泡为其标志。为了确定值，须要知道的值要根据经验公式加以确定，在此不拟详述。

一般螺旋桨的转数时，在吸力面上不发生空泡，当时，在吸力面上局部地方将产生空泡，当时空泡则扩展到整个吸力面。

空泡的形成受到多种因素的影响。这些因素是绕流速度、攻角、螺旋桨的相对厚度b、桨叶数以及螺旋桨工作深度等。随着、及b值增加，都会促使空泡过早的产生。增加叶数和螺旋桨工作深度，有利于避免空泡的形成。因为桨叶增加以后，各叶片上的负荷就会减少，吸力面上的压降程度减小，从而可以提高产生空泡的临界转数。增加螺旋桨的工作深度，使得螺旋桨处的流体静压力增加，故可防止空泡过早地出现。

3结束语

对转螺旋桨仍然是现代水下航行器的主要推进形式，其自身也在不断发展和完善中，因此尚有旺盛的生命力。泵喷射推进器适用于高速反潜水下航行器，其中多数为热动力水下航行器。目前，在理论和实践上还有大量工作要做。导管对转螺旋桨是现代新型水下航行器更为理想的推进装置。今后相当长的一段时间内，对转螺旋桨、导管对转螺旋桨、泵喷射推进器等，都将继续得到应用和发展，并使其特有的优越性得到充分的发挥。超导电磁流推进器可能成为未来水下航行器的主要推进形式。在水下航行器突破速障后，必然还将出现相应的推进形式。