本發(fā)明涉及艦船和飛機螺旋槳推進器。

在否定世界通用的螺旋槳敞水模型試驗理論和模型圖譜設(shè)計的過程中，本發(fā)明人科學研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)槳葉低r區(qū)段設(shè)置條輻，可以大幅度提高螺旋槳性能。于是1996年6月6日申請了發(fā)明專利，名稱：一種有條輻的螺旋槳。發(fā)明專利號96108801.x。發(fā)現(xiàn)和發(fā)明螺旋槳條輻，是螺旋槳理論和結(jié)構(gòu)上的重大進步。可惜的是，發(fā)明人未在說明書中對條輻機理作出分析，對條輻的技術(shù)參數(shù)進行公開。沒有對因條輻出現(xiàn)而引出的新型槳葉進行分析和參數(shù)公開。結(jié)果那個發(fā)明專利因發(fā)明要素公開不充分而看不懂。

從那以后發(fā)明人又研究了20年，這才認識到，一個發(fā)明不能只停留在概念上，還必須理論化、數(shù)字化、精準定位。本發(fā)明條輻葉螺旋槳數(shù)學模型中的條輻，是新型槳葉與槳轂間的強度連接構(gòu)件。理論上條輻徑向長度是0.7070r，有螺距和螺旋面，可掏減阻孔，條輻構(gòu)成條輻球，完成運動轉(zhuǎn)換功能。條輻連接的槳葉，徑向分布在0.2929r區(qū)間，主視圖上，其導邊和隨邊都是直線段，槳葉底和槳葉梢都為圓弧段。槳葉有螺距有螺旋面。條輻與槳葉組成的條輻葉結(jié)構(gòu)，構(gòu)成條輻葉螺旋槳發(fā)明。用該結(jié)構(gòu)承載足夠多的發(fā)明要素數(shù)字，則該結(jié)構(gòu)就是條輻葉螺旋槳數(shù)學模型。

1、條輻葉螺旋槳數(shù)學模型制圖(以3葉槳為例)。

1.1以槳盤面中心為極點0，標注在圖1主視圖亦極座標圖上，并在圖2上建立0-k1水平軸線，1.2過0和k1作垂線并量取0.7070r和r，作相應(yīng)等高水平線。圖2上有交點a1和b1。1.3以0為圓心畫0.7070r弧和r弧。1.4在圖1上作極軸oe，交圓弧于a和b。1.5將極軸oe順時針旋轉(zhuǎn)35°極角(解釋在后)到of，交圓弧于d和c。于是，圖1極座標圖形aod就是條輻①的正投影。3葉槳條輻圓心角為35°，oa為條輻導邊，od為條輻隨邊，條輻①徑向理論長度是0.7070r，包括槳轂半徑r。條輻有螺距，圖3中ad剖面螺距角是45°，從該剖面至槳轂，可以等螺距亦可變螺距。于是圖1中極座標圖形abcd，就是槳葉②的正投影。ab直線段是導邊，dc直線段是隨邊。槳葉所對圓心角是35°，所以槳葉底邊弧長ad＝2π×0.7070r×35÷360＝0.1374πr。槳葉梢邊bc＝2πr×35÷360＝0.194πr。導邊與隨邊的徑向長度是0.2929r。槳葉②葉面為螺旋面，槳葉底邊ad剖面有螺距角45°，槳葉梢邊bc剖面有螺距角35°，如圖3。條輻①與槳葉②構(gòu)成條輻葉結(jié)構(gòu)，其正投影就是oabcd扇形圖形。1.6將圖1中ad弧拉直，投影到圖2，就是a1d1，即a1d1＝adtg45＝0.4318r，同樣b1c1是bc的側(cè)投影，b1c1＝tg35°×bc＝0.4317r。即主視圖上不等弧長ad與bc，在側(cè)視圖上是相等的直線段。k1k2＝a1d1＝b1c1＝0.4318r。于是k1k2d1a1是條輻①的側(cè)投影圖形。該圖形面積較大，為減小旋轉(zhuǎn)阻力，可以沿徑向掏減阻孔③兩個形成3根條輻。條輻可以是1-3根或多根或網(wǎng)狀，能掏孔減阻又保證連接結(jié)構(gòu)強度即好。條輻側(cè)投影圖上方矩形a1b1c1d1圖是槳葉②的側(cè)投影。圖中a1b1是導邊，d1c1是隨邊，高度是徑向長度0.2929r。該圖形面積aj＝0.4318r×0.2929r＝0.1265r²，aj是槳葉計算的有效面積。槳葉正投比側(cè)投影圖形大，這是因為以0.7070r為半徑的條輻球沿軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生弧長2π(0.7070r)與沿軸線滾動產(chǎn)生進距2π(0.7070r)是等效的，即側(cè)視圖中的a1d1線段與主視圖中ad長相等。而槳葉是不產(chǎn)生進距進速的，在旋轉(zhuǎn)過程中槳葉沿軸向后退，于是bc弧經(jīng)tg35°角轉(zhuǎn)換，實際長度就是0.4318r了。在本文2.4中還會講到這個問題。

下面附圖說明.

圖1是條輻葉螺旋槳數(shù)學模型的主視圖。

圖2是條輻葉螺旋槳數(shù)學模型的側(cè)視圖。

圖3是0.7070r與1r剖面螺距三角形。

2、條輻葉螺旋槳數(shù)學模型效率分析。

2.1徑向效率。

條輻除保證結(jié)構(gòu)連接強度、沒有升力、最小阻力外，它的運動性能就是產(chǎn)生進速。條輻轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的圓周長是2π(0.7070r)，螺距角45°，如圖3中ad剖面，所以圖2中的進距也是2π(0.7070r)，條輻的運動效率是1。相當于以條輻長0.7070r為半徑的一個球，既繞軸轉(zhuǎn)動又沿軸線滾動，在互相垂直的兩個平面內(nèi)留下相同的圓周運動軌跡。這個球把它叫條輻球，槳葉可視為安裝在條輻球面上。條輻球是條輻葉螺旋槳數(shù)學模型中的重大科學發(fā)現(xiàn)。槳葉是沒有進速的，每轉(zhuǎn)一圈，槳葉產(chǎn)生0.2929r的退距。于是，對螺旋槳半徑r，它產(chǎn)生的有效進距是2π(0.7070r)，徑向正效率為2π(0.7070r)÷2πr＝0.7070，徑向負效率為槳葉退距0.2929r÷r＝0.2929。

傳統(tǒng)螺旋槳理論在模型試驗的感性誤識中沒有發(fā)現(xiàn)螺旋槳進速原理和條輻結(jié)構(gòu)，以為槳葉沿徑向滿分布能取得最大槳葉面積從而得到最大推力，殊不知螺旋槳有了進速后，小r區(qū)段的槳葉會被淹沒，不僅不產(chǎn)生升力，而且旋轉(zhuǎn)阻力加大使進速受阻。光講力的大小是片面的。好比一個人的力可以推動靜靠碼頭的萬噸巨輪，但大力士也不可能加速正在飛行中的小鳥。所以評價力的大小時還要講進速。傳統(tǒng)螺旋槳葉只有一個單一的力結(jié)構(gòu)是錯誤的。條輻葉結(jié)構(gòu)是進速結(jié)構(gòu)與力結(jié)構(gòu)的組合，是螺旋槳科學理論上的重大發(fā)現(xiàn)與發(fā)明。

2.2盤面效率

設(shè)一個只有介質(zhì)存在沒有物件分布的盤面，那么它的介質(zhì)分布效率就是1。槳葉置于盤面中，槳葉投影面上介質(zhì)分布為零，槳葉存在引起盤面效率下降。傳統(tǒng)理論中有盤面比，是槳葉總面積與盤面的比。水力槳葉肥闊，盤面比大；空氣槳直徑大，槳葉窄，盤面比小。如果盤面比大的效率高，那就應(yīng)該是水力槳。如果是盤面比小的效率高，那就應(yīng)該是空氣槳。實際上，傳統(tǒng)理論沒有找到最佳比值，導致兩種螺旋槳都是低效率的。其實就好比吃飯，不能說吃多好，吃少好，而是某個量剛剛好。真理是唯一的，真理就是剛剛好，不足或過了，都是對真理的偏離。本發(fā)明人科研發(fā)現(xiàn)，槳葉總分布允許和可以占據(jù)圓心角105°，本例3葉槳作圖極角就是35°，槳葉未占據(jù)的盤面圓心角即為效率值。于是盤面負效率是105°÷360°＝0.2929，是槳葉分布引起。

盤面正效率是(360°-105°)÷360°＝0.7070。

2.3周向效率。

槳葉分布對應(yīng)的圓心角是105°，占圓周角0.2929，那么極座標槳葉投影圖1中的槳葉底邊總弧長，與槳葉梢邊總弧長，都分別為該圓周長的0.2929，即槳葉底邊總弧長是2π(0.7070r)×105÷360＝0.4124πr，取3葉，每葉為0.1375πr。槳葉梢總弧長是2πr×105÷360＝0.5833πr，取3葉，每葉為0.1944πr。那么周向負效率就是槳葉分布占用的弧長比，允許和只能是0.2929，周向正效率就是未被槳葉分布占去的弧長比，允許和只能是0.7070。于是看出，傳統(tǒng)水力槳葉占用弧長超標，造成周向效率下降，而空氣槳未占滿標準，結(jié)果是周向效率高而導致槳葉效率低下。

2.4槳葉效率。

槳葉側(cè)投影a1b1c1d1面積是由條輻有效進距0.4318r決定的，所以該面積為槳葉實際有效面積。因為是標準長方形，計算簡單精確，aj＝0.4318r×0.2929r＝0.1265r²(葉)。

圖1極座標投影槳葉面積ap要大些。bc弧長＝35÷360×2πr＝0.1944πr，ad弧長＝2πr×0.7070×35÷360＝0.1375πr，弧長差＝0.0569πr，面積af＝0.5×0.0569πr×0.2929r(三角形面積)＝0.026r²，那ap＝aj+af＝0.1526r²。

因為槳葉沒有進距只有退距，面積af是軸向后退運動面，正葉面向后推動介質(zhì)，效率為+0.5；葉背產(chǎn)生負壓吸動介質(zhì)跟隨，背面積也是af，效率為-0.5?？傂嗜~面為2af，總效率為0。設(shè)a0為理論極座標投影葉面，有a0＝ap+af＝0.1786r²，于是槳葉負效率是2af÷a0＝0.0262r²×2÷0.1789r²＝0.2929。槳葉正效率是ap÷a0＝0.1265r²÷0.1789r²＝0.7070。

綜上分析看到，條輻葉螺旋槳數(shù)學模型是徑向效率系統(tǒng)，盤面效率系統(tǒng)，周向效率系統(tǒng)，槳葉效率系統(tǒng)建構(gòu)的科學模型。該模型中的任何參數(shù)都是科學數(shù)字，是唯一的真理，是不能改動的。就因為該模型中不存在效率數(shù)字外的能量損耗，所以該模型所表述的條輻葉螺旋槳，具有超低噪聲特性，這對軍艦軍機意義重大。

3、條輻葉螺旋槳數(shù)據(jù)計算

3.1進距。一個極角35°，條輻葉進距是0.4318r。條輻球進距是1.414πr。3.2進速。設(shè)轉(zhuǎn)速n(轉(zhuǎn)/秒)，進速va＝1.414nπr。3.3槳葉進流與出流長度。導邊a點進流長度是2π(0.7070r)÷3葉＝1.4807r。導邊b點進流長度是2πr×0.7070÷3葉＝1.4807r。隨邊d點出流長度是tg45°轉(zhuǎn)換，亦是1.4804r。隨邊c點出流長度是1.4807r(進流長度)×tg35°＝1.0468r。這個數(shù)怎么不同于前面3個數(shù)呢？原因是槳葉沒有進距，而是產(chǎn)生0.2929r退距(實際的即有效的)，設(shè)槳葉效率0.7070，那么產(chǎn)生0.2929r退距的水流長度是0.2929r÷0.7070＝0.4143r，b點實際去流長度＝1.0468r+0.4142r＝1.4611r。不計小數(shù)點2位后誤差，那么，槳葉c點出流長度與槳葉d點出流長度相等。乘以轉(zhuǎn)速n即為速度，那就是槳葉導邊進流速度與槳葉隨邊出流速度相等。速度相等，說明槳葉上介質(zhì)動力是均布的。這為槳葉推力計算提供了理論基礎(chǔ)。

4、條輻葉螺旋槳有效推力和有效功率計算。

已知槳葉(單葉)面積aj＝0.1265r²，進速vj＝1.4807rn，出速vc＝1.4807rn，葉數(shù)為z，那么有效推力

t＝ρaj·vj·vc·z＝0.2739ρzn²r⁴＝0.8319ρn²r⁴

有效推力是半徑的4次方！這是條輻葉螺旋槳數(shù)學模型給出的一重大發(fā)現(xiàn)！

設(shè)r＝1米，轉(zhuǎn)速n＝5，計算進速va＝1.414πr×5＝22m/s，即時速43節(jié)！此時的有效推力t＝20797kg，這正是航母需要的螺旋槳。

有效功率等于有效推力乘以進速，于是

pe＝tva＝20797×22＝457534(kgf/s)

5、條輻葉螺旋槳數(shù)學模型的發(fā)明意義。

5.1該數(shù)學模型是在否定傳統(tǒng)螺旋槳模型試驗的科研過程中發(fā)現(xiàn)的，所以不能用敞水模型測試方法去驗證。5.2該數(shù)學模型是螺旋槳科學模型，真理是唯一的，該數(shù)學模型是唯一的。5.3該數(shù)學模型統(tǒng)一了所有水力螺旋槳推進器。5.4該數(shù)學模型統(tǒng)一了所有空氣螺旋槳推進器。5.5如果不要推力要轉(zhuǎn)矩，該數(shù)學模型是高性能風機或水輪。5.6如果不要進速要流速，把該數(shù)學模型裝進管道，就是高性能軸流泵或軸流泵推進器。