螺旋桨
螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置。
春秋战国时期，中国人发明了一种玩具叫“竹蜻蜓”。竹蜻蜓是用竹片削成，叶片像螺旋桨。明朝时期，中国苏州巧匠徐正明，经过十多年的钻研，造出了一架直升飞机。1752年，瑞士物理学家雅各布·伯努利设计了具有双导程螺旋的推进器，安装在船尾舵的前方。1764年，瑞士数学家莱昂哈德·欧拉研究了能代替帆的其它推进器，如桨轮(明轮)，也包括了螺旋桨。1836年，英国的“阿基米德号”使用了螺旋推进器。1843年，美国海军建造了第一艘螺旋桨船“浦林西登”号，它是由舰长爱列松设计，在爱列松的积极推广下，美国相续建造了41艘民用螺旋桨船，最大的排水量达2000吨。1976年，Vassilopoulos将优化理论应用于螺旋桨设计领域，2008年9月在日本举行的第25届ITTC会议上，船舶推进委员会介绍了国际上船用螺旋桨研究的最新进展。
螺旋桨可分为调螺距螺旋桨、导管螺旋桨、串列螺旋桨、螺旋桨、对转螺旋桨等。船用螺旋桨工作原理是安装于船尾水线以下，由主机获得动力而旋转，将水推向船后，利用水的反作用力推船前进。螺旋桨具有构造简单、重量轻、效率高等特点。普通运输船舶有1到2个螺旋桨。推进功率大的船，可增加螺旋桨数目。大型快速客船有双桨至四桨。螺旋桨应用广泛，如飞机、轮船的推进器等。
简史
春秋战国时期，中国人发明了一种玩具叫“竹蜻蜓”。竹差翅亚目是用竹片削成，叶片像螺旋桨，中间插一根竹竿，用力一搓竹竿，叶片就会升起来，远看像一只蜻蜓。竹蜻蜓是我国古代一大发明，由于它的叶片像陀螺一样能高速旋转，所以当时称它为“中国陀螺”。明朝时期，中国苏州巧匠徐正明，就整天琢磨小孩玩的竹蜻蜓，想制造一个类似蜻蜓的直升飞机，并且想把人也带上天空。经过十多年的钻研，他造出了一架直升飞机。它有一个竹蜻蜓一样的螺旋桨，驾驶座像一把圈椅，依靠脚踏板通过转动机构来带动螺旋桨转动，试飞时候，它居然飞离地面一尺多高，还飞过一一条小河沟，然后落下来。到了明朝后期，竹蜻蜓的技术传到欧洲，并且在当时的法国科学院进行了表演。
1752年，瑞士物理学家伯努利第一次提出了螺旋桨比在它以前存在的各种推进器优越的报告，他设计了具有双导程螺旋的推进器，安装在船尾舵的前方。1764年，瑞士数学家莱昂哈德·欧拉研究了能代替帆的其它推进器，如桨轮(明轮)，也包括了螺旋桨。潜水器和潜艇在水面下活动，传统的桨、帆无法应用，笨重庞大的明轮也难适应。于是第一个手动螺旋桨，然而并不是用在船上，而是作为潜水器的推进工具。第一个实验动力驱动螺旋桨的是美国人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘7.6米长的小船，用蒸汽机直接驱动，在哈得逊河上做第一次实验航行，实验中发现发动机不行，于是换上瓦特蒸汽机，实验航速是4节，最高航速曾达到8节。斯蒂芬螺旋桨有4个风车式桨叶，锻制而成，和普通风车比较它增加了叶片的径向宽度，为在实验中能选择螺距与转速的较好配合，桨叶做成螺距可以调节的结构。在哈得逊河上两个星期的试验航行中，螺旋桨改变了几个螺距值，但是实验的结果都不理想，性能远不及明轮。这次实验使他明白，在蒸汽机这样低速的条件下，明轮的优越性得到了充分发挥，它的推进效率高于螺旋桨是必然的结论。
1836年，英国的“阿基米德号”使用了螺旋推进器，那是一个木制的长长的像螺丝钉的螺杆。开始试验时，它以每小时4海里的航速航行。突然，水中的障碍物碰断了螺杆，只剩了一小截。正当造船工程师史密斯急得不知所措时，这船却意外地加快了速度，达到每小时13海里。这事启发了造船工程师们，他们把长螺杆变成短螺杆，又把短螺杆变成叶片状，螺旋桨就这样诞生了。1843年，英国皇家海军在“雷特勒”号舰上，第一次以螺旋桨代替明轮，随后由斯密士设计了20艘螺旋桨舰，参加了对俄战争，斯密士成为著名人物。
1843年，美国海军建造了第一艘螺旋桨船“浦林西登”号，它是由舰长爱列松设计，在爱列松的积极推广下，美国相续建造了41艘民用螺旋桨船，最大的排水量达2000吨。到1858年，大东方号装有当时世界上最大的螺旋桨，它的直径有7.3米，重量达36吨，转速每分种50转，当时，推进器标准不再具有权威性，由于螺旋桨的推进效率接近明轮，而且它却具有许多明轮无法竞争的优点，明轮逐步在海船上消失。Vassilopoulos于1976年最先将优化理论应用于螺旋桨设计领域，作者利用优化理论分析了优化变量对设计目标及限制条件的敏感性，通过改进的升力线方法得到设计参数的参考范围，最终由升力面方法确定设计参数。2008年9月在日本举行的第25届ITTC会议上，船舶推进委员会介绍了国际上船用螺旋桨研究的最新进展，其中关于tip-rake及tip-plate的研究表明，在螺旋桨叶梢部采用适当的纵倾具有提高桨叶效率、抑制梢涡空泡、减小桨叶脉动压力的作用。
工作原理
螺旋桨是由一群翼面构建而成，因此它的做功原理与机翼相似。机翼是靠翼面的几何变化和入流的攻角，使流经翼面上下的流体有不同的速度，而由伯努利定律可知这速度的不同会造成翼面上下表面压力的不同，因而产生升力，翼面的升力在前进方向的分量就是螺旋桨的推力。
螺旋桨优化设计工作中，螺旋桨的几何表达与变形则是螺旋桨优化设计的前置条件可以称为最优化技术和螺旋桨水动力评估技术的链接器。螺旋桨曲面几何表达及变形技术的好坏将直接决定设计空间的大小，因此在保证参数化模型的精确性和普适性的同时，适当减少用到的参数数量以缩小搜索空间的维度是十分重要的。
对某个螺旋桨的某个剖面，剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化，拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角，J=V/nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明：螺旋桨的拉力(T)，克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式计算：
η=J·Ct/Cp
式中：Ct-拉力系数；Cp-功率系数；ρ-空气密度；n-螺旋桨转速；D-螺旋桨直径。其中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数，对每个螺旋桨其值随J变化。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。
几何参数
螺旋桨的直径
螺旋桨的直径是螺旋桨的核心尺寸，与螺旋桨的需用功率、额定转速、飞机的飞行包线等均有关系。在对螺旋桨进行理论分析时，由动量定理可得，对于轴向流动的理想螺旋桨，单位时间内气流通过螺旋桨桨盘动量的增量与螺旋桨的拉力大小相等、方向相反。
螺旋桨桨叶的片数
叶片的数量对螺旋桨的效率和重量有很大影响。对于功率给定的螺旋桨，增加一片桨叶意味着在尖端增加一个额外的三维损失源，增加了螺旋桨的桨尖损失。同时，所有螺旋桨桨叶的叶片载荷降低，每个叶片的吸收功率也随之下降。在桨叶的优化设计过程中，螺旋桨桨叶载荷减少后，可以随之减少其弦长，这意味着桨叶叶片的雷诺数下降和展弦比的增加。因此，当螺旋桨桨叶增加后，其气动效率的变化会随螺旋桨整体桨盘载荷的不同而有所不同。
螺旋桨的扭转分布
为了使螺旋桨在满足贝兹最优环量的基础上，在沿展向不同相对位置的各个截面都可以工作在高效率迎角区间内，需要基于螺旋桨的来流条件，对螺旋桨的扭转角进行优化设计。螺旋桨的入流角沿桨根到桨尖有着明显不同：当远场来流速度U∞较小时，螺旋桨入流角φ沿翼展方向的变化较小；随着U∞增加，入流角φ的变化范围亦随之增加。因此，对于不同的设计工况，螺旋桨桨根和桨尖的扭转角度之差也有所不同。螺旋桨高速飞行时，桨根与桨尖的螺旋桨入流角差异比低速飞行时更大，故而高速的螺旋桨需要设计更大的总扭转；类似的，低速飞行的螺旋桨则具有较小的总扭转。
螺旋桨的翼型
螺旋桨桨叶截面(叶素)的翼型形状是螺旋桨最关键的气动设计参数之一。叶素的翼型决定了当气流绕螺旋桨流动时的升阻比，并直接影响螺旋桨的效率。由于螺旋桨不同展向截面的速度由其旋转速度和来流速度叠加而成，因而螺旋桨在沿弦长方向不同截面位置上的相对速度差异较大。在螺旋桨桨根区域，流动速度较低，一般为马赫0~0.5：而在螺旋桨桨尖位置，流速可高达马赫数0.9以上，部分对转桨扇型号的桨尖速度甚至可以超过音速。
特点
船用螺旋桨一般来说，在同样的桨面直径，同样的螺距比情况下，螺旋桨的叶数越多，推力越好，推进效率越高。螺旋桨因具有构造简单、使用方便、效率等优点成为应用最广的船舶推进器。
分类
在普通螺旋桨的基础上，为了改善性能，更好地适应各种航行条件和充分利用主机功率，发展了以下几种特种螺旋桨。
可调螺距螺旋桨
简称调距桨，可按需要调节螺距，充分发挥主机功率；提高推进效率,船倒退时可不改变主机旋转方向。螺距是通过机械或液力操纵桨毂中的机构转动各桨叶来调节的。调距桨对于桨叶负荷变化的适应性较好，在拖船和渔船上应用较多。对于一般运输船舶，可使船-机-桨处于良好的匹配状态。
导管螺旋桨
在普通螺旋桨外缘加装一机翼形截面的圆形导管而成。此导管又称柯氏导管。导管与船体固接的称固定导管，导管被连接在转动的舵杆上兼起舵叶作用的称可转导管。导管可提高螺旋桨的推进效率，这是因为导管内部流速高、压力低,导管内外的压力差在管壁上形成了附加推力；导管和螺旋桨叶间的间隙很小,限制了桨叶尖的绕流损失；导管可以减少螺旋桨后的尾流收缩，使能量损失减少。但导管螺旋桨的倒车性能较差。固定导管螺旋桨使船舶回转直径增大，可转导管能改善船的回转性能。导管螺旋桨多用于推船。
串列螺旋桨
将两个或三个普通螺旋桨装于同一轴上，以相同速度同向转动。当螺旋桨直径受限制时，它可加大桨叶面积，吸收较大功率，对减振或避免空泡有利。串列螺旋桨重量较大，桨轴伸出较长，增加了布置及安装上的困难，应用较少。
对转螺旋桨
将两个普通螺旋桨一前一后分别装于同心的内外两轴上，以等速反方向旋转。因可减小尾流旋转损失，效率比单桨略高，但其轴系构造复杂，大船上还未应用。
发展
配套船舶使用的螺旋桨设计研究，在船舶技术发展的过程中比任何专业领域都做得多，未来螺旋桨产品也将遵循“节能现行，绿色引领”的新设计理念和发展方向。今后螺旋桨的发展应当以轻量化、节能降耗、减少环境污染、防腐蚀为主，根据不同的船舶使用工况和作用的需要，螺旋桨可以借鉴某些海洋动物皮肤等表面特性及身体特点进行设计和制造，以使其应用更适应未来绿色船舶工业。
飞机的螺旋桨包括两片或多片桨叶和安装桨叶的桨毂。按照螺旋桨的旋转方向，螺旋桨分为左旋和右旋两类。从驾驶室方向观察，左旋螺旋桨按逆时针方向旋转，右旋螺旋桨按顺时针方向旋转，绝大多数现代单引擎飞机的螺旋桨都是右旋的，例如塞斯纳172飞机。螺旋桨主要由桨毂、变距机构（调节器）和桨叶等组成。一架飞机上的桨叶数目根据发动机的功率而定，有2叶、3叶和4叶的，也有5叶、6叶的，一般桨叶数目越多吸收功率越大。有时在大功率涡轮螺旋桨飞机上还采用一种套轴式螺旋桨，它实际上是两个反向旋转的螺旋桨，可以抵消反作用扭矩。桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上，发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。桨叶包括前缘、后缘、桨(叶）根和桨(叶）尖。前缘是桨叶较厚的一侧，后缘是桨叶较薄的一侧；桨根是靠近螺旋桨中心较厚的部分；桨尖是桨叶距离桨毂最远的部分。
领域
船舶领域
螺旋桨是船舶的主要推进方式之一，螺旋桨通常布置于船舶部，主要由桨叶和桨毂两部分构成。由于船舶在水中运动时，会受到来自水和空气的总阻力，螺旋桨的作用力与水流情况密切有关，依靠拨水向后来产生推力，从而推动船舶前进运动。螺旋桨与船体和主机构成一个复杂的联动机构，船体是能量的需求者，螺旋桨是能量的转换器，主机是能量的发生器，这三者之间的工作状态及能量转换相互关联和牵制。
飞机领域
螺旋桨在飞机领域也有广泛的应用。螺旋桨飞机，是指用空气螺旋桨将发动机的功率转化为推进力的飞机，其工作原理是：发动机做功驱动螺旋桨，通过螺旋桨的旋转产生推力推动飞机向前运动，依靠飞机固定翼产生的升力使得飞机升空。螺旋桨飞机是固定翼飞机的一种。
参考资料
不同船用螺旋桨.四川科技馆.2023-12-10
阿基米德教你如何让水“从低处往高处流”.中国科学院高能物理研究所.2023-12-10
螺旋桨是什么时候发明的.镇江中兴船用设备有限公司.2023-12-10