[科普中國(guó)]-涵道螺旋槳

涵道螺旋槳是指被涵道包圍的螺旋槳系統(tǒng)，具有高的氣動(dòng)效率，并具有氣動(dòng)噪聲低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛用于輪船、特種飛行器、潛艇等軍事及民用領(lǐng)域。

涵道螺旋槳工作時(shí)，氣流連續(xù)不斷從涵道入口通過(guò)螺旋槳，并在槳盤處加速增壓后，以高速高壓的狀態(tài)流出涵道，并產(chǎn)生反作用推力。涵道螺旋槳的推力大小與通過(guò)槳盤的空氣流量和涵道內(nèi)外流速相關(guān)。

目前，涵道螺旋槳的設(shè)計(jì)方法主要有：葉素理論和片條理論法；利用升力線( 面) 和面元法耦合計(jì)算涵道螺旋槳的內(nèi)部流場(chǎng)特性，預(yù)測(cè)涵道螺旋槳的定常與非定常性能以及基于動(dòng)量源項(xiàng)法對(duì)涵道螺旋槳的流場(chǎng)進(jìn)行CFD模擬與驗(yàn)證的方法等。

由于涵道與螺旋槳之間相互干擾的復(fù)雜性，涵道螺旋槳的設(shè)計(jì)通常需要較多經(jīng)驗(yàn)與較長(zhǎng)時(shí)間。在設(shè)計(jì)涵道螺旋槳時(shí)，如果有類似的槳存在，則可以基于現(xiàn)有類似的槳進(jìn)行相似設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，如果是設(shè)計(jì)全新的槳，沒(méi)有適當(dāng)?shù)膮⒖挤桨福绾未_定一個(gè)較合適的初步外形開展方案分析或優(yōu)化設(shè)計(jì)就需要適用的方法。目前的方法還不夠成熟。在現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)方法中，比較有代表性的方法是首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定槳盤直徑和輪轂比，然后根據(jù)動(dòng)量定理確定質(zhì)量流量，并結(jié)合自由渦流徑向載荷分布進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。這類方法的主要問(wèn)題是需要很多經(jīng)驗(yàn)才能確定槳葉直徑、輪轂比等關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)較少的人員使用起來(lái)不夠方便。1

涵道螺旋槳設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)中最重要的是動(dòng)量理論。動(dòng)量理論是由Rankine和R.E.Froude在19世紀(jì)提出的，以氣流通過(guò)槳盤的動(dòng)量和能量變化作為依據(jù)。動(dòng)量理論的基本假定如下：

（1）氣流是不可壓縮、無(wú)粘性的理想流體；

（2）將螺旋槳看作一個(gè)前進(jìn)的葉片數(shù)無(wú)限多的槳盤，氣流連續(xù)地通過(guò)槳盤，在槳盤上產(chǎn)生的拉力均勻分布，槳盤的前后存在壓差，但槳盤前后的軸向速度相等（不考慮槳盤的厚度）；

（3）動(dòng)量是均勻、軸對(duì)稱的，通過(guò)槳盤氣流無(wú)旋轉(zhuǎn)。

涵道螺旋槳的軸向流動(dòng)如右圖所示1。

涵道螺旋槳系統(tǒng)中的螺旋槳與軸流式風(fēng)機(jī)葉輪的工作情況類似。理論與工程實(shí)踐表明，以軸流風(fēng)機(jī)的葉素理論進(jìn)行槳葉的初步設(shè)計(jì)可以得到比較滿意的結(jié)果。若采用軸流風(fēng)機(jī)的葉素理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，需確定通過(guò)槳盤的流量與槳盤的壓力增量。

涵道螺旋槳的拉力由兩部分組成：一部分由螺旋槳產(chǎn)生，另一部分由涵道產(chǎn)生。通常情況下，這兩部分的拉力互相影響并且與涵道的形狀等參數(shù)密切相關(guān)，目前還沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法可以準(zhǔn)確確定上述拉力。但是，在初步設(shè)計(jì)階段，采用總拉力的75%由槳盤產(chǎn)生是一個(gè)較為合理的初值假設(shè)。1