一般的桨叶设计软件都会遵循一个最佳桨叶设计原则,只需要明确部分数据:
叶片的数量B流体的轴向速度v(飞行速度或船速)螺旋桨的直径D在半径范围翼型升力和阻力系数Cl和Cd的分配所期望的推力T或可用轴功率P介质的密度ρ
这些参数决定了叶片的几何形状。局部弦长c主要取决于升力系数Cl,如果想要更宽的叶片,需要选择一个较小的迎角,反之亦然。
叶片数量
叶片的数量对效率的影响很小。通常带有更多桨叶的螺旋桨会表现得稍微好一点,因为它的功率和推力更均匀地分布在尾流中。但对于一个给定的功率或推力,更多的叶片也意味着更窄的叶片和减少的弦长,所以在这里必须考虑实际的极限。弦的长度可以增加,同时减小直径以保持功率消耗不变,但在效率方面,直径的减少通常不是一个好选择。一般来说,最佳的效率随着叶片数量的增加而增加。
速度
输入流体的速度和旋转速度rpm决定了螺旋桨的螺距分布。转速的选择在螺旋桨设计中起着非常重要的作用。所选的转速必须与轴、船体和其他推进机械的共振频率不同。通常情况下,低RPM设计会使推进效率提高10%到15%。
直径
螺旋桨直径对性能有很大影响。通常一个较大的螺旋桨会有更高的效率,因为能捕捉到更多流体,并将能量分配给更大的流体体积。大直径的螺旋桨可以提高推进效率。轴的速度和螺旋桨的直径是密切相关的。在给定直径下,低的轴转速从效率角度看是非常有益的。然而,它会导致高轴扭矩。因此,在设计螺旋桨时必须找到平衡,以保证其性能。
叶片轮廓
叶片轮廓在推进效率上起着非常重要的作用。使用不同叶片区域的螺旋桨进行的研究和实验表明,叶片面积减小,效率提高。这是因为摩擦阻力随叶片面积增大而增大。螺旋桨的尖端必须保持较窄,以确保通过叶片的有效水流。
流体密度
液体的密度对螺旋桨的效率没有影响,但对其大小和形状有很大的影响。当力和功率与流体密度成正比时,水螺旋桨的尺寸要比在空气中工作的螺旋桨小得多。此外,当流场的局部压力低于蒸汽压力时,水面下的升力会产生空化现象。因此,在水柱中使用高扬程系数是不可能的,通常它们必须保持在Cl = 0.5以下。螺旋桨和电机的组合会根据流体密度产生不同的最佳效率点,所以飞机的螺旋桨在不同飞行高度的效率不同。
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