一种船动压差螺旋桨的制作方法

1.本实用新型属于船舶制造技术领域，涉及水面、水下螺旋桨推进器。


背景技术：

2.现有船舶螺旋桨翼型展开图，翼型的下表面平整，而上翼面向上弧，在零度仰角下，由流速差升力原理提供升力，上翼面流速快，静压下降，形成单面向上升力。另外，当下翼有仰角时，会出现流速减慢，静压升高，水流对翼面产生推力，方向向上。如果能够将上、下翼面的力叠加显现，桨叶翼型效率会得到提高。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种能够提高船舶推进效率的双面升力翼面，船用动压差螺旋桨，以解决上述问题。
4.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：
5.一种船用螺旋桨的截面展开图，包括上翼面和下翼面，所述上翼面和下翼面截线均由前缘至后缘为单调下降的曲线组成。
6.上翼面的主翼面为下降曲面，曲面为单调下降函数构成。即前缘至后缘，曲面在垂直方向的截线高度逐次下降，一般无拐点。
7.下翼面的主翼面为下降曲面，曲面为单调下降函数构成。即前缘至后缘，曲面在垂直方向的截线高度逐次下降，一般无拐点。
8.下翼面与上翼面在前缘相交的过渡面一般设置为外凸曲面。
9.下翼面与上翼面在后缘相交的过渡面一般设置为外凸曲面。
10.与现有技术相比，本实用新型实施例的优点在于：本实用新型结构简单，下翼面迎水面会对水流做功，流速减慢，静压强增高，翼面产生向上的推力；上翼面流速倒流，翼面不做功，静压强减小，翼面产生向上的拉力，从而构成上、下翼面升力一致向上，二者升力之和大于现有的单面翼型升力，再适当选择截线形状，可提高升阻比。
附图说明
11.图1是水平置放的管道图；
12.图2是片静止时的管道图；
13.图3是迎流面静压强计算示意图；
14.图4是背水面静压强计算示意图；
15.图5是水下翼截面示意图；
16.图6是左部分的水平对称图；
17.图7是水平长度延长两倍后的过渡图；
18.图8是新的翼面截图；
19.图9是螺旋桨叶上前缘a点示意图；
20.图10是桨叶a点速度三角形图。
具体实施方式
21.以下将结合图对实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型所保护的范围。
22.实施例
23.1.船动压差螺旋桨做功原理
24.先求出刚性体在流场中运动所做的功，再求得船水下升力翼表面静压强，得出船动压差水下翼，最后应用于船动压差螺旋桨。
25.2.刚性体在流场中运动所做的功
26.水平管道中置一刚性无厚平薄片，带动流体水平运动，出水管段中流体能量会被提高。让管道长度趋近于零，就相当于平薄片无管段的单独运动，二者做功相等。
27.管道流体学做功基本公式
28.设无旋的理想流场为一恒定流动、质量力中只有重力、沿元流 (流线)流动和不可压缩流体，运动微分方程沿流线的积分，加上有输入机械能，如水泵、风机等，得到总流伯努利方程为：
[0029][0030]
用于水流体，在我们所研究的水平假设下，位置项可以忽略不计，得：
[0031][0032]
公式中：z为某一基准面算起的高度；u为流速；p为静压强；g 为重力加速度；ρ为密度，下标1为初始断面，2为末断面，h
m
为单位重量流体通过流体机械获得的机械能，为外能，α为动能修正系数，式中已经取1。
[0033]
用ρg乘方程两边，令ρgh
m
＝h，h为输入的机械能，称外压，并整理后得：
[0034][0035]
(1)、(2)式中的参数为形心的参数值，对于圆形管道，管道中心线为形心。
[0036]
现在我们假设在静止流场中置一根有限长度的水平直管道(尺寸均设为研究对象范围内，与讨论对象相适应,下面的各种有牵涉到的具体尺寸均如此)，平行书面，管道半径r不大，管壁厚度为零，管的内外壁光滑，流体为水，流经时无阻力，管道中装有水流体机械输送动力机(如轴流水泵)，其他假设，请参考流体力学管道相关内容，无特殊说明，均以理想情况为准。
[0037]
设管道为静止，坐标轴固联在上面，且水平轴与管道中心线重合，a为出口端，b为进口端，c为动力机，水平置放的管道如图1 所示。
[0038]
当流场的水流体恒定流速为零，管道内水恒定流速u亦为零时，由(1)式，得外动力无做功，管道内的各处静压强与流场同一高度静压强相等。流场的静压、静压强，我们在下
面称背景静压、背景静压强p
背
。
[0039]
当流场的水流速为零时，而管道内的流速为u时，选进口管道 bc内任一处为截面1，与出口管道ac内任一处为截面2。1截面处有速度u，它是背景静压转变而来的，故静能比背景静能下降一倍动能； 2截面处有速度u，但要向出口处排出水，故静能要等于或大于背景静能，才能将水顺利排出，此时为恒速度，取等于。代入(1)式，得做功量：
[0040][0041][0042][0043][0044]
说明只要管内有速度大于零，外功总是存在。
[0045]
如果我们把流场想像为无穷大直径的管道，内置有限直径的短水平直管道，那么，图1小管与大管组成水回路，只要水经过外机械处c，就会得到能量提高。
[0046]
这样整个流场由三个部分组成：出口管道、大管道(背景流场)、进口管道。
[0047]
整个流场能量划分为二个区域，其中出口管道ac内能量为一个区，比其他区域能量高一倍动能。
[0048]
如果用公式(2)，则整个静压分三个区域，出口管段最高(速度可能转变成静压)、背景流场次之、进口管段最低。分别差值为一倍动压。
[0049]
无管道的刚性体所做的功
[0050]
如果我们用一无厚度、无重的刚性平薄片，半径为管道内半径，圆心与管道轴线相重合，可无摩擦地在管道内沿中心线，以速度u从右向左平动，带动管内水同速运动，代替外动力机械，那么做功公式仍与上述推导结果相同。下面我们用它形象代替外机械，以推导出刚性体的做功量。
[0051]
如果我们将管道长度分割成同长度的n个微段，平薄片以速度u 平动，每一段包含平薄片时刻的微管道，都可以用公式(1)，以上述方法求得微功量，将n段微功量求和，就是平薄片在整个管道长度上所做的功。如果n趋于无限大，那么微管段长度趋于无限短，由于公式是可微分的，仍可适用于微段。当n无限大时，管道无限短，它的极限显然是无管道了，此时，仅剩片的独立运动。由于物理的连续性，可以看成平薄片是无管道，单独在流体中平动时的瞬间相连而成，这样，其做功可以用公式(1)求得，二者间的某时刻的做功值只相差一个更高价的无穷小。因而可以用公式(1)来代替，一样准确。换句话说，无管道的片，单独沿中心线以速度u平动，其做功量可以直接当做管道中的片沿中心线以相同速度u平动，所做的功，二者相等。
[0052]
同样单独无管道的片的前方，因为片的做功，水能量较高，静压也较高；片的背面静压因部分转变成动压，也最低；与管道中的片的情况相同。
[0053]
片的厚度可以增加到管道长度以内，并含有进口管段与出口管段，其采用上述分
析、计算等，依然成立，这样翼的厚度不影响下面推导的可应用性。
[0054]
管道的直径大小范围，在分析时，按公式(1)，可以小到元流的流线级别，所以上述推理与结论适用于我们的讨论对象所限定的尺寸。
[0055]
同理，刚性体可以将表面分割成无数小片，每一小片可应用公式(1)，求得微功量，最后求和，就可以得到整个刚性体所做的功。
[0056]
3.船水下升力翼表面静压强
[0057]
片的左右静压强差
[0058]
片在管道(或微管段)中，带动管内水流体从右向左移动时，水与片同速度。如果将坐标原点固联于片的中心点，水平轴向右，垂直轴向上，片静止时的管道如图2所示。
[0059]
则，水将从左向右做平行水平平动，片的左面与出水端口静压相等，出水端口处的水是静止的，静止压强，根据伯努利水平公式：
[0060][0061]
选流场左远端水流体为截面1，管道出水端口a处为截面2，代入公式(3)得：
[0062][0063][0064]
即片的左面将远端水动压(相对应的为背景静压)转变成了静止静压，片的左面静压p
片左
比流场静压增加了一倍动压。
[0065]
片的右面，将背景静压转变成了部分动压，片的右面静压p
片右
比背景静压减一倍动压，这是管道进水端的特点。即：选坐标固联于管壁上，选进水端口b的右面为截面1，静压为背景静压，流速为零；进水管段bc为截面2，流速为u，方向向左；没有外输入功，代入 (2)式，得静压为：
[0066][0067][0068]
也可以这样认为：选坐标固联于片中心点上时，因为，在管段壁bc随流场水做向右的同速度平动，bc变长了；b点处的水亦随流场水流做同速度向右平动，使管段bc内的水不断的被抽空(若不考虑蒸发，为真空)，水压低于背景水压；在背景静压强大于抽空区域静压强的情况下，流场中的水被迫从b向c方向移动，补充抽空区域，补充速度等于速度u，方向向左，最后，管段的延长与水的补充达到平衡。
[0069]
片的左右面静压强差值为：
[0070]
p
片左右差
＝p
片左
－p
片右
＝ρu2。
[0071]
在管道流体的流量计算中，当水流流速与管道中心线有夹角时，需要将流速分解成与中心线平行的和垂直的两个分量，其中平行的才形成管道流量，构成做功流量，垂直的做功流量为零，不做功。所以我们只要求出与中心线平行的分速度，代入公式计算，就可以得到片的左右面的静压强值。也仅有这部分动压才参与转变。
[0072]
水下水平升力翼截图上各点的静压强值
[0073]
升力翼截面图的截线是封闭的平滑过度曲线，我们用一圆曲线来代表，求出曲线上的任意一点静压强，就可以求得翼截图中任意一点静压强，在计算面积时，在翼展方向取1个单位长度。
[0074]
设翼截面图的截线为圆曲线，半径为r，圆曲线与书面平行，无限远的平行水流流速u从左向右方向流动，坐标轴原点与圆心同位置，横轴x水平放置，方向向右，竖轴y轴，铅垂向上。曲线受水静压强以内法线方向为正，迎流面静压强计算示意图如图3所示。
[0075]
图3中a点是直均水流与圆周交点，b线是a点的法线，c线是 a点的切线，α是直均水流与法线的夹角。根据公式(2)(3)的含义，流体正面撞击，为法向分力，速度变为零，动压全部转变为静压；切向分力没有撞击，保持不变，a点静压强值为：
[0076]
法向流速＝u
×
cosα，流向圆心，撞击形成的静压增量加上直均水流的静压p
均
(即流场背景静压p
背
)，为a点的静压，等于 a点的静压强值,即：
[0077][0078]
静压强方向为内法线方向，指向圆心，是增加的(下面常用背景参数为基准)。
[0079]
当夹角为0
°
时，动压全部转变为静压，0
°
时的a点也常称前缘驻点，静压值增加了90
°
时，速度保持不变，静压也不变。
[0080]
在0
°
与90
°
之间时，动压会部分转变为静压，静压强值均会增加。
[0081]
第二与第三象限是以水平轴为对称的图形，其冲撞力、静压力等也是对称的。第二、三象限为迎流面(或称迎水面)，其中第二象限，动压增加的静压强部分，与面积乘积后的静压力，会在y轴投影产生一个向下的新增静压力分力，翼会受到向下的力，会产生负升力；第三象限，动压增加的静压强部分，与面积乘积后的静压力，会在y 轴投影产生一个向上的静压力分力，翼会受到向上的推力，而产生升力。就是说上翼面有迎水面，会产生负升力，下翼面有迎水面，会产生正升力。
[0082]
圆周以y轴为界，除了最高与最低点为切点外，左半个圆的曲线，均为流体的迎水面，全部为受压面，静压强值都会提高，水对曲面的法向推力都会增加。
[0083]
背流面(或称背水面)，由第一、四象限曲线组成，静压强计算见背水面静压强计算示意图，如图4所示。
[0084]
a点是直均水流与圆周交点，b线是a点的法线，c线是a点的切线，α是直均水流与法线的夹角。根据公式(2)的含义，水流背面法向速度由流场的静压转变而来，a点静压强值会下降：
[0085]
法向流速＝u
×
cosα，流向圆心，转变的动压抵消流场直均水流的静压p
均
(即流场背景静压p
背
)，a点的静压强值为：
[0086][0087]
静压强方向与内法线方向相同，指向圆心，但是是下降的。
[0088]
当夹角为0
°
时，动压最大，动压全部来自于背景静压的转变，静压最低，此点常称后缘驻点，静压强值减少90
°
时，速度保持不变，静压也不变。
[0089]
在0
°
与90
°
之间时，静压会部分转变为动压，静压强值均会减少。第一、四象限为背流面(或背水面)，其中第一象限，动压产生了静压强降低，静压强与面积乘积的静压力也降低，在y轴投影产生较低的静压力分力，曲面与水间会产生相互吸力(或向上拉力)，翼被向上拉，即正升力；第一与第四象限是以水平轴为对称的图形，其冲撞力、静压力等也是对称的。第四象限，动压产生了静压强降低，产生吸力(或向下拉力)，即负升力。就是说上翼面有背水面，会产生正升力，下翼面有背水面，会产生负升力。
[0090]
圆周以y轴为界，右半个圆的曲线，除了最高与最低点为切点外，均为流体的背水面，全部为减压面，都会降低静压强值，产生吸力或拉力。
[0091]
综上，翼截线上某一a点的静压强值为：
[0092][0093]
式中加号为迎水面，减号为背水面。
[0094]
上述这种分析得到的升力原理，下面称为动压差升力原理，以区别现在的其他升力原理。
[0095]
4.船动压差水下翼
[0096]
如果翼的上、下翼面都会产生升力，会使翼效率明显提高，再从中选择升阻比较好，那效率就会提高。
[0097]
根据迎流面翼截线上某点静压强公式：
[0098][0099]
下翼面截线为单调下降的函数曲线符合条件，提供正升力；上翼面不符合条件，因为产生负升力。
[0100]
根据背水面机翼截线上某点静压强公式：
[0101][0102]
上翼面截线为单调下降的函数曲线符合条件，能够提供正拉力 (或正吸力)。下翼面不符合条件，因为产生负升力(或下降力)。
[0103]
在水平直均流下，水下翼弦仰角零度时，翼型要设计成：上翼面截线为单调下降的函数曲线，下翼面截线为单调下降的函数曲线，并将二者通过平滑的内圆弧，在前缘与后缘分别相接成翼(或翼型)，形成动压差翼，或动压差翼型，这样上、下翼面都会产生升力，再适当选择效率较高的截线，达到升阻比高的效果。
[0104]
现行的流速差升力原理的翼做成动压差的翼：
[0105]
设水下翼的上翼面为向上弧，最高点至前缘距离为25％水平弦长度，下翼面水平，截面示意图如图5所示。
[0106]
下翼截线为水平线，线段ab为水平弦长度，上翼截线为弧线， a点为前缘，b点为后缘，最高点为c点，自c点引垂足为d，d点距离a点为25％ab长度。
[0107]
若直均水流从左向右水平流动，曲线ac为迎水面，曲线cb为背水面。因而上翼面曲线acb要去掉迎水面，留下背水面。
[0108]
将左部分acd，以水平线为对称轴，作对称图像为ade部分，对称图的二曲线升力相等，但反向；水平阻力相等。左部分的水平对称图如图6所示。
[0109]
将ade部分作图，使ad水平线延长两倍(即75％ab长度)，得 af水平线，过f点，作一垂线，取g点，使gf等于de长度。使afg 部分的ag曲线(虚线所示)，其曲线特性与ae曲线同类型，比较ade 部分的ae曲线，ag曲线更接近子弹头的形状。水流流过afg部分产生的水平阻力更小，同时翼面积也成比例增加了二倍，升力变大二倍，但仰角变小二倍，升力下降二倍，维持升阻比不变，但阻力下降，升阻比有所提高。水平长度延长两倍后的图如图7所示。
[0110]
将cb曲线与曲线ag相接，即c点与a点相接，b点与g点相接，二者的水平长度相等，垂直高度相等，组成新的动压差翼(型)，取两部分的曲线部分组成新的翼图如图8所示。
[0111]
新的动压差翼型是上、下翼面均产生正升力，阻力基本不变或略有下降，所以升阻比提高。
[0112]
这是动压差翼型的一种形成方法。只要上翼面截线为单调下降的函数曲线，下翼面截线为单调下降的函数曲线，形成的上下翼面均产生正升力的翼型，均属动压差翼型。再根据实际情况，合理选择效率高的截线形状，就能够达到提高实际翼的水动力效率。
[0113]
5.船动压差螺旋桨
[0114]
上述得到的船动压差水下翼(或翼型)可直接应用于船动压差螺旋桨(或桨的翼型)：
[0115]
船动压差水下翼型是水平直均水流流动，经过翼的上、下翼面产生压力，投影于垂直方向的力量，产生翼升力。船动压差螺旋桨，是将相对水流流动，经过桨叶片产生压力，投影于转轴，产生轴向推力，推动船向前运动。因此，只要找到螺旋桨轴的某半径r(对于无实轴的，可假设有虚轴)上的前缘a点，桨叶片在该点的相对水流运动方向，将它视为翼的前缘直均流方向，就可以将水平动压差翼型应用于桨叶翼翼型。螺旋桨叶上前缘a点示意图如图9所示。
[0116]
方法：在桨轴的指定叶片半径r处，前缘a点位置(设该点在与书面平行并包含轴线在内的平面)，作水平面，水平面与a点相切。在图9上的俯视图上作出a点速度三角形，c为水流绝对速度，u为桨轴牵连速度，w为相对速度，轴转动方向在上方为由里向外。桨叶速度三角形如图10所示。
[0117]
在a点的俯视图处，将动压差翼的翼面截线图与速度三角形同平面，再将0
°
弦对准相对速度方向，前缘与a点重合，船动压差螺旋桨 (或桨的翼型)展开图就完成了。取不同的r值，重复上述过程，可得到所需要的整个桨叶片立体图。如果整周有几个桨叶，就均分在同一圆周上，可得到形成整个桨。