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由船尾后面向前看时所见到的螺旋桨桨叶的一面称为叶面,另一面称为叶背。
桨叶与毂联接处称为叶根,桨叶的外端称为叶梢。
螺旋桨正车旋转时桨叶边缘在前面者称为导边,另一边称为随边。
螺旋桨旋转时(设无前后运动)叶梢的圆形轨迹称为梢圆。
梢圆的直径称为螺旋桨直径,以D表示。
梢圆的面积称为螺旋桨的盘面积,以A0表示:
A0=(2-1)
当螺旋桨正车旋转时,由船后向前看去所见到的旋转方向为顺时针者称为右旋桨。
反之,则为左旋桨。
装于船尾两侧之螺旋桨,在正车旋转时其上部向船的中线方向转动者称为内旋桨。
反之,则为外旋桨。
二、螺旋面及螺旋线
桨叶的叶面通常是螺旋面的一部分。
为了清楚地了解螺旋桨的几何特征,有必要讨论一下螺旋面的形成及其特点。
设线段ab与轴线oo1成固定角度,并使ab以等角速度绕轴oo1旋转的同时以等线速度沿oo1向上移动,则ab线在空间所描绘的曲面即为等螺距螺旋面,如图2-3所示。
线段ab称为母线,母线绕行一周在轴向前进的距离称为螺距,以P表示。
根据母线的形状及与轴线间夹角的变化可以得到不同形式的螺旋面。
若母线为一直线且垂直于轴线,则所形成的螺旋面为正螺旋面如图2-4(a)所示。
若母线为一直线但不垂直于轴线,则形成斜螺旋面,如图2-4(b)所示。
当母线为曲线时,则形成扭曲的螺旋面如图2-4(c)及图2-4(d)所示。
母线上任一固定点在运动过程中所形成的轨迹为一螺旋线。
任一共轴之圆柱面与螺旋面相交的交线也为螺旋线,图2-5(a)表示半径为R的圆柱面与螺旋面相交所得的螺旋线BB1B2。
如将此圆柱面展成平面,则此圆柱面即成一底长为2πR高为P的矩形,而螺旋线变为斜线(矩形的对角线),此斜线称为节线。
三角形B'
B"
B2"
称为螺距三角形,节线与底线间之夹角θ称为螺距角,如图2-5(b)所示。
由图可知,螺距角可由下式来确定:
tgθ=(2-2)
三、螺旋桨的几何特性
1.螺旋桨的面螺距
螺旋桨桨叶的叶面是螺旋面的一部分(图2-6(a)),故任何与螺旋桨共轴的圆柱面与叶面的交线为螺旋线的一段,如图2-6(b)中的B0C0段。
若将螺旋线段B0C0引长环绕轴线一周,则其两端之轴向距离等于此螺旋线的螺距P。
若螺旋桨的叶面为等螺距螺旋面之一部分,则P即称为螺旋桨的面螺距。
面螺距P与直径D之比P/D称为螺距比。
将圆柱面展成平面后即得螺距三角形如图2-6(c)所示。
设上述圆柱面的半径为r,则展开后螺距三角形的底边长为2πr,节线与底线之间的夹角θ为半径r处的螺距角,并可据下式来确定:
tgθ=(2-3)
螺旋桨某半径r处螺距角θ的大小,表示桨叶叶面在该处的倾斜程度。
不同半径处的螺距角是不等的,r愈小则螺距角θ愈大。
图2-7(a)表示三个不同半径的共轴圆柱面与等螺距螺旋桨桨叶相交的情形,其展开后的螺距三角形如图2-7(b)所示。
显然,r1<r2<r3而θ1>θ2>θ3。
若螺旋桨叶面各半径处的面螺距不等,则称为变螺距螺旋桨,其不同半径处螺旋线的展开如图2-8所示。
对此类螺旋桨常取半径为0.7R或0.75R(R为螺旋桨梢半径)处的面螺距代
表螺旋桨的螺距,为注明其计量方法,在简写时可记作P0.7R或P0.75R。
2.桨叶切面
与螺旋桨共轴的圆柱面和桨叶相截所得的截面称为桨叶的切面,简称叶切面或叶剖面,如图2-6(b)所示。
将圆柱面展为平面后则得如图2-6(c)所示的叶切面形状,其形状与机翼切面相仿。
所以表征机翼切面几何特性的方法,可以用于桨叶切面。
桨叶切面的形状通常为圆背式切面(弓形切面)或机翼形切面,特殊的也有梭形切面和月牙形切面,如图2-9所示。
一般说来,机翼形切面的叶型效率较高,但空泡性能较差,弓形切面则相反。
普通之弓形切面展开后叶面为一直线,叶背为一曲线,中部最厚两端颇尖。
机翼形切面在展开后无一定形状,叶面大致为一直线或曲线,叶背为曲线,导边钝而随边较尖,其最大厚度则近于导边,约在离导边25%~40%弦长处。
切面的弦长一般有内弦和外弦之分。
连接切面导边与随边的直线AB称内弦(图2-10),
图中所示线段BC称为外弦。
对于系列图谱螺旋桨来说,通常称外弦为弦线,而对于理论设
计的螺旋桨来说,则常以内弦(鼻尾线)为弦线,弦长及螺距也根据所取弦线来定义。
图2-10中所示的弦长b为系列螺旋桨之表示方法。
切面厚度以垂直于所取弦线方向与切面上、下面交点间的距离来表示。
其最大厚度t称
为叶厚,t与切面弦长b之比称为切面的相对厚度或叶厚比δ=。
切面的中线或平均线称为拱线或中线,拱线到内弦线的最大垂直距离称为切面的拱度,以fM表示。
fM与弦长b之比称
切面的拱度比f=fM/b(见图2-10)。
3.桨叶的外形轮廓和叶面积
桨叶的外形轮廓可以用螺旋桨的正视图和侧视图来表示。
从船后向船首所看到的为螺旋桨的正视图,从船侧看过去所看到的为侧视图。
图2-11所示为一普通螺旋桨图,图上注明了螺旋桨各部分的名称和术语。
为了正确表达正视图和侧视图之间的关系,取叶面中间的一根母线作为作图的参考线,称为桨叶参考线或叶面参考线,如图中直线OU。
若螺旋桨叶面是正螺旋面,则在侧视图上参
考线OU与轴线垂直。
若为斜螺旋面,则参考线与轴线的垂线成某一夹角ε,称为纵斜角。
参考线线段OU在轴线上的投影长度称为纵斜,用zR表示。
纵斜螺旋桨一般都是向后倾斜的,其目的在于增大桨叶与尾框架或船体间的间隙,以减小螺旋桨诱导的船体振动,但纵斜不宜过大(一般ε<15°
),否则螺旋桨在操作时因离心力而增加叶根处的弯曲应力,对桨叶强度不利。
桨叶在垂直于桨轴的平面上的投影称为正投影,其外形轮廓称为投射轮廓。
螺旋桨所有桨叶投射轮廓包含面积之总和称为螺旋桨投射面积,以AP表示。
投射面积AP与盘面积A0之比称为投射面比,即
投射面比=AP/A0
投射轮廓对称于参考线的称为对称叶形。
若其外形与参考线不相对称,则为不对称叶形。
不对称桨叶的叶梢与参考线间的距离xs称为侧斜,相应之角度θs为侧斜角。
桨叶的侧斜方向一般与螺旋桨的转向相反,合理选择桨叶的侧斜可明显减缓螺旋桨诱导的船体振动。
桨叶在平行于包含轴线和辐射参考线的平面上的投影称为侧投影。
图上除画出桨叶外形轮廓及参考线OU的位置外,还需作出最大厚度线。
最大厚度线与参考线OU之间的轴向距离t表示该半径处叶切面的最大厚度。
它仅表示不同半径处切面最大厚度沿径向的分布情况,并不表示最大厚度沿切面弦向的位置。
与桨毂相连处的切面最大厚度称叶根厚度(除去两边填角料)。
辐射参考线与最大厚度线的延长线在轴线上交点的距离t0与直径D之比值t0/D称为叶厚分数。
工艺上往往将叶梢处的桨叶厚度做薄呈圆弧状,为了求得叶梢厚度,需将桨叶最大厚度线延长至梢径,如图2-11(a)所示。
螺旋桨桨毂的形状一般为圆锥体,在侧投影上可以看到其各处的直径并不相等。
通常所说的桨毂直径(简称毂径)是指辐射参考线与桨毂表面相交处(略去叶根处的填角料)至轴线距离的两倍,并以d来表示(参阅图2-11(a))。
毂径d与螺旋桨直径D的比值d/D称为毂径比。
将各半径处共轴圆柱面与桨叶相截的各切面展成平面后,以其弦长置于相应半径的水平线上,并光顺联接端点所得之轮廓称为伸张轮廓,如图2-11(c)所示。
螺旋桨各叶伸张轮廓所包含的面积之总和称为伸张面积,以AE表示。
伸张面积AE与盘面积A0之比称为伸张面比,即
伸张面比=AE/A0
将桨叶叶面近似展放在平面上所得的轮廓称为展开轮廓,如图2-11(b)所示。
各桨叶展开轮廓所包含面积之总和称为展开面积,以AD表示。
展开面积AD与盘面积A0之比称为展开面比,即
展开面比=AD/A0
螺旋桨桨叶的展开面积和伸张面积极为接近,故均可称为叶面积,而伸张面比和展开面比均可称为盘面比或叶面比。
盘面比的大小实质上表示桨叶的宽窄程度,在相同的叶数下,盘面比愈大,桨叶愈宽。
此外,还可用桨叶的平均宽度bm来表示桨叶的宽窄程度,其值按下式求取:
bm=
式中,AE为螺旋桨伸张面积;
d为毂径;
Z为叶数。
或用平均宽度比来表示,即
==(2-4)
2-2螺旋桨制图
一、螺旋桨制图的内容和原理
出于今后螺旋桨制造需要,在经过螺旋桨的设计计算后,即需绘制螺旋桨的总图。
图2-12所示为某船的螺旋桨总图。
在总图上需画出桨叶的伸张轮廓、投射轮廓、展开轮廓(常可省略)及侧投影轮廓。
在伸张轮廓上画出若干半径处的切面形状(一般画八~九个切面),在侧投影图上画出桨叶的最大厚度线,桨叶的限界轮廓线(有时省略),并需注出桨毂的主要数据。
此外,在总图上尚需注明螺旋桨的主要尺度、各种比值及必要的说明。
至于螺旋桨的设计计算将在后续几章中予以详细介绍。
下面我们先简单介绍投影原理,进而讨论螺旋桨总图的绘制。
1.投影原理
图2-13(a)所示,是将一机翼形切面的螺旋桨水平放置且叶面向下的情形。
由图2-13可知,如果以半径为r的(与螺旋桨同轴的)圆柱面和桨叶相交,则得螺旋线
B0A0C0;
机翼叶面线H0A0J0在垂直于轴线之平面上的投影为圆弧。
如果把圆柱面剖开并展成平面(图2-13(b)),则得到螺旋线的实长(即伸张长度)BAC,而圆弧H1A1J1伸直成直线,且A1J1=,H1A1=。
在图2-13(b)的螺距三角形中,螺距角;
式中,P为螺距(m),r为切面所在的半径(m)。
必须指出,对于图2-13所示的机翼形切面来说,从正投影方向所见到的是切面最外边的两点J0和H0,从侧投影方向所见到的则是切面最外边的两点S0和H0,即图2-13(b)上的J、H和S、H对应的点。
因此在制图时应该根据J点和H点求正投影轮廓(或称投射轮廓),而
据S点和H点求侧投影轮廓。
在图2-13(b)中,标出了点与和与之间在正投影方向上的间距分别为a和b,点S与A和A与H之间在侧投影方向上的间距分别为α和β。
如
果桨叶的切面为弓形(即圆背式)时,则图2-13(b)应变为图2-14的情况,此时图2-13(b)中的S、J点相当于图2-14中的C点,图2-13(b)中的H点相当于图2-14中的B点。
因此,弓形切面是上述机翼形切面的一种特例,它比机翼形切面的作图更为简单,下面我们以机翼形切面桨叶为例说明作图方法,对于弓形切面则更容易,只要掌握上述特点就行了。
2.绘制注意事项
绘制总图的主要目的是给出螺旋桨的形状及各部结构,以便能按总图绘制施工详图供制造需要。
通常在设计计算过程中,已经决定了螺旋桨各半径处切面形状和桨叶的伸张轮廓。
例如对于AU型螺旋桨(请参阅第9章),根据我们设计螺旋桨的叶数、盘面比和直径,由表9-4和表9-5(或表9-6,或表9-7)即可知道螺旋桨各半径处的切面形状和桨叶的伸张轮廓。
在确定桨叶切面时尚需考虑下列两点:
(1)关于叶切面导边处圆弧的大小:
因为桨叶切面运转于非均匀的尾流场中,故端点的圆弧对螺旋桨性能,特别是空泡性能有较大的关系,近来的研究表明,
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