氣力推進(jìn)艇螺旋槳靜態(tài)推力測試及影響因素分析

張民安　儲江偉　李洪亮　詹長書　袁善坤

摘 要：為對氣力推進(jìn)艇用螺旋槳的選用及動力系統(tǒng)的匹配提供參考，需要了解氣力推進(jìn)艇用螺旋槳推力的影響因素。本文采用靜態(tài)推力試驗與理論分析相結(jié)合的方法，在構(gòu)建氣力推進(jìn)艇螺旋槳靜態(tài)推力測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對兩種類型的螺旋槳在不同參數(shù)條件下進(jìn)行靜態(tài)推力測試；分析螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺距角度、槳葉數(shù)對靜態(tài)推力的影響。結(jié)果表明：安裝角越大，螺旋槳推力越大，對應(yīng)螺距角的推力隨轉(zhuǎn)速的增長速度變快；轉(zhuǎn)速越高，推力上升越快；3槳葉推力大于2槳葉推力，但在低轉(zhuǎn)速下差距不明顯；在螺旋槳轉(zhuǎn)速，槳葉數(shù)與螺距角都相同時，寬厚型螺旋槳推力特性優(yōu)于窄薄型螺旋槳。

關(guān)鍵詞：氣力推進(jìn)艇；螺旋槳；推力測試；影響因素

中圖分類號：U662.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

氣力推進(jìn)艇是把發(fā)動機(jī)的動力轉(zhuǎn)化為螺旋槳推進(jìn)力的一種交通工具，它研究的是如何彌補(bǔ)常規(guī)船只不能在淺海、沼澤、冰面和濕地等特殊區(qū)域行駛的缺點(diǎn)，以擴(kuò)大船只在運(yùn)輸中的作用。在歐美的許多國家，其設(shè)計、制造和應(yīng)用都有著廣泛的基礎(chǔ)，特別適用于濕地區(qū)域的旅游觀光、生態(tài)勘察、環(huán)保執(zhí)法、救災(zāi)救援以及運(yùn)輸作業(yè)等多個方面[1-3]。盡管空氣動力艇產(chǎn)業(yè)在國外的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，但在我國無論生產(chǎn)和使用都是一片空白[4]。氣力推進(jìn)艇螺旋槳的靜態(tài)推力是在氣力推進(jìn)艇不動的條件下，測試的螺旋槳產(chǎn)生的推力[5]。本文主要是以氣力推進(jìn)艇螺旋槳靜態(tài)推力測試為基礎(chǔ)，分析螺旋槳轉(zhuǎn)速、螺距角、槳葉數(shù)對螺旋槳推力的影響，從而為氣力推進(jìn)艇螺旋槳的選用及動力系統(tǒng)匹配提供參考。

1 螺旋槳靜態(tài)推力測試

1.1 測試系統(tǒng)

氣力推進(jìn)艇螺旋槳的靜態(tài)推力測試系統(tǒng)由氣力推進(jìn)艇樣機(jī)、電子拉力計、風(fēng)速儀、聯(lián)接鋼絲繩、滾杠及固定樁等構(gòu)成靜態(tài)推力測試系統(tǒng)，如圖1所示。氣力推進(jìn)艇樣機(jī)選用4G63S4T增壓汽油發(fā)動機(jī)為動力，其最大功率為130 kw/5 000 r/min，最大轉(zhuǎn)矩253 Nm/2 500 r/min。

試驗中為了減小地面摩擦力對試驗準(zhǔn)確性的影響，將船體下方加上兩個滾杠，使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。試驗時，將滾杠放置在光滑、平整的地面上；鋼絲繩處于預(yù)緊狀態(tài)，且應(yīng)使拉力計、鋼絲繩和船尾連接點(diǎn)處于同一水平面。并在系統(tǒng)尾部加裝風(fēng)速儀以測量風(fēng)速。

1.2 測試用槳葉及主要參數(shù)

本文選用兩種型號的螺旋槳槳葉進(jìn)行靜態(tài)推力試驗，如圖2所示。

兩螺旋槳槳葉半徑均為91 cm，其各半徑位置的弦長c和厚度h，見表1和表2。

在安裝螺旋槳槳葉時，根據(jù)螺旋槳槳葉安裝柄上的零升面標(biāo)線和聯(lián)接槳轂上螺距角刻度線，按測試要求調(diào)節(jié)安裝角度，如圖3所示。表中R表示螺旋槳旋轉(zhuǎn)面半徑，即轉(zhuǎn)轂中心與槳葉尾端距離。

2 螺旋槳靜態(tài)推力測試結(jié)果

2.1 寬厚型螺旋槳

（1）寬厚型3槳葉螺旋槳在螺距角分別為時5°、10°、15°、20°時，靜態(tài)推力測試結(jié)果，見表3。

（2）寬厚型2槳葉螺旋槳。在螺距角分別為時10°、15°時，靜態(tài)推力測試結(jié)果，見表4所示。

2.2 窄薄型螺旋槳

在螺距角分別為時20°、30°時，窄薄型3槳葉螺旋槳靜態(tài)推力測試結(jié)果，見表5。

3 螺旋槳推力影響因素分析

3.1 理論分析推力的影響因素

假設(shè)空氣在流動的過程中沒有摩擦，沒有黏滯性效應(yīng)，各個位置的空氣密度不變，則可以將螺旋槳看做是一個可穿透的風(fēng)力輪盤[6-7]。

在運(yùn)行過程中螺旋槳的作用是對流入的空氣做功使其加速流出，它將螺旋槳無窮遠(yuǎn)端的風(fēng)速 V0，提高到流出時的 V2。當(dāng)氣流逼近螺旋槳時，速度增加，壓強(qiáng)減小，在螺旋槳盤前壓強(qiáng)為 P0，氣流通過螺旋槳輪盤后壓強(qiáng)增加 ΔP，軸向速度增大為 V1；當(dāng)氣流接近滑流區(qū)，軸向速度進(jìn)一步增大為 V2，但壓強(qiáng)降至原來流壓強(qiáng) P（圖4）[8-9]。螺旋槳在上述條件下，其推力 F 的計算式[10-12]為

3.2 螺距角對推力的影響

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，3槳葉寬厚型螺旋槳安裝角不同時得出推力對比圖，如圖5所示。

為了分析螺距角對推力的影響，通過擬合曲線選取點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較計算分析，點(diǎn)坐標(biāo)及曲線比較，見表6。公式（3）對螺距角θ求導(dǎo)得

。 （4）

根據(jù)公式（3）與公式（4），調(diào)整角θ在0°-90°之間，可以得出推力隨著θ的增大而增大，并且隨著θ的增大，對應(yīng)螺旋角的推力隨轉(zhuǎn)速的增長速度變快。

圖6 安裝角不同時2槳葉寬厚型推力對比

Fig.6 Thrust comparison of wide 2 blades at different installation angles

根據(jù)表6得出的數(shù)據(jù)，與理論分析得出螺距角對推力的影響吻合，從而可以確定無論安裝角為多少，螺旋槳推力隨著轉(zhuǎn)速的增加有明顯的上升，都呈拋物線形，并且轉(zhuǎn)速越高，推力上升越快。圖6與圖7也同樣符合此規(guī)律。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，2槳葉寬厚型螺旋槳安裝角不同時得出推力對比圖，如圖6所示。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)，3槳葉窄薄類型螺旋槳安裝角不同時得出推力對比圖，如圖7所示。

3.3 槳葉數(shù)對推力的影響

根據(jù)表3、表4的數(shù)據(jù)，得出安裝角相同的寬厚型螺旋槳槳葉數(shù)不同的推力對比圖，如圖8所示。

根據(jù)公式（3）得3槳葉螺旋槳推力應(yīng)為2槳葉的3/2倍，但是，試驗獲得的不同槳葉數(shù)推力的增加幅度小于理論分析的增加幅度。這因為公式（3）并未考慮螺旋槳數(shù)目增多后，槳葉之間的相互擾動，前一個螺旋槳槳葉的繞流會影響下一個螺旋槳槳葉周圍的流場分布，所以檢測獲得的不同槳葉數(shù)推力的增加幅度減小。

由圖8分別對比擬合曲線在螺旋槳安裝角相同時，3槳葉時的推力大于2槳葉時的推力；在轉(zhuǎn)速為1600 r/min時15°曲線的推力同時趨近于700 N，同時對比各轉(zhuǎn)速下推力的差值變化，表明安裝角相同的兩曲線并未隨著轉(zhuǎn)速的增加而開口變大，說明轉(zhuǎn)速的增加也不會擴(kuò)大3槳葉推力與兩槳葉之間的差值。所以在確定螺旋槳槳葉數(shù)時，螺旋槳高轉(zhuǎn)速運(yùn)行應(yīng)盡量減少槳葉數(shù)。

3.4 兩種類型螺旋槳的推力對比

根據(jù)表4與表5的數(shù)據(jù)，得出相同安裝角、相同槳葉數(shù)的兩種類型螺旋槳的推力對比圖，如圖9所示。

根據(jù)表1與表2的對比，寬厚型螺旋槳的槳葉寬度、厚度、弦長均大于窄薄類型螺旋槳槳葉。在相同安裝角與相同槳葉數(shù)時，寬厚型螺旋槳推力明顯大于窄薄類型螺旋槳產(chǎn)生的推力，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加兩者的差值逐漸增大，并與理論分析得出的結(jié)果相同，體現(xiàn)出寬厚型螺旋槳推力特性優(yōu)于窄薄類型螺旋槳。

4 結(jié)論

本文針對兩種類型氣力推進(jìn)艇用螺旋槳進(jìn)行了靜態(tài)拉力試驗，得到了8組試驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)對比分析得出：安裝角越大，螺旋槳推力越大，對應(yīng)螺距角的推力隨轉(zhuǎn)速的增長速度變快；轉(zhuǎn)速越高，推力上升越快；3槳葉推力大于2槳葉推力，但在低轉(zhuǎn)速下沒有明顯差距；寬厚型螺旋槳推力特性優(yōu)于窄薄型螺旋槳。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]ABDULLAH M O， YEK P N Y， HAMDAN S， et al. An airboat for rural riverine transportation and mangrove marine environment applications[J]. International Journal of Research & Reviews in Applied Sciences， 2010， 2（3）：211-222.

[2]DUMMENT R. The use of airboat in ice and water rescue emergencies[J]. Fire Engineering， 2004， 157（3）：113-126.

[3]KAIZU Y， IIO M， YAMADA H， et al. Development of unmanned airboat for water-quality mapping[J]. Biosystems Engineering， 2011， 109（4）：338-347.

[4]詹長書，儲江偉，田廣東. 空氣動力艇的國內(nèi)外生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 森林工程，2013，29（2）：103-106.

ZHAN C S， CHU J W， TIAN G D. Production and application of airboat at home and abroad[J]. Forest Engineering， 2013， 29（2）：103-106.

[5]高峰，徐大平，呂躍剛.基于葉素理論的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪建模[J].現(xiàn)代電力，2007，24（6）：52-57.

GAO F， XU D P， LU Y G. Modeling of wind turbine rotor based on blade element theory[J]. Modern Electric Power， 2007，24（6）：52-57.

[6]段宏. 基于動量葉素理論的風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪建模仿真[D]. 北京：華北電力大學(xué)，2016.

DUAN H. Model and simulation of wind power generation base on blade element theory[D]. Beijing： North China Electric Power University， 2016.

[7]PHELAN J M. Airboat： U.S. Patent D427， 562[P]. 2000.

[8]孫玉偉，王東輝，向家濤，等.空氣動力艇回轉(zhuǎn)式推進(jìn)裝置的動力學(xué)特性[J].船舶工程，2017，39（11）：30-34.

SUN Y W， WANG D H， XIANG J T et al. Dynamic characteristics of rotary propulsion device for airboat[J]. Ship Engineering， 2017， 39（11）：30-34.

[9]徐靜.螺旋槳理論數(shù)值建模及螺旋槳滑流影響計算研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)， 2008.

Xu J.Numerical modeling of XU J. Numerical modeling of propeller theory and calculation of propeller slipstream effect[D]. Xian： Northwestern Polytechnical University， 2008.

[10]張悅，馮杰.淺談動量守恒定律的導(dǎo)出方式[J].物理通報，2016，24（10）：20-24.

ZHANG Y， FENG J. Taking about the derivation method on law of conservation of momentum[J]. Physics Bulletin， 2016，24（10）：20-24.

[11]王國龍，鄧云亮，羅興保，等.基于Arduino的小型空氣動力艇控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44（12）：29-32.

WANG G L， DENG Y L， LUO X B， et al. Design of the control system for small airboats based on Arduino[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2016， 44（12）：29-32.

[12]LOVE A. Air propeller[M]. Beijing： Higher Education Press， 1954.