维普资讯 http://www.cqvip.com 第１卷第５—６期 ２００６年ｌ２月 中国舰船研究 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｖｏ１．１ Ｎｏ．５—６ Ｄｅｅ．２００６ 表面桨产生垂向力的原因初析 夏翔李水才李慧敏 （中国舰船研究设计中心，湖北武汉４３００６４） 摘要：表面桨又称割划水面的桨，也称半潜桨。由于表面桨一般在斜向流中工作，且存在桨叶出入水面，所 以表面桨在工作时会产生垂向力。从原理上对表面桨垂向力产生的原因做了初步分析，为对表面桨的进一步 研究提供参考。 关键词：表面桨；水动力学；斜向流；轴向流；垂向力 中Ｉｔｔ￣ｆ类号：Ｕ６６４．３３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—３１８５（２００６）０５—０６—６８—０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｉｅｒｃｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｆｏｒｃｅｓ Ｘｉａ Ｘｉａｎｇ Ｌｉ Ｓｈｕｉ・・ｃａｉ Ｌｉ Ｈｕｉ－－ｍｉｎ ｆ Ｃｈｉｎａ Ｓｈｉｐ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｉｓ ｋｎｏｗｎ ａｓ ｓｕｒｆａｃｅ—ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ，ｏｒ ｓｅｍｉ—ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ．Ｉｔ ｕｓｕａ１１ｖ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｏｂｌｉｑｕｅ ｆｌｏｗ，ａｎｄ ｉｔｓ ｂｌａｄｅｓ ｃｏｍｅ ｉｎｔｏ ａｎｄ ｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｓｕｒｆａｃｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ｒｏｔａｔｅｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｆａｃｅ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ；ｏｂｌｉｑｕｅ ｆｌｏｗ；ａｘｉａｌ ｆｌｏｗ；ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅ 一般快艇螺旋桨都是全部浸入水中，有的处 轴向流中工作时因桨叶出入水，也产生向上的垂 向力，那么表面桨在斜向流中工作时产生向上的 垂向力就不言而喻了。 在轴向流中工作，见图１（ａ），而大部分处在斜向 流中工作，见图１（ｂ），而割划水面的表面桨极少 处在轴向流中工作，见图１（Ｃ），而是处在斜流中 工作，见图１（ｄ）。大多数表面桨因传动轴有６。左 右的斜度，再加上艇的航行纵倾和艇尾流的影响 １ 螺旋桨在斜向流中产生的垂向力 螺旋桨在斜向流中产生的垂向力，是螺旋桨 所受的力在垂向的分力，可人为地分为三部分，即 螺旋桨周向力、轴向力和阻力在垂向的分力。 使桨处在斜流中工作，且桨在旋转一周时的每个 叶片出入水各一次。本文从概念上分别阐述了螺 旋桨在斜流中工作时有向上的垂向力和表面桨在 １．１ 周向力及垂直桨轴的分力 由于每个叶片形状、大小、受力完全相同，所 桨 以不妨以一个叶片作为研究对象，研究其在水中 旋转３６０。受到的平均垂向力。单个叶片受到的 （ｂ）一般螺旋桨在斜向流中 多 Ｖ （Ｃ）表面桨在轴向流中 Ｖ （ｄ）表面桨在斜向流中 图ｌ螺旋桨工作状态 图２螺旋桨旋转位置桨盘平面图 收稿１３期：２００６一Ｏ６—２３ 作者简介：夏翔（１９６４一），男，高级工程师。研究方向：高性能船舶应用研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｘ－７０１＠１６３・ｃｏｎｒ 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com ７０ 中 国舰船研究 第１卷 ３）√Ｖ％ｏｓ￣ ＋（Ｖｓｉｎｑ￣ｓｉｎ０＋２ｗＲ０ｎ） 在０， 叮『区间内的值大于叮『，２叮『区间内的值。 故得出，Ｆ ＞０，且Ｆ 的方向向上，即单个叶 片所受的周向力在Ｙ方向的分力方向向上，从而 整个桨所受的周向力在Ｙ方向的分力方向向上。 Ｆ 是垂直桨轴方向向上的力，真正意义上的垂 向力为Ｆ ・ｓｉｎｑ￣。对整个桨来讲还要乘以叶片数。 １．２轴向力及其垂向分力 从图３可知：升力沿桨轴的分力即为轴向力 （Ｔ ＝Ｌ０ｃｏｓｙ。），它始终沿桨轴方向，且其垂直 于来流方向的分力Ｔ ｓｉｎｑ￣始终向上。 １．３桨叶阻力及其垂向分力 桨叶阻力由翼型阻力和诱导阻力组成，其方 向可概略地认为沿着来流 方向，该阻力在轴向 和周向的分力分别为： 当旋转角为０时，Ｒ呻＝Ｒ１ ｓｉｎＴ口，Ｒ 口＝Ｒ１ｃｏｓＴ口。 已知阻力在周向的分力Ｒ 。（在右半圆内）在 Ｙ轴的分力方向向上。 Ｒ （在左半圆内）在Ｙ轴的分力方向向下。 与升力的周向分力类似，同样可以证明阻力的 周向分力的合力是垂直桨轴的沿Ｙ方向向上的。 而 呻可放到轴向力 中考虑，即轴向力 。 变为 一 由于一般情况下Ｔ ＞Ｒ 所以（Ｔ。 一Ｒ 。）ｓｉｎｑ￣仍为向上的垂向力。 总之，在斜向流中工作的螺旋桨其周向力、轴向 力和阻力大多数（实用范围内）都产生向上的垂 向力。 ２表面桨在轴向流中产生的垂向力 表面桨若在轴向流中工作，由于下列原因而 产生向上的垂向力： ａ．叶片入水产生冲击。当表面桨入水时，其 图４叶片出入水示意图 叶片向下又向前运动，而叶片的截面就是一个与水 面成一定角度的楔形入水，这必然引起叶片与水的 冲击，就和平常所说的楔形垂直入水一样会产生冲 击力。作用在叶片截面上的冲击力大部分向上。 但叶片截面出水时却无此冲击产生，而只受到少量 表面张力，所以冲击产生了向上的垂向力。 ｂ．叶片出入水时通气程度不同，当叶片冲击 入水后，吸力面通气有个逐渐变化的过程，而出水 时叶片吸力面大部或全部通气，这样入水时作用 在叶片上的力Ｆ 就大于出水时的力Ｆ ，该Ｆ 一 Ｆ 在垂向的分力就是向上的垂向力。 以上是基于对表面桨出入水观察所得出的一 种解释，也可能有其他更为确切的解释。该垂向 力目前还很难用计算方法正确确定。 图５ 叶片出入水通气示意图 ３表面桨在斜向流中产生的垂向力 表面桨一般都是处在艇后较远处，通过斜轴 传递功率，同时艇在航行时还有纵倾角，因而它既 有出入水又处在斜流中工作，所以就具有了垂向 力，该垂向力目前还没有计算方法，而通常利用模 型试验来获得（稍加改造的空泡筒和减压水池可 以在不同空泡数、不同浸深、有斜流情况下测 量），而一般垂向力用系数Ｋ ＝Ｆ ／ｔ，ｎ Ｄ 来表 达，此Ｆ 乃出入水和在斜向流中工作时产生的周 向力、轴向力和阻力的在垂向分力之总和。 在实艇上要复杂的多，虽然没有通常的伴流 和推力减额，但艇尾形状（特别是横剖面形状）在 不同航速下使水流产生不同的下洗和水流倾斜， 从而表面桨浸深和斜向流角发生变化，因此用表 面桨模型试验确定的垂向力往往与实艇试航结果 是有差异的。 参考文献 ［１］ 王国强，盛振邦．船舶推进［Ｍ］ 北京：国防工业出版 社．１９８５． ［２］ Ｍ．Ａ．马甫留朵夫等著．韩德贤译 高速船舶推进器［Ｍ］ 北京：国防工业出版社，１９９２． ［３］ 王国强，贾大山，盛振邦．部分浸水通气螺旋桨水动力性能 ［Ｊ］．中国造船，１９９０（２）：２２—３１． ［４］ 王国强，贾大山．自由液面对螺旋桨性能的影响［Ｊ］．中国 造船，１９８９（１）：１—７． ［５］ Ｖｏｗｓ Ｗｉｌｌｉａｍ Ｓ．Ｆｏｒｃｅｓ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ－ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ ｗｉｔｈ ｉｎｃｌｉ－ ｎａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｉｐ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９１，３５（３）：２１０－２１８． ［６］ Ｍｉｌｌｅｒ Ｗ，Ｓｚ￣ｔｒｙｒ Ｊ．Ｍｏｄｅｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｉｅｒｃｉｎｇ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ［Ｊ］．Ｓｈｉｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，４５（１）：１４—２１．
