气力推进艇螺旋桨静态推力测试及影响因素分析
张民安 储江伟 李洪亮 詹长书 袁善坤
摘 要：为对气力推进艇用螺旋桨的选用及动力系统的匹配提供参考，需要了解氣力推进艇用螺旋桨推力的影响因素。本文采用静态推力试验与理论分析相结合的方法，在构建气力推进艇螺旋桨静态推力测试系统的基础上，对两种类型的螺旋桨在不同参数条件下进行静态推力测试；分析螺旋桨转速、螺距角度、桨叶数对静态推力的影响。结果表明：安装角越大，螺旋桨推力越大，对应螺距角的推力随转速的增长速度变快；转速越高，推力上升越快；3桨叶推力大于2桨叶推力，但在低转速下差距不明显；在螺旋桨转速，桨叶数与螺距角都相同时，宽厚型螺旋桨推力特性优于窄薄型螺旋桨。
关键词：气力推进艇；螺旋桨；推力测试；影响因素
中图分类号：U662.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2018）05-0101-05
Abstract： In order to provide references for propeller selection and power system matching， it is necessary to understand the factors affecting propeller thrust. In this paper， a combination of static push test and theoretical analysis is adopted. On the basis of building a static thrust test system for airboat propeller， two types of propellers are tested under different parameters， and the effects of propeller speed， angle of pitch and number of blades on static thrust are analyzed. The results show that the greater the installation angle， the greater the propeller thrust， the faster the thrust of the pitch angle as the speed increases； the higher the speed， the faster the thrust rise； the thrust of the three blades is greater than the thrust of two blades， but the gap is not obvious at the low speed； at the same speed of propeller， the number of blades and pitch angles are all the same， the thrust characteristic of the wide type propeller is superior to the narrow type propeller.
Keywords： Airboat； propeller； propeller thrust； influencing factors
0 引言
气力推进艇是把发动机的动力转化为螺旋桨推进力的一种交通工具，它研究的是如何弥补常规船只不能在浅海、沼泽、冰面和湿地等特殊区域行驶的缺点，以扩大船只在运输中的作用。在欧美的许多国家，其设计、制造和应用都有着广泛的基础，特别适用于湿地区域的旅游观光、生态勘察、环保执法、救灾救援以及运输作业等多个方面[1-3]。尽管空气动力艇产业在国外的生产和应用已经非常成熟，但在我国无论生产和使用都是一片空白[4]。气力推进艇螺旋桨的静态推力是在气力推进艇不动的条件下，测试的螺旋桨产生的推力[5]。本文主要是以气力推进艇螺旋桨静态推力测试为基础，分析螺旋桨转速、螺距角、桨叶数对螺旋桨推力的影响，从而为气力推进艇螺旋桨的选用及动力系统匹配提供参考。
1 螺旋桨静态推力测试
1.1 测试系统
气力推进艇螺旋桨的静态推力测试系统由气力推进艇样机、电子拉力计、风速仪、联接钢丝绳、滚杠及固定桩等构成静态推力测试系统，如图1所示。气力推进艇样机选用4G63S4T增压汽油发动机为动力，其最大功率为130 kw/5 000 r/min，最大转矩253 Nm/2 500 r/min。
试验中为了减小地面摩擦力对试验准确性的影响，将船体下方加上两个滚杠，使滑动摩擦变为滚动摩擦。试验时，将滚杠放置在光滑、平整的地面上；钢丝绳处于预紧状态，且应使拉力计、钢丝绳和船尾连接点处于同一水平面。并在系统尾部加装风速仪以测量风速。
1.2 测试用桨叶及主要参数
本文选用两种型号的螺旋桨桨叶进行静态推力试验，如图2所示。
两螺旋桨桨叶半径均为91 cm，其各半径位置的弦长c和厚度h，见表1和表2。
在安装螺旋桨桨叶时，根据螺旋桨桨叶安装柄上的零升面标线和联接桨毂上螺距角刻度线，按测试要求调节安装角度，如图3所示。表中R表示螺旋桨旋转面半径，即转毂中心与桨叶尾端距离。
2 螺旋桨静态推力测试结果
2.1 宽厚型螺旋桨
（1）宽厚型3桨叶螺旋桨在螺距角分别为时5°、10°、15°、20°时，静态推力测试结果，见表3。
（2）宽厚型2桨叶螺旋桨。在螺距角分别为时10°、15°时，静态推力测试结果，见表4所示。
2.2 窄薄型螺旋桨
在螺距角分别为时20°、30°时，窄薄型3桨叶螺旋桨静态推力测试结果，见表5。
3 螺旋桨推力影响因素分析
3.1 理论分析推力的影响因素
假設空气在流动的过程中没有摩擦，没有黏滞性效应，各个位置的空气密度不变，则可以将螺旋桨看做是一个可穿透的风力轮盘[6-7]。
在运行过程中螺旋桨的作用是对流入的空气做功使其加速流出，它将螺旋桨无穷远端的风速 V0，提高到流出时的 V2。当气流逼近螺旋桨时，速度增加，压强减小，在螺旋桨盘前压强为 P0，气流通过螺旋桨轮盘后压强增加 ΔP，轴向速度增大为 V1；当气流接近滑流区，轴向速度进一步增大为 V2，但压强降至原来流压强 P（图4）[8-9]。螺旋桨在上述条件下，其推力 F 的计算式[10-12]为
3.2 螺距角对推力的影响
根据表3的数据，3桨叶宽厚型螺旋桨安装角不同时得出推力对比图，如图5所示。
为了分析螺距角对推力的影响，通过拟合曲线选取点坐标进行比较计算分析，点坐标及曲线比较，见表6。公式（3）对螺距角θ求导得
。 （4）
根据公式（3）与公式（4），调整角θ在0°-90°之间，可以得出推力随着θ的增大而增大，并且随着θ的增大，对应螺旋角的推力随转速的增长速度变快。
图6 安装角不同时2桨叶宽厚型推力对比
Fig.6 Thrust comparison of wide 2 blades at different installation angles
根据表6得出的数据，与理论分析得出螺距角对推力的影响吻合，从而可以确定无论安装角为多少，螺旋桨推力随着转速的增加有明显的上升，都呈抛物线形，并且转速越高，推力上升越快。图6与图7也同样符合此规律。
根据表4数据，2桨叶宽厚型螺旋桨安装角不同时得出推力对比图，如图6所示。
根据表5的数据，3桨叶窄薄类型螺旋桨安装角不同时得出推力对比图，如图7所示。
3.3 桨叶数对推力的影响
根据表3、表4的数据，得出安装角相同的宽厚型螺旋桨桨叶数不同的推力对比图，如图8所示。
根据公式（3）得3桨叶螺旋桨推力应为2桨叶的3/2倍，但是，试验获得的不同桨叶数推力的增加幅度小于理论分析的增加幅度。这因为公式（3）并未考虑螺旋桨数目增多后，桨叶之间的相互扰动，前一个螺旋桨桨叶的绕流会影响下一个螺旋桨桨叶周围的流场分布，所以检测获得的不同桨叶数推力的增加幅度减小。
由图8分别对比拟合曲线在螺旋桨安装角相同时，3桨叶时的推力大于2桨叶时的推力；在转速为1600 r/min时15°曲线的推力同时趋近于700 N，同时对比各转速下推力的差值变化，表明安装角相同的两曲线并未随着转速的增加而开口变大，说明转速的增加也不会扩大3桨叶推力与两桨叶之间的差值。所以在确定螺旋桨桨叶数时，螺旋桨高转速运行应尽量减少桨叶数。
3.4 两种类型螺旋桨的推力对比
根据表4与表5的数据，得出相同安装角、相同桨叶数的两种类型螺旋桨的推力对比图，如图9所示。
根据表1与表2的对比，宽厚型螺旋桨的桨叶宽度、厚度、弦长均大于窄薄类型螺旋桨桨叶。在相同安装角与相同桨叶数时，宽厚型螺旋桨推力明显大于窄薄类型螺旋桨产生的推力，并且随着转速的增加两者的差值逐渐增大，并与理论分析得出的结果相同，体现出宽厚型螺旋桨推力特性优于窄薄类型螺旋桨。
4 结论
本文针对两种类型气力推进艇用螺旋桨进行了静态拉力试验，得到了8组试验数据，通过数据对比分析得出：安装角越大，螺旋桨推力越大，对应螺距角的推力随转速的增长速度变快；转速越高，推力上升越快；3桨叶推力大于2桨叶推力，但在低转速下没有明显差距；宽厚型螺旋桨推力特性优于窄薄型螺旋桨。
【参 考 文 献】
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