[科普中国]-涵道螺旋桨

涵道螺旋桨是指被涵道包围的螺旋桨系统，具有高的气动效率，并具有气动噪声低、安全性高等优点，已经被广泛用于轮船、特种飞行器、潜艇等军事及民用领域。

涵道螺旋桨工作时，气流连续不断从涵道入口通过螺旋桨，并在桨盘处加速增压后，以高速高压的状态流出涵道，并产生反作用推力。涵道螺旋桨的推力大小与通过桨盘的空气流量和涵道内外流速相关。

目前，涵道螺旋桨的设计方法主要有：叶素理论和片条理论法；利用升力线( 面) 和面元法耦合计算涵道螺旋桨的内部流场特性，预测涵道螺旋桨的定常与非定常性能以及基于动量源项法对涵道螺旋桨的流场进行CFD模拟与验证的方法等。

由于涵道与螺旋桨之间相互干扰的复杂性，涵道螺旋桨的设计通常需要较多经验与较长时间。在设计涵道螺旋桨时，如果有类似的桨存在，则可以基于现有类似的桨进行相似设计或优化设计。但是，如果是设计全新的桨，没有适当的参考方案，如何确定一个较合适的初步外形开展方案分析或优化设计就需要适用的方法。目前的方法还不够成熟。在现有工程设计方法中，比较有代表性的方法是首先根据经验假定桨盘直径和轮毂比，然后根据动量定理确定质量流量，并结合自由涡流径向载荷分布进行方案设计。这类方法的主要问题是需要很多经验才能确定桨叶直径、轮毂比等关键参数，设计经验较少的人员使用起来不够方便。1

涵道螺旋桨设计理论基础中最重要的是动量理论。动量理论是由Rankine和R.E.Froude在19世纪提出的，以气流通过桨盘的动量和能量变化作为依据。动量理论的基本假定如下：

（1）气流是不可压缩、无粘性的理想流体；

（2）将螺旋桨看作一个前进的叶片数无限多的桨盘，气流连续地通过桨盘，在桨盘上产生的拉力均匀分布，桨盘的前后存在压差，但桨盘前后的轴向速度相等（不考虑桨盘的厚度）；

（3）动量是均匀、轴对称的，通过桨盘气流无旋转。

涵道螺旋桨的轴向流动如右图所示1。

涵道螺旋桨系统中的螺旋桨与轴流式风机叶轮的工作情况类似。理论与工程实践表明，以轴流风机的叶素理论进行桨叶的初步设计可以得到比较满意的结果。若采用轴流风机的叶素理论进行设计，需确定通过桨盘的流量与桨盘的压力增量。

涵道螺旋桨的拉力由两部分组成：一部分由螺旋桨产生，另一部分由涵道产生。通常情况下，这两部分的拉力互相影响并且与涵道的形状等参数密切相关，目前还没有一个简单的办法可以准确确定上述拉力。但是，在初步设计阶段，采用总拉力的75%由桨盘产生是一个较为合理的初值假设。1