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螺旋槳運動原理的歷史演變

1槳輪的作用原理如果船舶在水面或水中行駛,它們將受到影響,其大小與船舶的大小、形狀和航行速度有關(guān)。為了使船舶保持一定的速度向前航行,必須供給船舶一定的推力(或拉力),以克服其所受的阻力。船舶推進器是推動船舶前進的機構(gòu),它是把自然力、人力或機械能轉(zhuǎn)換成船舶推力的能量轉(zhuǎn)換器。船舶推進器的發(fā)展進程與人類對能源的利用關(guān)系緊密,可分為(1)人力:槳、篙、櫓、拉纖、槳輪等;(2)畜力:拉纖等;(3)風力:帆、旋筒推進器;(4)機械動力:明輪、螺旋槳、直葉推進器、噴水推進器等。其中應用最廣的是螺旋槳(如圖1所示)。螺旋槳,以最少數(shù)量的構(gòu)件、最高的推進效率推動船舶航行,它是造船業(yè)幾代人勞動創(chuàng)造的結(jié)晶。有關(guān)螺旋槳的歷史可上溯至《天工開物》中的記載,黃帝大戰(zhàn)蚩尤時的戰(zhàn)車上就有這種裝置。唐代李皋在戰(zhàn)船的舷側(cè)或尾部裝置了人力槳輪,稱為“槳輪船”或“車輪船”(這是后代“輪船”名詞的由來)。宋代水軍則稱它為“車輪軻”,記載中描述它有“以輪激水,其行如飛”的能力。據(jù)西方歷史記載,是阿基米德首先提出螺旋槳的概念,達文西則在15世紀末繪出了螺旋槳的草圖。在美國,富爾頓發(fā)明蒸氣船后,初始是利用明輪,到了大約1850年,螺旋槳就成為產(chǎn)生船艦推力的主要裝置。船用螺旋槳工作原理可以從兩種不同的觀點來解釋,一種是動量的變化,另一種則是壓力的變化。在動量變化的觀點上,簡單地說,就是螺旋槳藉由加速通過的水,造成水動量增加,產(chǎn)生反作用力而推動船舶。由于動量是質(zhì)量與速度的乘積,因此不同的質(zhì)量配合上不同的速度變化,可以造成不同程度的動量變化。另一方面,由壓力變化的觀點可以更清楚地說明螺旋槳作動的原理。螺旋槳是由一群翼面構(gòu)建而成,因此它的作動原理與機翼相似。機翼是靠翼面的幾何變化與入流的攻角,使流經(jīng)翼面上下的流體有不同的速度,且由伯努利定律可知速度的不同會造成翼面上下表面壓力的不同,因而產(chǎn)生升力。而構(gòu)成螺旋槳葉片的翼面,它的運動是由螺旋槳的前進與旋轉(zhuǎn)所合成的。若不考慮流體與表面間摩擦力的影響,翼面的升力在前進方向的分量就是螺旋槳的推力,而在旋轉(zhuǎn)方向的分量就是船舶主機須克服的轉(zhuǎn)矩力。2特殊螺旋泵在螺旋槳的發(fā)展過程中,根據(jù)不同船舶工作條件的要求,一些特種螺旋槳在普通螺旋槳的基礎(chǔ)上應運而生。2.1槳葉旋轉(zhuǎn)控制裝置簡稱調(diào)距槳,可按需要調(diào)節(jié)螺距,充分發(fā)揮主機功率;提高推進效率,船倒退時可不改變主機旋轉(zhuǎn)方向。螺距是通過機械或液力操縱槳轂中的機構(gòu)轉(zhuǎn)動各槳葉來調(diào)節(jié)的。調(diào)距槳對于槳葉負荷變化的適應性較好,在拖船和漁船上應用較多。在正常操作條件下,其效率要比普通螺旋槳低,而且價格昂貴,維修保養(yǎng)復雜。2.2固定導管槳葉的進效率在普通螺旋槳外緣加裝一機翼形截面的圓形導管而成??煞譃楣潭▽Ч芎涂赊D(zhuǎn)導管。導管可提高螺旋槳的推進效率,這是因為導管內(nèi)部流速高、壓力低,導管內(nèi)外的壓力差在管壁上形成了附加推力;導管和螺旋槳葉間的間隙很小,限制了槳葉尖的繞流損失;導管可以減少螺旋槳后的尾流收縮,使能量損失減少。但導管螺旋槳的倒車性能較差。固定導管螺旋槳使船舶回轉(zhuǎn)直徑增大,可轉(zhuǎn)導管能改善船的回轉(zhuǎn)性能。多用于推船。2.3旋槳直徑受限制將兩個或三個普通螺旋槳裝于同一軸上,以相同速度同向轉(zhuǎn)動。當螺旋槳直徑受限制時,它可加大槳葉面積,吸收較大功率,對減振或避免空泡有利。串列螺旋槳重量較大,槳軸伸出較長,增加了布置及安裝上的困難,多用于拖船、漁船、淺水急流的內(nèi)河船及沿??拓洿?.4等速反方向旋轉(zhuǎn)又稱雙反轉(zhuǎn)螺旋槳,將兩個普通螺旋槳一前一后分別裝于同心的內(nèi)外兩軸上,以等速反方向旋轉(zhuǎn)。因可減小尾流旋轉(zhuǎn)損失,效率比單槳略高,但其軸系構(gòu)造復雜,大船上還未應用,多用于魚雷和潛艇。2.5大側(cè)斜螺釘是一種參螺旋槳的側(cè)斜程度與螺旋槳葉數(shù)有關(guān),一般采用百分比來衡量側(cè)斜程度,即側(cè)斜角與360/n(n為槳葉數(shù))的百分比,此百分比超過50%可以稱為大側(cè)斜螺旋槳。因此,4、5、7葉槳的傾側(cè)角分別大于45°、36°、26°時才可以稱為大側(cè)斜。大側(cè)斜螺旋槳較普通螺旋槳有如下優(yōu)點:(1)減小螺旋槳不定常軸承力和力矩;(2)減小螺旋槳不定常表面力;(3)減小螺旋槳運轉(zhuǎn)于不均勻伴流場中時空泡的敏感性。3幾種新發(fā)動機為了滿足各類新型船舶和節(jié)能船舶需要,幾種新型螺旋槳相繼問世,形成了對傳統(tǒng)螺旋槳結(jié)構(gòu)設計的突破。3.1螺旋破水效率比常規(guī)型螺釘更強葉梢?guī)Ф税迓菪龢?又稱為葉梢收縮與承載螺旋槳,簡稱CLT槳(如圖2所示)。這種螺旋槳的特點是:葉梢端板阻止了葉梢切面的橫向繞流,增大了推力,減少了尾流的誘導能量損失。因而破水效率比常規(guī)型螺旋槳提高。當然,寬葉梢和端板本身也增加粘性阻力,消耗能量,因此只有在端板槳的收益高于其損耗的情況下,這種螺旋槳才能收到節(jié)能效果。3.2槳葉的加速性Arneson驅(qū)動裝置是當今世界上效率最高的推進系統(tǒng)之一,其表面槳葉片設計與常規(guī)浸沒式螺旋槳相比,可減少50%的水下阻力。當船航行時,只有槳葉和尾鰭的表面觸水,因此產(chǎn)生高速,有良好的加速性和效率。10~70m的高速船是最能體現(xiàn)它的優(yōu)異性的船舶。3.3槳葉的基本特性“殼形螺旋槳”是由華南理工大學周漢仁副教授研制設計,與番禺市遠航螺旋槳制造有限公司共同合作開發(fā)的新型高效節(jié)能型螺旋槳。殼形槳槳形特殊,形狀似海生物“蚌殼”(如圖3所示),其性能特點是在保證航速和同等條件下,比普通螺旋槳船的拖力相應增加10%~20%,所以特別適用于拖船、拖網(wǎng)漁船。殼形槳高效的原理在于其特殊的槳形——以雙向內(nèi)凹的曲面取代普通槳的螺旋面的葉面。內(nèi)凹的葉切面可減少螺距,使高速自航時葉切面攻角接近于零,低速拖航時攻角相對減少,在不同工況下,葉切面阻力均有所下降,使效率提高。3.4槳葉的半閉合狀態(tài)自重構(gòu)變形槳葉就是利用變形自適應機構(gòu)原理設計的一種平面活頁式的葉片,即自動開閉式槳葉(如圖4所示)。在槳葉的自重構(gòu)變形條件下,實現(xiàn)推進力的最大化和水的阻力的最小化。①當槳葉劃至0°~90°時,槳葉在其自身重力克服水阻力作用下由完全閉合狀態(tài)逐步過渡到半展開狀態(tài);②90°~180°時,槳葉在其自身重力、平衡錘的離心力作以及撥叉器的作用下將自動完全展開,使槳葉最大面積地與水接觸,產(chǎn)生強大的推進力;③180°~270°時,槳葉在其自身重力和水阻力作用下由完全展開狀態(tài)逐步過渡到半閉合狀態(tài)。④270°~360°(0°)時,槳葉在水的阻力以及叉形控制器的反作用力下將由半閉合狀態(tài)逐步過渡到完全閉合狀態(tài),減少船舶行駛時水的阻力,從而提高了推進效率。3.5同一軸線上的物理連接過去幾年中,吊艙式推進裝置的應用取得了突破性進展。就是將一個可操縱的吊艙模塊安裝在標準螺旋槳之后,兩槳布置在同一軸線上,沒有任何物理連接,結(jié)構(gòu)見圖5。它的主要優(yōu)點是:良好的操縱性、船體易于設計建造、低噪音。最初,它們大部分安裝在游船、破冰船、供給船和客滾船上。由于沒有推進軸系且動力機械處所布置靈活,有理由相信在不久的將來,隨著船舶的大型化,它們還將被廣泛地應

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