【文章內(nèi)容簡介】 卻具有許多明輪無法競爭的優(yōu)點(diǎn)，明輪逐步在海船上消失 。 在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中，許多機(jī)械裝置的性能在人們還不太清楚的時(shí)候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規(guī)律和沒有完整的理論分析以前，這些裝置很難達(dá)到它的最佳性能。螺旋槳也不例外，直到 1860 年，雖然它在海船上已經(jīng)成為一枝獨(dú)秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經(jīng)驗(yàn)。螺旋槳的進(jìn)步，只依靠專家們的直觀推理，已經(jīng)不能滿足船舶技術(shù)的發(fā)展需要，它有待科學(xué)家對其 流體 動(dòng)力特性做 出完整的解釋，這就促使螺旋槳理論的發(fā)展。 在船舶技術(shù)發(fā)展過程中，它比任何一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都做得多，從經(jīng)驗(yàn)方法過渡到數(shù)字化設(shè)計(jì)，再進(jìn)而應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行螺旋槳最佳化的設(shè)什。一個(gè)好的螺旋槳其設(shè)計(jì)是非常重要的，模型試驗(yàn)也起著主要的作用。 船用螺旋槳的誕生 1836 年，英國的 “ 阿基米德號 ” 使用了螺旋推進(jìn)器，那是一個(gè)木制的長長的像螺絲釘?shù)穆輻U 。開始試驗(yàn)時(shí)，它以每小時(shí) 4 海里的航速航行。突然，水中的障礙物碰斷了螺桿，只剩了一小截。正當(dāng)造船工程師 史密斯 急得不知所措時(shí)，這船卻意外地加快了速度，達(dá)到每小時(shí) 13海里。這事啟發(fā)了造船工程師們，他們把長螺桿變成短螺桿，又把短螺桿變成葉片狀，螺旋槳就這樣誕生了。 1845 年，英國制成了世界上第一艘螺旋槳船 “ 大不列顛號 ” ，但是 ,當(dāng)時(shí)的人們對螺旋槳和螺旋槳船存在疑慮螺旋槳沒有等到廣泛應(yīng)用， 螺旋槳船還不多。 螺旋槳輪船和明輪船 的比賽 為了證明螺旋槳的優(yōu)越性 , 英國海軍組織了一場有趣比賽：把動(dòng)力相當(dāng)?shù)摹?響尾蛇號 ” 螺旋槳輪船和 “ 愛里克托號 ” 明輪進(jìn)行了競賽。兩艘船的船尾用粗纜繩系起來，讓它們各朝相反的方向駛?cè)ァ?“ 響尾蛇號 ” 的螺旋槳飛快地旋轉(zhuǎn)，“ 愛里克托號 ” 的明輪猛烈地向后撥水。先是互不相讓，但過了一會(huì)兒， “ 響尾蛇號 ” 就把 “ 愛里克托號 ” 拖走了。這場比賽證明了螺旋槳的優(yōu)越性。從此，螺旋槳輪船就取代了明輪。 由于我國自 19 世紀(jì)中葉淪為 半殖民地 ，很少有貢獻(xiàn)。解放后，我國造船事業(yè)得到新發(fā)展，對螺旋槳技術(shù)也進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)、研究工作，為各類艦船配上了大量自己設(shè)計(jì)制造的螺旋槳。最值得驕做的是 “ 關(guān)刀槳 ” 的問世，它是我國在螺旋槳技術(shù)發(fā)展中的一大創(chuàng)造。那是在 60 年代，廣州文沖船廠有一位師傅，名叫周挺 ，他根據(jù)自己幾十年制做螺旋槳的經(jīng)驗(yàn)，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關(guān)公的 82斤重大刀的式樣，他形象 地叫它 “ 關(guān)刀槳 ” 。 “ 關(guān)刀槳 ” 曾在一些船上試驗(yàn)航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振動(dòng)卻大大地減弱了。在當(dāng)時(shí)的 長江 2020 馬力拖輪和華字登陸艇上使用，都取得了良好的效果，這一成就，吸引了許多造船界人士。 1973 年，在 上海 首先做了 “ 關(guān)刀槳 ” 敞水試驗(yàn)研究， 同時(shí)還提供了設(shè)計(jì)圖譜。有趣的是，在世界著名造船國家今天開發(fā)的 “ 大側(cè)斜 ” 螺旋槳，最新艦用大側(cè)斜螺旋槳，直徑 6． 3 米，軸 功率 35660千瓦 ，艦航速達(dá) 32．節(jié)；最新在客渡船上采用的大側(cè)斜螺旋槳，該槳直徑 5． 1米，軸功率 15640 干瓦，船航速為 23． 2節(jié) 。最新化學(xué)品船上采用的大側(cè)斜螺旋槳，該槳直徑 6． 2米，軸功率 10400 千瓦，船航速 16． 7節(jié)。它們和 “ 關(guān)刀槳 ”非常相似，其重要特征是振動(dòng)，噪聲小，這也是 “ 關(guān)刀槳 ” 所具有的特點(diǎn)。常州6 中海船舶螺旋槳公司造出我國民企最大船用螺旋槳，可以提供最好的 “ 關(guān)刀槳 ” 。 螺旋槳理論發(fā)展 第一階段 :19 世紀(jì)中葉 動(dòng)量理論 Rankine 和 提出了動(dòng) 量理論 ， 并將其作為評估船用螺旋槳的分析手段 ， 該理論也被認(rèn)為是理想推進(jìn)器理論。動(dòng)量理論的重要意義在于解釋了推進(jìn)器產(chǎn)生推力的原因。 葉元體理論 在 的葉元體理論中：推進(jìn)器被認(rèn)為 由幾個(gè)單獨(dú)的槳葉構(gòu)成 ， 同時(shí)這些槳葉又分成從導(dǎo)邊至隨邊的連續(xù)的帶。通過分析每一葉元體所受的力 ， 以計(jì)算整個(gè)推進(jìn)器的推力和轉(zhuǎn)矩。 第二階段： 20 世紀(jì) 20年代至 80年代 動(dòng)量理論和葉元體理論這二個(gè)理論盡管發(fā)展得很好 ， 但是它們沒有很好地考慮槳葉數(shù)目的影響和為葉元體選擇合適的升力和阻力值。 升力線模型 1927 年， Prandtl 等建立了機(jī)翼的升力線理論 1929 年， Goldstein 發(fā)表了螺旋槳渦流理論，提出最優(yōu)環(huán)量分布理論。 1952年， Lerbs 提出了螺旋槳升 力線理論。 第三階段 ： 20 世紀(jì) 80 年代至今 邊界元法 邊界元法的核心是格林函數(shù)。由于邊界元法考慮的是葉表面而非平均的拱度面 ， 因而可考慮到非線性厚度耦合的影響。同時(shí) ， 在螺旋槳導(dǎo)邊和葉梢處 ， 邊界元法比渦格法具有更好的預(yù)測性。 考慮粘性流的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)法 上述方法均假定流體是無粘性的，姑應(yīng)用勢流理論進(jìn)行處理。世紀(jì)流體是粘性的，因此，基于粘性的 RANS 的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)法被用于螺旋槳性能的預(yù)報(bào)。近年來，先進(jìn)的商用 RANSE 程序可較為準(zhǔn)確的預(yù)測螺旋槳敞水性能和壓力分布。 近代船用螺旋槳設(shè)計(jì) 現(xiàn)代船用螺旋槳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是吸收最小的能量、提供最大的效率、減少船體震動(dòng)和避免產(chǎn)生不利的空泡。因此，其設(shè)計(jì)是一個(gè)迭代過程。 一般而言 ， 可采用以下四個(gè)設(shè)計(jì)步驟 ： 第一步為螺旋槳初步設(shè)計(jì)?；诼菪龢盗性囼?yàn)資料 ， 如荷蘭的 Ｂ 系列或日本的 ＭＡＵ 系列 ， 按最高效率進(jìn)行螺旋槳主要參數(shù)如直徑、葉數(shù)、盤面比和螺距比的選取。 第二步為螺旋槳詳細(xì)設(shè)計(jì)?；诔醪皆O(shè)計(jì)的結(jié)果 ， 通常采用升力線、升力面模型進(jìn)行設(shè)計(jì)以決定葉剖面的具體幾何形狀 ， 如弦長、拱度、厚度分布和螺距分布等。近年來 ， 面元法也被用于詳細(xì)設(shè) 計(jì)。 第三步為螺旋槳的分析與計(jì)算?；谠敿?xì)的幾何形狀 ， 采用升力面模型或邊界元法或計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)法來評價(jià)空泡性能、螺旋槳強(qiáng)度、軸承力和脈動(dòng)壓力等。如果分析計(jì)算中發(fā)現(xiàn)一些令人不滿意的結(jié)果 ， 螺旋槳應(yīng)重新回到第二步設(shè)計(jì) ， 然后再次分析與計(jì)算。 第四步為螺旋槳最終設(shè)計(jì)。螺旋槳設(shè)計(jì)的結(jié)果由螺旋槳模型試驗(yàn) ， 如敞水試驗(yàn)、自航試驗(yàn)和空泡試驗(yàn)等驗(yàn)證并作最終修改設(shè)計(jì)。 7 隨著試驗(yàn)設(shè)施的改進(jìn)，現(xiàn)代化的大型空泡水筒 ， 如美國的 ＬＣＣ、法國的ＧＴＨ、韓國的 ＳＣＡＴ、中國的 ＬＣＴ 和 德 國 的 ＨＹＫＡＴ被廣泛用于 空泡試驗(yàn)。許多船用螺旋槳的制造企業(yè) ， 如德國的 ＭＭＧ、英國的 Ｓｔｏｎｅ、荷蘭的 Ｌｉｐｓ 和日本的 ＫＡＭＯＭＥ 等都有自己的設(shè)計(jì)和分析軟件。 可調(diào)槳 定義 可調(diào)螺距螺旋槳即是槳葉螺旋面與槳轂可作相對轉(zhuǎn)動(dòng)的一種螺旋槳。它借助一套轉(zhuǎn)葉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉 (曲柄連桿式、曲柄滑塊式、曲柄銷槽式 )以達(dá)到改變螺旋槳螺距 H 的目的。對于槳徑 D 一 定的螺旋槳，則等于換了一個(gè)新的螺距比 H/D，其性能也就發(fā)生了變化。 可調(diào)槳工作原理 可調(diào)槳螺距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖 2 所示。它主要是由工作液壓缸內(nèi)的工作活塞，在正 /側(cè)轉(zhuǎn)油壓作用下水平移動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)槳葉上的偏心軸銷作轉(zhuǎn)動(dòng)而工作的?？烧{(diào)槳其槳葉如圖 3 所示。圖中，葉片軸的中心線為 HH 線，葉根部除中心軸（ A）外，還有偏心銷軸（ B）。其二軸的偏心距為 R，油缸工作活塞在正車 /倒車壓力油作用下，作左右水平移動(dòng)時(shí)，通過帶動(dòng)偏心軸（ B）而使槳葉片作正向轉(zhuǎn)動(dòng)或倒向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)槳葉的正螺距轉(zhuǎn)動(dòng)或倒螺距轉(zhuǎn)動(dòng)?？烧{(diào)槳內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖 4 所示。在可調(diào)槳的整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，僅僅使螺距角轉(zhuǎn)動(dòng)（正轉(zhuǎn)或倒轉(zhuǎn)）一定的角度是較容易實(shí)現(xiàn)的；關(guān)鍵是當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)過一定角度后，在這個(gè)角度要實(shí)現(xiàn)鎖定，保持螺距角 穩(wěn)定不變，且當(dāng)螺距角稍有偏差，即能自動(dòng)糾偏才，是比較難以實(shí)現(xiàn)的。這就需要由一套有反鎖隨動(dòng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)來保證的。 8 圖 1 可調(diào)漿結(jié)構(gòu)圖 圖 2 可調(diào)漿的漿葉 9 圖 3 可調(diào)漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 可調(diào)槳 性能及應(yīng)用特點(diǎn) 與一般的定距槳相比，調(diào)距槳具有十分顯著的特點(diǎn)，它的優(yōu)缺點(diǎn)如下： 優(yōu)點(diǎn)： （ 1）對航行條件適應(yīng)性強(qiáng)：在航行條件改變的情況下，可以通過調(diào)節(jié)螺旋槳的螺距比 H/D，就可使主機(jī)保持發(fā)出最大功率的能力，因此船舶可獲得較高的航速并獲得較大的推力。 （ 2）動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性好：相較于定距槳唯一的效率線，調(diào)距槳有一條最佳 n—H/D 匹配曲線，可以兼顧螺旋槳效率和主機(jī)燃油消耗率，獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。 （ 3）提高了船舶的機(jī)動(dòng)性；除了靠改變主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)船舶航速，還可以借助于螺旋槳葉片角度的改變 ,實(shí)現(xiàn)正車、倒車、停車以及航速變化，并且換向時(shí)間短、反向推力大、可實(shí)現(xiàn)船舶的無級調(diào)速。 （ 4）有利于驅(qū)動(dòng)輔助負(fù)載：主機(jī)以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，對使用軸帶發(fā)電機(jī)或使用軸帶設(shè)備的船舶非常有利。 （ 5）延長了發(fā)動(dòng)機(jī)壽命：由于調(diào)距槳的變螺距功能 ,減少了主機(jī)起、停及改變轉(zhuǎn)速的次數(shù)，以此減少了運(yùn) 動(dòng)部件的磨損和受熱部件的熱疲勞損壞 ,大大延長主機(jī)的壽命 ,減少主機(jī)的維修時(shí)間和 維修費(fèi)用。 （ 6）便于實(shí)現(xiàn)遙控：遙控系統(tǒng)功能強(qiáng)大、操作方便，駕駛員可以在駕駛臺直接操縱控制手柄進(jìn)行調(diào)距槳螺距的調(diào)節(jié)。 缺點(diǎn)： （ 1）調(diào)距槳及軸系由于要安裝螺距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及遙控系統(tǒng)，因此構(gòu)造復(fù)雜，造價(jià)10 比定距槳高； （ 2）由于槳轂中的轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)零件尤其是運(yùn)動(dòng)部件多，可靠性不及定距槳； （ 3）在相同情況下，調(diào)距轂部結(jié)構(gòu)較定距槳復(fù)雜，使得其轂徑比（ d/D）較大 ，在相同的設(shè)計(jì)工況時(shí)，其效率要比定距槳低 1%～ 3%。 可調(diào)槳分類 燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn) 走馬燈是燃?xì)廨啓C(jī)的雛形。 它靠蠟燭在空氣燃燒后產(chǎn)生的上 升熱氣推動(dòng)頂部風(fēng)車及其轉(zhuǎn)軸上的紙人馬一起旋轉(zhuǎn)。 現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)主要 由壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部件組成。當(dāng)它正常工作時(shí)，工質(zhì)順序經(jīng)過 吸氣 壓縮、燃燒加熱、膨脹做功以及排氣放熱等四個(gè)工作過程而完成一個(gè)由熱變功的轉(zhuǎn)化的熱力循環(huán) 。 11 燃?xì)廨啓C(jī)分為輕型燃?xì)廨啓C(jī)和重型燃?xì)廨啓C(jī)。其工作原理為：葉輪式壓縮機(jī)從外部吸收空氣，壓縮后送入燃燒室，同時(shí)燃料（氣體或液體燃料）也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在定壓下進(jìn)行燃燒。生成的高溫高壓煙氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹作工，推動(dòng)動(dòng)力葉片高速旋轉(zhuǎn)，乏氣排入大氣中或再加利用 。 艦船燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置是指以燃?xì)廨啓C(jī)為主機(jī)的全燃化動(dòng)力裝置。它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以來，已得到了極其廣泛的應(yīng)用。功率總數(shù)日益增長，裝艦使用范圍日益擴(kuò)大，已由快艇發(fā)展到了護(hù)衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡洋艦和直升機(jī)航空母艦等。 競爭激烈的船用燃 氣輪機(jī)在世界范圍內(nèi)，船用燃?xì)廨啓C(jī)裝置的市場一直主要由 GE 和羅羅這兩大公司所統(tǒng)治，但是目前則受到了來自各方的挑戰(zhàn)。 如 MFT8 燃?xì)廨啓C(jī) TF40 系列燃?xì)廨啓C(jī) Solar 燃?xì)廨啓C(jī) 12 螺旋槳推進(jìn) 螺旋槳推進(jìn)是現(xiàn)代船舶的主要推進(jìn)工具 ,現(xiàn)在大多數(shù)船舶是用螺旋槳來推進(jìn)的 。 按照槳葉多少，螺旋槳有 3 或 4 個(gè)槳葉 ,甚至更多。一般槳葉越多吸收功率越大 按照構(gòu)造不同，螺旋槳分為定距和變距螺旋槳兩大類。 定距螺旋槳，螺距是固定不變的。 變距螺旋槳，通過螺旋槳變距機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)螺距 。 圖表 3對轉(zhuǎn)螺旋槳 圖表 4導(dǎo)管螺旋槳 圖表 2槽道螺旋槳 圖表 1串列螺旋槳 13 吊艙推進(jìn) 目前，在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的推進(jìn)器是吊艙式推進(jìn)器。吊艙式電力推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)是將電機(jī)放在一個(gè)吊艙內(nèi)，定距螺旋槳直接連接在電機(jī)軸上，可 360 度旋轉(zhuǎn)，在任何方向上產(chǎn)生推力，不需要舵和側(cè)推器。集推進(jìn)和操舵裝置于一體，能夠增加船舶設(shè)計(jì)、建造和使用的靈活性整個(gè)吊艙位于船體外側(cè)浸泡在海水中直接向外散熱，從而整個(gè)推進(jìn)器不需要額外冷卻。這種設(shè)計(jì)有利于減輕船體自身重量、節(jié)省空間，并且能夠降低噪聲和振動(dòng)，使得機(jī)動(dòng)性能更加良好，同時(shí)，還為推進(jìn)器的制造、維護(hù)和檢修提供了方便 噴水推進(jìn) 噴水推進(jìn)器由水泵、吸水管道、噴水管道等部件所組成 ,利用水泵作動(dòng)力，將水從船底孔吸入，經(jīng)舷部管子，依靠船尾的水泵噴出高壓高速水流的反作用力來推進(jìn)船舶，并通過調(diào)向閥門的閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變出 水方向來實(shí)現(xiàn)對船舶的操縱（前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和倒退）烏賊素有”海中火箭”之稱．它在逃跑或追捕食物時(shí) , 最快速度可達(dá)每秒１５ 米 , 連奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)上的百米短跑冠軍也望塵莫及 人們根據(jù)烏賊噴水推進(jìn)方式，設(shè)計(jì)了噴水推進(jìn)器。 14 噴水推進(jìn)裝置的基本結(jié)構(gòu) 包含有吸水裝置、輸水裝置和噴水裝置。吸水口開設(shè)在艦船的首部，吸水口防護(hù)罩罩住吸水口的開口部分，聯(lián)接在艦船的殼體上，吸水口開關(guān)的進(jìn)水端聯(lián)接吸水口的收口端，其出水端與輸水裝置中的輸水管的前端相聯(lián)，增壓泵的出水端與增壓輸水管的前端相聯(lián)。 輸水裝置中的增壓泵可為一個(gè)或多個(gè)，視艦船的長度、大小和增壓的實(shí)際需要配置，若為多個(gè)，則從第一級到最后一級依次串聯(lián)（一個(gè)增壓泵為一級增壓，多個(gè) 增壓泵極為多級增壓）。