船用等升角螺旋桨的制作方法

专利名称：船用等升角螺旋桨的制作方法
本《等升角螺旋桨》发明属船舶工业技术领域，是船舶推进器械。
在此之前，对船舶起推进作用的螺旋桨都是用螺距作为主要的也可以说是唯一真正的技术参数的量纲。因此，几乎所有的叶片固定式螺旋桨都是采用等螺距或以等螺距为主只是在叶根和
叶梢稍加改变的形式，于是它们都不可避免地承袭了等螺距的弊病，因而推进振动大、效率低下，且在桨片根部有空泡腐蚀现象发生。
本《等升角螺旋桨》发明的目的是针对上述等螺距螺旋桨的弊端，在理论研究地基础上设计出一种船舶振动小、安全舒适、推进速度大、效率高，且无空泡腐蚀现象发生的新型螺旋桨。
本发明的指导思想是从理论上否定现行等螺距螺旋桨，同样从理论上建立新型的螺旋桨。
本发明的核心是以升角作为船舶推进用螺旋桨的主要技术参数的量纲。
本发明特点是等升角。
根据一学习、二否定、三创新的三阶段原则，在经过认真学习的基础上，对等螺距螺旋桨提出如下否定
首先，用同心园a和b轴向剖切等螺距螺旋桨，如

图1。
当a→b时
得到一剖面a，并用同样方法取得剖面m和n，且将它们在平面上展开，由于是等螺距，所以
Sm＝Sa＝Sn
又因
Dm＜Da＜Dn
于是根据知
在这三个剖面的关系上αm＞αa＞an
接着，如图2所示将这三个持有位于剖面内与剖面平行的内源力P的剖面，按以剖面垂直于水平面的方式置入条件为自然敞水的流体领域中，并在此流域中众多剖面所在的同一平面内取一与内源力方向平行的轴为X轴，以在此平面内与内源力方向垂直的轴为Y轴的平面直角坐标系，于是一个供作研究的既有流体，又有在流体中持一定的内源力按既定方向作运动的物体(剖面)的流场系统X0Y成。
在进行研究前要强调的是研究中必须确认同一流场系统中运动物体只有一个最佳升角，流场流束只有一个最佳绕流系统的“唯一”原则。至于有关该原则的理论就不在此论述了。
在确认上述“唯一”原则下知，图2所示m、a、n三个剖面中只有一个是较好升角。但在确认剖面a的升角是全桨叶上最佳升角时，以m和n代表的其余所有剖面的升角均是非佳或称不良升角。
最佳升角的优点是在最经济的条件下具有最大升距。
图3说明这是因为该剖面在持有最经济的内源力的条件下，能与流场中由流束分流线与合流线和分流线上分流点与合流线上合流点的位置所决定的流束绕流系统有着最佳的吻合，由连接分，合流点Q，Q′和剖面首尾两点A和B所组成的基本分流线与合流线所描述的最佳流束绕流系统使水流均匀连续而和谐地在其吸压两面上进行有序的滑移。在这种滑移过程中，流场水流只有为产生剖面升距的相互压力传递，没有不和谐的现象发生。
图3还说明在最佳升角剖面的两侧的非佳剖面各自有着不同于最佳剖面的不同情况。
从叶根部分非佳剖面M上看，由于αm＞αa所以流场中的分流线向靠近平板中心0的方向下移，而合流线则相应地上移，分，合流点Q，Q′则在分合流点线上距平板的距离加大，致使在最经济条件下具有最大升距的流场绕流系统丧失，新的绕流系统与最佳绕流系统相比，发生了因绕流系统与剖面不吻合而产生的不和谐现象。对于剖面m来说在压力面的随边上出现了剖面与流水间的相互干涉区，区内发生了因附加压力的出现而产生的水锤水击现象。在吸力面的随边上出现了剖面与水流的相互吸引区，区内发生了因附加负压力的出现而产生的负水锤水击现象。这种现象随着愈往叶片根部走愈为明显强烈。
水锤水击导致桨叶发生振动、负水锤水击致使桨叶产生气蚀。气蚀的成因是剖面水流相互吸引的负压区是一个变化极大的有限气室，气室边沿流经水流在正常压力状况下所含的空气分子至此全部骤然释放，但又因气室是绝大部分时间处于负压状态，所以从水中释放出来的空气分子一时难以逸出以致在气室中作急骤涡旋迥转，以极高的速度冲击叶片，一旦空气分子冲出气室，新流经水流中释放出来的空气分子又会进入气室，以此不断，经过一段时间当超过材料的疲劳强度时，叶片被局部剥夺，于是气蚀现象产生。这种现象是气室室容变化效应的一种反映。
对于水流来说，在剖面压力面随边上的剖面水流干涉区内剖面所承受的水锤水击力的直作用力使区间边沿的水分子发生一种方向与剖面垂直的压力传递，即流场发生了除产生剖面升距传递外的耗功干涉兴波力。在剖面吸力面随边上的剖面水流吸引区内气室使流经气室边沿的水流释放它们在正常状况下所含的空气分子后才离去，不断的流经水流不断地释放，这样终于有使气室被气体充满的时候。在气室被空气充满的过程中，气室的压力也逐步升高，一旦气室被充满压力升高到气体可逸的临界压力时，气体以高速破室而出，在流场敞水总静压力的作用下，在此瞬间气室骤然消失。接着又在剖面水流的相互吸引下，新的气室很快产生，并按此规律不断地循环。
负压吸引区内的气室不是都能对螺旋桨叶片起气蚀作用，而是在一定的径长以内才会有气蚀产生。但是气室的室容变化却是从最佳剖面的邻近剖面起到桨叶根部的全长上均有产生，室容变化的主要效应是在敞水总静压力作用下，气室的消失本应由水流在气室空间所有的边沿点上向中心压来合拢而完成。然而，由于气室的部分边沿是桨叶的吸引力面，而在该吸力面部分相应的压力面上同时又有附加压力的增加，故使桨叶在此一瞬间产生了参入消除气室的瞬时增速，瞬时增速的桨叶与消除气室的瞬时高速合拢的水流激烈相撞、相撞的结果是使水流与船舶均发生瞬间反弹，这种反弹又受到敞水总静压力与继来水流的升力的限制而控制在一定限度内，但对水流来说有规则的受激飞溅，对船舶来说在前进方向上的有规律的振动已经产生，特别是船舶的振动规律与桨叶根部全长上的气室室容变化的规律相同。又由于桨叶根部全长上的气室室容变化规律相似，都是具有同一频率的脉动循环，如图4。该脉动循环的频率就是船舶系统在前进方向上振动的主频率。
从叶梢部分非佳剖面n上来看，由于αn＜αa所以流场中的分流线向离开平放中心0的方向上移，而合流线则相应地下移，分，合流点Q，Q′在分，合流线上距平板的距离减小，同样使在最经济条件下具有最大升距的流场绕流系统丧失，新的绕流系统与最佳绕流系统相比，同样发生了因绕流与剖面不吻合而产生的不和谐现象。对于剖面n来说在压力面的随边上出现了剖面与水流间的压力下降区，区内发生了水流泄流现象。在吸力面的随边上出现了剖面与水流间的吸力下降区，区内发生了水流受阻现象。这种现象随着愈往叶片梢部走愈为明显强烈。
泄流与水流受阻现象均使剖面产生附加压力下降，这种下降除使剖面升距下降外，它们还与根部产生的附加压力上升相呼应在桨叶上形成一种径向有害力偶，如图5这力偶在气室效应的影响下，以与气室变化相同的频率、动态地弯折桨叶，使桨叶产生整体振动。
对于水流来说在剖面压力面随边上的压力下降区的泄流会使流场水分子产生一种与泄流方向一致的压力传递，即水流产生了一种耗功泄流兴波力。在剖面吸力面的随边上的吸力下降区受阻水流会因冲击桨叶使区间边缘的水流减速同时作非升方向的压力传递。
泄流兴波与非升方向的压力传递均使水流消耗功率，这种消耗在桨叶作用区抵消了部分自然敞水的总静压力使水流降低了对气室室容变化现象的整体制约防御能力，反之，倒为其提供了条件。
接着，从桨叶整体上看，由于等螺距螺旋桨桨叶上的诸多剖面中的升角各不相同，所以受激水流流场系统在各个剖面上产生的升力也各不相同。于是在桨叶吸、压两面的径向全长上桨叶、水流相互作用的水流压力作用区内均有水流水分子间的径向压力传递发生，这种传递对压力面来说是正压力从根向梢部走，对吸力面来说是负压力从梢部往根部走，前者产生径向兴波，后者助长气室室容效应的增强。
综合上述可知
1.等螺距螺旋桨的桨叶上由于不同直径上的诸剖面的升角不同而会在“唯一”最佳升角剖面所处直径以内的全体根部剖面上产生与水流发生“干涉”与“吸引”的区间；在“唯一”最佳升角剖面所处直径以外的全体梢部剖面上产生使水流发生“泄流”与“受阻”的区间。
2.剖面与水流间的“干涉”与吸引”会使桨叶与水流间产生气室效应，气室效应是螺旋桨和船舶系统产生轴向振动的原因。气室室容变化的频率是船舶系统在前进方向上振动的主频率。
与之相应，剖面水流间的“泄流”与“受阻”使桨叶降低了对气室效应的整体制约防御能力，反之，倒为其提供了有利条件。
3.气蚀是气室效应的一种反映。
4.螺旋桨的振动与气蚀越大，水流系统的波浪与涡流也就越大，它们所吸收的功率是相等的，不言而喻推进器的升距损失也就越大，升距实效率也就越低。
据此，显见振动与气蚀等气室效应是螺旋桨推进效率低下原因之所在，而螺旋桨的升角不一致又是造成气室效应使其产生振动和气蚀的主要原因。
在对等螺距螺旋桨作出以上否定后知，提高螺旋桨推进效率的关键是要求桨叶上全部剖面的升角相等而且最佳。
最佳升角的理论推导与计算
在不受干扰的具完备自然条件的敞水中置入一持有内源力P、长度为L、宽度为M厚度为δ的平板W，平板的尺寸关系为
L/M→∞ δ→α
平板以长度沿水深、宽度沿水平方向设置，以内源力P大干外力的条件，以速度U沿水平方向作直线运动。
在上述水域取一个与平板前进方向平行的X轴，一个与X轴在同一水平面内且与它垂直的Y轴和一个与X轴在同一垂直面内过X、Y两轴的交点0和X轴垂直的Z轴组成的空间直角坐标系，如图6。
在坐标系内沿Z轴在平板上取一段Li＝△e当△e→α时，环境由空间直角坐标系简化为平面直角坐标系。
在简化环境中设平板W与其所持内源力方向垂直。取平板中点0为坐标原点，取内源力方向即平板前进方向为X轴，取平板设置方向为Y轴，如图7。如是一个供研究用的既具有自然敞水条件又具有在流体中持内原力，按照既定方向作运动的物体的流场系统X0Y形成。
平板在内源力P的作用下，以速度U作前进运动与运动开始的同时，在平板的前面产生了压力Px，后面产生了与前面压力大小相等，方向相反的负压力—吸力— -Px。即水流在平板的前后两个面上都出现了阻力。
P＝Px-(-Px)Px＝｜-Px｜
在受地球引力作用下的自然敞水总静压力使压力Px在平板前呈以平板两端点A、B为最小等值到中心点为最大的均衡对称状态。既最大压力发生在受激水流流束中心线上。
同理敞水总静压力使负压力(吸力)-Px在平板后同样呈以A、B两点为最小等值到中心点为最大的均衡对称状态。即最大负压力消失点，在受激水流流束中心线上。
显见，在不计及高度差的情况下，此时流场内水流在平板前的绕流分流线和平板后的绕流合流线均在过平板前、后最大正负压力点，Q，Q′的水流流束线上。
同时还可以看到对平板而言前面的压力阻力Px和后面的吸力阻力-Px都随速度U的增加而增加对水流而言流场绕流分流线上的分流点Q，合流线上的合流点Q′距平板的距离0Q、0′Q′也都随着平板前进速度U的增加而增加。
绕流分流点Q即是分流线上的压力开始增长点。
绕流流合流点Q′即是合流线上的负压消失点。见图8。
但在流场总静水压力的作用下，0Q与0′Q′的增加有一个相同的极限，即
Lim LiM
0Q＝(1/2)M ｜0′Q′｜＝(1/2)M
v→∞V→∞ 亦即0Qmax＝(1/2)M ｜Q′Q′｜max＝(1/2)M
这是因为平板前进面上受压力而产生的切向力永远等于压力P的缘故，见图9。
图9说明τ由P生，不会比P大，如大，大的何处来；τ又是P的反映不会比P小，小的去何处了。所以在切向力的矢量，
时
正压力的矢量
当τ趋向大于二分之一M的趋向值一旦出现，流场敞水总静压力立即将其低消。所以τ不可能大于二分之一M，而以二分之一M为极限。
所以P也以二分之一M为极限
所以流束分流点距平板的距离0Q也以二分之一M为极限。
所以分流绕流线QA QB与平板的夹角βA＝βB＝45°
又因Px＝｜-Px｜所以在平板后面流束合线上的合流点Q′平板后中心0′的距离0′Q′＝0Q＝(1/2)M而以(1/2)M为极限。
于是，可见流场中与平板垂直的最大正负作用力的发生点在流束中心线上，而作用点则分别在流束分流与合流线上。
还可见平板前后绕流与合流呈旋转对称。
当平板W的设置条件发生变化，变成与内源力方向平行时如图10。
这时平板的首点A是最大压力点、尾点B是最大负压作用点，平板的绕流分流和绕流合流线仍均在过平板上前后最大正负压力点Q，Q′的水流流束线上。
分流点Q距平板距离AQ和合流点Q′距平板距离BQ，相等且等于平板在流场中的铅垂高度δ的二分之一。即
于是可见此时流场中与平板垂直的最大作用力的发生点仍在流束中心线上，而作用点则还是分别在流束分流与合流线上。
同样还可见平板前后绕流与合流仍呈旋转对称。
当平板W的设置条件再次发生变化，变成与内源方向呈一夹角θ、0＜θi＜90°时如图11。
这时，流场内平板与水流间的阻抗情况就发生了一些根本性的变化。
首先，平板前的压力和平板后的吸力已不再是对称分布，而是在平板的前后中心点0、0′的两边发生了大与小，多与少的差异，这差异致使流场水流的分流系统与合流系统发生与平板倾角θi相应的变化。这种变化得到的重要结果是平板上发生了前面受水流托举，后面受水流吸提，前后力量相等的升力。
升力用升距Y＝Ya＋Yb Ya＝Yb表示
其中Y平板整体升距
Ya平板头点升距，其起点在流束中心线上
Yb平板尾点升距，其负向起点也在流束中心线上
此时的流场在不计及外界条件下，平板的升距Y的变化是平板倾角θ的函数
Y＝f(θ) Ya＝Yb＝f(θ)
图12所示是在流场系统X0Y中有一组中点0与坐标原点重合，宽度M相等、倾角变化范围为θi＝10°—90°的一系列平板AiBi。它们的两个端点A、B的轨迹是以平板宽的二分之一作半径所画的园。
在这样一个流场系统内，在不计及外界条件下，流场内诸平板Wi前后的，起点在流束中心线上的几何线形升距(升力)Y0a与Y0b的变化也是平板倾角θ的函数。
Y0a＝Y0b＝f(θ)
再看图11，流场水流流束在顺着平板吸、压两面从首点到尾点进行滑移时，都形成正、负压力区间的力的传递，这种传递当然也消耗功，于是在平板前后平面上就发生了下降而相等的负升力P1a、P1b
负升力用负升距Y1a表示其起点在平板首点A上
和用Y1b表示其起点在平板尾点B上，
Y1b、Y1b称为力传距。
不计及外界条件下，力传距Y1也是平板倾角θ的函数，见图13
Y1＝f(θ)Y1a＝Y1b＝f(θ)
显见，流场中平板的升距Y与其线形升距Yo和力传距Y1的关系为
Y＝Y0－Y1 Ya＝Y0a－Y1a Yb＝Y0b－Y1b见图14
图14-1是几何线形升距Yoa的力的三角形
图14-2是力传距Y1a的力的三角形
图14-3是升距Ya，线形升距y0a，力传距y1a的矢量
加法图
图14-4是矢量加法图中诸矢量Ya、Y0a、Yla和它们的同一共同变量θi的关系说明图。于是唯一只有将过图14-5上的D点向AB作垂线所得垂足E点，作为力的三角形A0D与Aaa′在顶点A与A重合、斜边A0与Aa重合后的a点的落点，才符合
Ya＝f(θ) Y0a＝f(θ) Y1a＝f(θ)的要求。
和平板绕流流场系统中最大正负压力发生点在受激水流流速的中心线上最大正、负压力作用点垂直于平板；绕流分流线和合流线通过最大正、负压力作用点的大自然的严肃和谐而统一的规律。
故得Ya＝1/2(AB.Sinθ.Cos2θ)
Y0a＝1/2(AB.Sinθ)
Y1a＝1/2(AB.Sin3θ)
和与之对应的
Yb＝1/2(AB.Sinθ.Cos2θ)
Y0b＝1/2(AB.Sinθ)
Y1b＝1/2(AB.Sin8θ)
等一组对平板来说是表示运动方式，对水流来说是表示流场动态规律的方程式。见图15。
还得场中分别与上述方程式组中的每一个方程有直接函数关系的，与平板垂直的，发生点在流束中心线上的最大正、负作用力Pa和Pb就是DE和D′E′，即
Pa＝DE Pb＝D′E′
Pa-max＝｜Pb-max｜＝1/2(AB.Sinθ.Cosθ)
进一步得流场绕分流线就是过最大正、负压力作用点E和E′的流线E X和E′X′。
当然分流和合流线上的分流点Q距平板的距离EQ和合流点Q′距平板距离E′Q′是随平板前进速度的变化而变化的。
它们的最小极限是EX与AD的交点和E′X′与B′D′的交点，这是因为单向载压流场中的水流不会倒流。
最大极限是EX与过平板上A点与平板垂直的垂线AF的交点和E′X ′与B′F′的交点，这是因为与最大压力作用线DE平行的载压流线一过A点即卸压的缘故。
上述一系列重要结果的求得，为下面最佳升角的推导与计算作了理论准备
1.最大升距升角
对 Ya＝M/2(Sinθ.Cos2θ)求导
dYa/dθ ＝M/2(Cos3θ－2Cosθ.Sin2θ)
令 dYa/dθ＝0
Cos3θ－2Cosθ.Sin2θ＝0
Cosθ(Cos2θ－2Sin2θ)＝0
Cos2θ-2Sin2θ＝0
Cos2θ＝2Sin2θ
Sin2θ/Cos2θ＝1/2于是得θ＝35°16′
2.以θ＝35°16′的升距Ya－35°16′为1，作出倾角θi与升距比ε＝(Ya－θi)/(Ya－35°16′)的倾角、升距比函数表
据上表绘出倾角、升距比关系图，见图16，得升距比曲线。
倾角、升降比曲线，一方面证实了当平板升角θ＝35°16′时，其升距(升力)Y最大。另一方面却给出了一个提示在平板所持内源力大于外力的条件下，在平板升角处于0＜θi＜35°16′时，其力传距Y1是水流托举平板而进行的正负压力区间内的水分子间的力的传递所消耗的功，这种消耗随着升角的增加而增加，同时其增加也带来了升距Y的增加。而当平板升角处于35°16′＜θi＜90°时，水分子间的力的传递所需的功仍然随升角的增加而增加，然而这时的增加却带来了升距(升力)的下降，这说明平板绕流流场系统中的水流在平板升角超过35°16′时产生了另外的吸取消耗能量的因素，显见这因素就是系统内的气室室容变化效应中的气蚀现象已经产生，而35°16′角值点T就是气室室容效应中的气蚀产生临界角值点。
3.升距效率
作其倾角效率，函数表
据此表绘出倾角，效率关系图，见图17.得效率曲线。
4.从1.2.3知最佳升角应是如图18所示之升距比曲线和效率曲线的交点G所指示的升角。
该升角还可以通过解联立方程式组
将上式写成下式，并求解l＝(1/2Y1)AB.Sinθy1＝1/2(AB.Sinθ)
ya＝1 y1＝1代入则得l＝1/2(AB.Sinθ) Sinθ＝2/AB又以理想条件θ＝35°16′代入则又得
故
故得θ＝22°37′
此角即具最经济条件的最大升距升角，亦即最佳升角。
前面说过等螺距螺旋桨桨叶上从最佳升角剖面临近剖面起到桨叶根部的全长上均有气室室容变化效应产生，在图18所示倾角、升距比效率曲线上θ＝22°37′的升距比曲线和效率曲线的交点G就是这种气室室容变化效应产生的临界点。
而升距比曲线还说明对单个平板来说，气室室容变化效应产生临界点应在倾角θ＝10°的角值点Q上。
本发明在经理论推导和实际计算，求得最大升距升角(气蚀临用升角)与最经济条件下的最佳升角的基础上进行本《等升角螺旋桨》的创新设计。
图19所示是等升角螺旋桨的结构图，其上1是桨毂，2是桨叶，3是吸力面，4是压力面，5是导边，6是随边，7是从0.2R起每隔0.1R取一同心园度截面所得0.2R、0.3R、……0.9R和0.95R处的剖面。显见这些剖面的升角相等。
本等升角螺旋桨的升角设计范围界定在最经济条件下的最佳升角22°37′至气蚀临界升角即最大升距升角35°16′之间，
这里将从22°37′起到35°16′止的范围划成四个等比区间，于是其公比
于是
当θ1＝22.6189°＝22°37′时
θ2＝Kθ1＝1.1174×22.6189°＝25.2755°＝25°16′
θ3＝Kθ2＝1.114×25.2755°＝28.2428°＝28°14′
θ4＝Kθ3＝1.1174×28.2428°＝31.5585°＝31°33′
θ5＝Kθ4＝1.1174×31.5585°＝35.2635°＝35 °16′
根据以上划分商业货轮应选θ＝22°37′～25°16′之间
客货轮应选 θ＝25°16′～28°14′之间
客轮应选θ＝28°14′～31°33′之间
军用舰艇应选θ＝31°33′～35°16′之间
鉴于持内源力前进的平板和旋转中的螺旋桨桨叶剖面之间存在一定的区别，故可对等升角螺旋桨进行修正，修正的方法是使桨叶从根部到梢部的升角发生一定的变化，但根部升角必须小于气蚀临界升角值35°16′。
上面说的是全修正的方法。还有一种部分修正的方法，那就是在以等升角剖面为主的桨叶上的根部或根部与梢部进行部分剖面升角的改变，但修正后的根部升角同样必须小于气蚀临界升角值35°16′。
本船用螺旋桨发明，由于采用了避免气蚀临界角的设计，故由本发明螺旋桨推进的船舶系统都具有振动小。安全舒适之优
推进效率的计算与比较
首先，计算等升角螺旋桨的推进效率。
在其剖面升角θ＝22°37′的情况下根据
知
其升距比为ε＝0.85
又根据η＝Cos2θ；知
其效率为η＝0.85
以上是升角θ＝22°38′的等升角螺旋桨的空载升距比和效率。
其次计算与等升角螺旋桨的直径、叶数、盘面比都相等，且在桨叶上0.7R处的升角也相等的等螺距螺旋桨的推进效率。
根据0.7R处剖面升角θ＝22°38′的条件，求出桨叶上其它剖面的升角，升距比和效率如下
依据升角和升距比绘成图20
依据升角和效率绘成图21
据图20与图21可查出任一直径处的升距比ε和效率η。
接着将等升角桨与等螺距桨进行比较
先比较升距比
按理比较应在它们的两次升距比εε′的均值上进行，也就是说应在它们两者桨叶叶片全面积上的升距比的均值上进行。但由于它们两者的二次升距比相等，见图22。
从图22-1中可以看出等升角桨的不同半径处的一次升距比是相等的
εi－θ＝ε0.7－θ它们的二次升距比为
从图22-2中可以看出等螺距桨的不同半径处的一次升距比是不等的
εi－H≠ε0.7－N
它们的二次升距比同样为由于两种桨的直径，盘面比，叶数均相等，所以
N0.1－θ＝N0.1－HN0.7－θ＝N0.7－H故它们的二次升距比相等
ε′2－θ＝ε′2－H故在消去两者的二次升距比后，即为它们的一次升距比均值的比较，
等升角桨的一次升距比均值为
等螺距桨的一次升距比均值可按下式求得
＝1/(16°52′－55°23′) ×1/(Sin35°16′.Cos2θ 35°16′)×
因为
1/(16°52′－55°23′) ×1/(Sin35°16′.Cos2θ 35°16′)
＝1/(-38°31′× Sin35°16′.Cos235°16′)
＝-1/(0.6722×0.3849)
＝-3.865又因为
＝-1/3(Cos3θ16°52′)＋1/3(Cos355°23′)
＝-0.2937＋0.0618
＝-0.2319所以
ε-H＝-3.865×(-0.2319)
＝0.8963
≈0.9
再比较效率
同理比较应在它们的两次效率比η1η2的均值上进行，但同样由于它们两者的二次效率相等，故在消去两者的二次效率后，即为它们的一次效率均值的比较。
等升角桨的一次效率均值为
等螺距桨的一次效率均值可按下式求得
因为 1/(16°52′－55° 23′)＝1/(-38°31′)
＝-1/(0.6722)又因为
=[(θ/2)＋(1/4)sin2θ]16°52′55°23′
＝0.1472＋0.1388－0.4834－0.2338
＝-0.4312所以
η-H＝-1/(0.6722)×(-0.4312)
＝0.64于是得
而它们的综合性能比以上是θi＝θ1＝22°37′时的情况，接着计算θi＝θ2，θ3…θ5时的情况，当θ2＝25°16′时，得ε2＝0.907 η2＝0.82 θ3＝28°14′ ε3＝0.95 η3＝0.78 θ4＝31°33′ ε4＝0.98 η4＝0.73 θ5＝35 °16′ ε5＝1 η5＝0.67 接着进行比较通过上述比较知等螺距桨的升距比比等升角桨中的
θ1＝θ1的优5％；θ1＝θ2的低0.8％；θ1＝θ3的低5％；
θ1＝θ4的低8％；θ1＝θ5的低10％，等螺距桨的效率比等升角桨中的
θ1＝θ1的低25％；θ4＝θ2的低22％；θ1＝θ3的低18％；
θ1＝θ4的低12％；θ1＝θ5的低4％，等螺距桨的综合性能比等升角桨中的
θ1＝θ1的低20％； θ1＝θ2的低22.3％；θ1＝θ3的低22％；
θ1＝θ4的低18.2％；θ1＝θ5的低14％。比较说明本船用螺旋桨发明的各类(5例)各项(5×3＝15例)技术经济指标中除θi＝θ1时的升距比小于等螺距桨外，其余均优于等螺距桨。
图23-图27是上述5类例等升角桨与当量等螺距桨在升距比均值，效率均值和综合性能均值上的比较图。
以上的全部研究和研究所得均是以自然敞水为条件，而且是空载。一旦加上船舶负载螺旋的工作情况就发生了很大的变化，其中除自然敞水条件受到破坏外最重要的变化就是在桨叶剖面与水流间产生了为推动船舶前进而使桨叶升距和升距比再次下降的二次(第二)力传距Y2。
二次力传距是水域中水流分子间进行的为推动船舶前进而产生的压力传递所吸收的升距，这种传递在力度、速度和方向上均与螺旋桨桨叶的剖面升角有关，亦即二次力传距也是剖面升角的函数
Y2＝f(θ)
这说明它的力的三角形与力传距Y1的力的三角形相似，又Y2是为推动船舶前进而发生故为推动螺旋桨前进而发生的Y1方向一致且在同一条直线上。
于是二次力传距Y2与力传距Y1，升距Y，线形升距Y0的矢量加法图应如图24所示。即 Y′＝Y0-Y1-Y2于是在Y0＝(1/2)AB.Sinθ
Y1＝(1/2)AB.Sin3θ不变的情况下
Y2＝(1/2)AB.Sinθ.Cos2θ－(1/2)AB.Sinθ.Cos4θ
＝(1/2)AB.Sinθ Cos2θ(1－Cos2θ)
＝(1/2)AB.Cos2θ.Sin3θ
所以Y′＝(1/2)AB.Sinθ.Cos4θ可以看出第二力传距Y2是力传距Y1的Cos2θ倍，而这个Cos2θ就是螺旋浆本身的效率.也就是说螺旋浆一旦加上船舶负载后，其工作效率是原来空载效率的函数，是空载效率的二次方。于是承载后等螺距浆的推进效率为(0.64)2＝0.41等升角浆的推进效率为
θi＝θ1时是(0.85)2＝0.72；θi＝θ2时是(0.82)2＝0.68；θi＝θ3时是
(0.78)2＝0.618；θi＝θ4时是(0.73)2＝0.533；θi＝θ5时是(0.67)2＝
0.45.据此更进一步体现出等升角螺旋浆的优点。图28除说明螺旋浆承载后的工作效率是原空载效率的二次方。
ηa＝(η)2＝(Cos2θ)2外，还说明如果超载，则超载后的工作效率随超载程度的逐步增加，分别逐步为原空载效率的3次方，4次方，N次方
ηb＝η8＝(Cos2θ)8
ηc＝η4＝(Cos2θ)4，.....ηn＝(Cos2θ)n即说明当负载呈超载走向时，效率呈Cos2θ的升幂形式走向，所以螺旋浆与船舶负载的匹配应控制在Cos2θ的二次幂之内，即船舶所需推进功率应与既定尺寸螺旋浆的第二力传距所发出的功率相等，若超过则应重选螺旋浆的几何尺寸，
本发明的优点
1.从基本理论研究上发现了等螺距旋桨伴流水域中的“气室”现象，揭示了“气室”室容的变化规律。以“气室”效应解释了船舶在前进方向上产生振动和在螺旋桨根部产生气蚀的成因。提出了采用等升角螺旋桨消除“气室”现象的方法。
2.用线形升距，升距、力传距，第二力传距等的明确的概念与定义和一组表示它们之间的关系的方程式，简捷、正确地解答了迄今为止数百年来用牵强附会的诱导速度理论一直没有很好地解决的螺旋桨与水流间的主要力系的关系问题。
3.结合基本理论研究，求得了唯一正确的螺旋桨叶上最大升距剖面的升角值。同时在考虑效率的情况下，给出了剖面在具最经济条件下的最大升距升角，亦即最佳升角。
4.等升角螺旋桨由于从结构上消除了“气室”的成因，从而使船舶系统处于一个与水流动态规律吻合的和谐的工作环境中故避免了因气室效应而造成的船舶振动与桨叶气蚀。除使船舶安全舒适外，还提高了船舶和螺旋桨的使用寿命。
5.等升角螺旋桨的综合性能比等螺距螺旋桨好，故其效率高，节约能源。
6.由于等升角螺旋桨与水流动态规律有较好的整体吻合，故可提高转速以适应现代化高速之需要。
权利要求
1.一种探索物体在水中动时的受力情况和水流受物体激励后的变化状态的研究方法。其特征在于它是在用坐标系界定的水流流域中，对符合条件的水流在持一定内源力，以一定的速度，按一定的方向作运动的物体的激励下的整个流场系统进行研究。
2.一种揭示等螺距螺旋桨船舶系统产生前进方向上的振动和螺旋桨产生气蚀的“气室与气室效应”理论。其特征在于理论完整地阐述了“气室”的产生位置，形成原因，发生过程，变化规律和由气室室容变化对船舶系统产生危害的成因与作用方式。
3.一种表示在水流动态流场系统中物体(平板)运动的受力情况与流场水流受激的变化状态的自然规律。其特征在于用线形升距、升距、力传距，第二力传距等明确概念和一组表示它们之间的关系的方程式给定。
4.一种螺旋桨叶上最大升距(升力)剖面升角角值的计算方法和结果。其特征在于计算方法与理论和实际吻合、计算结果具“唯一”性和“最终性”。
5.一种剖面最佳升角的计算方法和结果。其特征在于计算方法考虑了升力和效率，计算结果具有最经济条件下的最大升角之优点。
6.一种桨叶上气蚀产生临界角值的确定和确定方法，其特征在于确定方法是运用动态流场水流动态变化规律，确定值与最大升距升角值相同。
7.一种等升角螺旋桨，其特征在于螺旋桨的主要技术参数的量纲是升角，而且桨叶上所有剖面的升角相等。
8.根据权利要求7，一种修正螺旋桨，其特征在于螺旋桨桨叶上剖面间的升角存在着变化，但根部剖面升角必须小于产生气蚀的临界升角。
9.根据权利要求7和8，一种部分修正螺旋桨，其特征在于桨叶以等升角剖面为主，只是在根部或根部与梢部稍加改变，但根部剖面升角必须小于产生气蚀的临界升角。
全文摘要
本发明通过一种揭示等螺距螺旋桨使船舶产生振动，使桨叶产生气蚀的原因的“气室效应”理论，对其作出否定后，发明了等升角螺旋桨。并对等升角桨的最佳剖面升角进行了理论推导。 本发明在经理论推导和实际计算求得最大升距升角(气蚀临界升角)与最经济条件下的最佳升角的基础上进行本《等升角螺旋桨》的创新设计。故其优点是除具有提高推进效率和使船舶振动减少等明显较强的综合性能外，还因其与水流的配合好，故可大幅度提高转速以适应现代化高速之需要。
文档编号B63H1/00GK1127209SQ9510108
公开日1996年7月24日 申请日期1995年1月18日 优先权日1995年1月18日
发明者邓真根 申请人:邓真根