Chapter15第4_5_6_7節(jié) 螺旋槳

1、第四節(jié) 螺旋漿裝置 1螺旋漿的結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù) 1）結(jié)構(gòu)：螺旋槳是一種反作用式推進 器。當螺旋槳轉(zhuǎn)動時，槳推水向后 （或向前），并受到水的反作用力而 產(chǎn)生向前（或向后）的推力，使船舶 前進（或后退）。螺旋槳由槳葉和槳 轂構(gòu)成。槳葉通常為35片，最多為6 片，各片之間按等距布置。 槳葉靠近槳轂的部分稱葉根，最外端稱葉 梢；從船尾向船首看，看到的葉面為壓力 面（推力面），槳葉的另一面為吸力面 （吸水面）。按正車方向旋轉(zhuǎn)時，槳葉先 入水的一邊為導邊，后入水的一邊為隨邊。 螺旋槳旋轉(zhuǎn)時葉梢頂尖畫出的圓稱葉梢圓， 其直徑為螺旋槳直徑，用D表示。從船尾 向船首看，螺旋槳在正車時沿順時針方向 旋轉(zhuǎn)者稱右旋槳，

2、沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)者稱 左旋槳。 壓力面是一個螺旋面，有等螺距螺旋面和 變螺距螺旋面兩種。如圖，與軸線相交的 線段以等角速度繞軸線旋轉(zhuǎn)，同時以等線 速度沿軸線向下（或向上）移動，其在空 間劃過的軌跡所形成的曲面即為螺旋面。 線段上任意一點運動的軌跡為一螺旋線。 母線上的任一點旋轉(zhuǎn)一周在軸線方向上移 動的距離稱為該螺旋槳的螺距，以H表示。 若組成螺旋槳的各螺旋線螺距相等，這個 螺距即為螺旋面的螺距，而該螺旋面稱為 等螺距螺旋面。 如圖，若把螺旋線所在圓筒面沿垂直方 向剪開展平，螺旋線為一直線，從而得 到一直角三角形，稱為螺距三角形。螺 旋線與圓筒面底邊所構(gòu)成的傾角稱為螺 距角，用表示。 若母線上各

3、點以等轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)但各點下降 的速度不同，這樣形成的螺旋面稱為徑 向變螺距螺旋面。大型船舶螺旋槳的壓 力面大多由徑向變螺距螺旋面構(gòu)成，其 吸力面通常則是一個復雜的螺旋面。 2）幾何參數(shù)： （1）螺距H：系指壓力面的螺距，徑向 變螺距螺旋槳的螺距，通常自葉根向葉 梢逐漸增加，一般以0.7R或2R/3處的螺 距代表螺旋槳的螺距，此值約等于螺旋 槳的平均螺距。 （2）螺距比H/D：是螺旋漿主要的結(jié)構(gòu)參數(shù) 之一，其大小直接影響螺旋漿的性能。 （3）盤面比A/Ad：所有漿葉展開面積總和與 盤面積之比，是螺旋漿的另一個重要的結(jié)構(gòu) 參數(shù)。盤面比大，說明漿葉肥大，推水的總 面積大。 2螺旋漿的工作原理 1）工作原

4、理：若取一與槳轂共軸的圓筒形刀切 割槳葉，將切得的斷面展開后所得的面稱為葉 素斷面。半徑為r和r+r的兩個葉素斷面間的這 部分槳葉稱為葉素（或葉原體）。整個槳葉的 作用可以看成是無數(shù)葉素作用的總和。螺旋槳 在水中同時參與兩種運動，即繞槳轂軸線的回 轉(zhuǎn)運動和沿槳轂軸線的軸向運動。設螺旋槳的 轉(zhuǎn)速為n，則在半徑r處的葉素一方面以2rn繞 軸心回轉(zhuǎn)，一方面又以進速Vp前進，它相對于 水的速度w即為這種速度的合成。 如把葉素視為不動，根據(jù)運動轉(zhuǎn)換原理， 則各種速度的方向如圖所示。水流速度w與 弦線間的夾角稱為沖角。由于葉素斷面的 形狀與機翼斷面相似，因此可以利用機翼 在空氣中運動時產(chǎn)生的升力來說明螺旋

5、槳 的受力情況。根據(jù)機翼工作的原理，在葉 素上將產(chǎn)生升力dy和阻力dx。升力dy垂直 于w，阻力dx則沿著w的方向。把升力dy和 阻力dx各自分解成軸向和回轉(zhuǎn)方向的分力， 于是，在葉素上產(chǎn)生的推力dT，在回轉(zhuǎn)方 向產(chǎn)生阻力dQ。 此阻力作用在距軸心半徑r的葉素上，它 對螺旋槳產(chǎn)生一個阻力矩dM=rdQ。螺旋 槳槳葉是由無數(shù)葉素合成的，各槳葉所 有葉素上產(chǎn)生的推力dT的總和即為螺旋 槳的推力T。各槳葉所有葉素上產(chǎn)生的阻 力矩dM的總和即為螺旋槳的阻力矩M。 因此，為了使螺旋槳產(chǎn)生推力，必須由 主機發(fā)出功率克服螺旋槳的阻力矩。 2）滑失與滑失率 當螺旋漿在水中運動時，水被它推向后 移，由于螺旋槳和

6、水之間存在軸向方向 的相對滑動，因此螺旋漿前進的距離比 螺距要小，這種現(xiàn)象稱為滑失現(xiàn)象。螺 旋漿旋轉(zhuǎn)一周在軸向前進的距離稱為進 程hp，進程與漿直徑的比值稱為進程比 p=hp/D。螺距H與進程的差值（H-hp） 稱為滑失。H-hp/H稱為滑失比（率）， 即： S=（H hp）/H = （Hn Vp）/Hn 3螺旋漿的工作特性 1）螺旋槳的推力 ： T=K1nD*4 （N） =C1 n 2）螺旋漿的阻力矩： M=K2nD*5 （Nm） =C2 n 3）螺旋漿的效率： p=K1p/2K2 =C0 4）螺旋漿的功率： Pp=2nM =Cn 螺旋槳的工作曲線 對于幾何形狀一定的螺旋槳，推力系 數(shù)K1和

7、扭矩系數(shù)K2都取決于進程比， 其隨進程比的變化規(guī)律如圖。 p=hp/D=vp/nD 對于一定的螺旋槳，進程比取決于船 舶的航行工況。 4影響螺旋漿特性的因素 1）螺旋漿結(jié)構(gòu)參數(shù)）螺旋漿結(jié)構(gòu)參數(shù) 槳的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有直徑D、螺距比H/D。直徑 D對螺旋槳產(chǎn)生的推力和吸收的扭矩影響很大， 分別為四次方和五次方的關(guān)系，所需要的功率 也是五次方的關(guān)系。對于同一直徑的螺旋槳， 其螺距越大即H/D越大，所需的功率也越大， 因此螺旋漿的特性曲線越陡。對于一定功率的 主機，必須選配合適的螺旋槳。 若直徑D和螺距H/D過大，則螺旋槳會過重，主 機帶不動，它在高轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時，就會造成超 負荷。若D或H/D選得過小，

8、則螺旋槳會過輕， 主機就不能充分發(fā)揮它的做功能力。 2）船舶航行工況船舶航行工況 船舶航行工況的變化，既包括航行的自然條 件變化，如風浪大小、水深的變化，也包括 各種機動操縱時的過渡過程，如船舶的加速、 減速、倒航等。當船體污底、載重量增加、 頂風、浪大和轉(zhuǎn)彎等時，p減小，表明船體 阻力增加，此時航速變慢，K1、K2都增加， 推力和阻力矩也都增大，應注意防止主機超 負荷；當船舶空載、輕載或順風時，p增大， 表明船體阻力減小，此時航速變快，K1、K2 都減小，推力和阻力矩也都減小，應注意減 小油門防止主機超速。 （1）無進程情況：相當于系泊工況， Vp=0，p=0，水流將從垂直于軸線方 向流入，

9、螺旋槳只有旋轉(zhuǎn)運動而無軸向 移動。此時K1、K2都最大，升力和推力 重合，推力和阻力矩都達到最大值。在 此情況下，管理人員應注意控制柴油機 油門和轉(zhuǎn)速，以免主機超負荷。 不同航行工況下推力與阻力矩的變化 （2）p減小情況： 相當于主機轉(zhuǎn)速不變，由于船體污底、 載重量增加、頂風、浪大和船舶轉(zhuǎn)彎等 原因，船體阻力增加，船速變慢。隨著 p的減小，K1、K2都增加，而轉(zhuǎn)速不 變，推力和阻力矩也都增加。在這種情 況下，必須防止主機超負荷。 （3）p增加情況： 相當于船舶空載、輕載或順風航行，船 體阻力減小，主機仍保持原來的轉(zhuǎn)速， 船速會增大。隨著p的增加，K1、K2 都相應減小，因此推力和阻力矩都會減

10、小。此時，輪機人員應減小油門格數(shù)， 維持主機的轉(zhuǎn)速，使之不超過額定值。 （4）無推力情況： 當螺旋槳進程hp稍大于螺距H而出現(xiàn)負 的滑失時，水流的合成速度W就以某一 負的沖角流向葉素，此時升力dy很小， 而阻力dx仍有一定值，結(jié)果dy和dx在軸 向的分力大小相等方向相反，互相抵消， 因此推力為零。但此時螺旋槳的阻力 dQ仍有一定值。 （5）無阻力矩情 況：若進程進一步 增大，致使升力和 阻力在周向的分力 大小相等方向相反 時，螺旋槳的阻力 dQ為零。但此時的 推力已為負值，阻 止船舶前進。 （6）水渦輪情況： 若進程繼續(xù)增加， 螺旋槳會產(chǎn)生負的 推力和負的轉(zhuǎn)矩， 此時螺旋槳的作用 就變成了一只

11、水渦 輪，即螺旋槳吸收 水流沖擊的能量而 發(fā)出轉(zhuǎn)矩帶動主機 回轉(zhuǎn)。 第五節(jié) 可調(diào)螺距螺旋槳 1調(diào)距漿的工作特性 1)調(diào)距漿的產(chǎn)生： Pp=Cn 在不同的航行工況下，隨航行阻力的增加，螺 旋槳的進程比p將減小。如圖，隨阻力系數(shù)的 增加，螺旋槳的推進特性變陡。在前面分析已 知，在外界航行條件不變下，隨H/D的增大， 螺旋槳的特性也變陡。因此，當外界航行工況 變化時，若要維持原轉(zhuǎn)速，可以通過改變螺距 比來實現(xiàn)。如阻力增加，則可以通過減小螺距， 從而使螺旋槳回到原特性下工作。 調(diào)距漿定義：根據(jù)航行外界條件變化時， 通過調(diào)節(jié)螺旋漿的螺距H，即使?jié){葉螺旋 面與漿轂做相對轉(zhuǎn)動，從而維持螺旋漿特 性不變。 2

12、）工作特性：由一系列不同螺距相同直 徑的定距漿特性組合而成。 （1）推力系數(shù)與進程比的關(guān)系 （2）扭矩系數(shù)與進程比的關(guān)系 從圖中可見，當航行阻力不變時，螺 距越大，則相同轉(zhuǎn)速下的推力和轉(zhuǎn)矩 越大。因此當船舶航行阻力發(fā)生變化 時，可通過改變螺距比來控制螺旋槳 轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩及推力的關(guān)系，從而滿足 船舶阻力變化的需要。 調(diào)距槳的功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系 在外界航行工況不變 的條件下，即進程比 不變下，隨H/D的增 加，螺旋槳特性變陡， 從圖中可以看出，在 相同轉(zhuǎn)速下，H/D越 大，螺旋槳所需的功 率越大。 2調(diào)距漿的優(yōu)點： 1）對船舶航行條件的適應 性強。 如圖，任意一條等轉(zhuǎn)矩線 （0.26）和一系列等螺距線

13、 相交。無論船舶阻力因素 （進程比）如何變化，只要 適當選用螺距比即可使轉(zhuǎn)矩 系數(shù)不變。因此調(diào)距槳具有 可使轉(zhuǎn)矩系數(shù)保持不變的性 能，不論外界工況如何變化， 即可使主機保持原轉(zhuǎn)速。 但雖然主機的功率和轉(zhuǎn)速可 以不變，可螺旋槳的效率將 發(fā)生變化。 同時隨船舶阻力的增加，船 舶的航速要下降。 2）在非設計工況下經(jīng)濟 性好。 （1）非設計工況下調(diào)距 槳的效率高。 由于調(diào)距槳的轂徑比定 距槳大，在設計工況下 效率稍小。然而在非設 計工況下，隨螺距的改 變，調(diào)距槳有不同的效 率曲線，若讓螺旋槳工 作在這些效率曲線的最 高效率點的包絡線上， 則調(diào)距槳的效率就比定 距槳高得多。 （2）非設計工況下 調(diào)距槳的

14、油耗率低。 如圖為調(diào)距槳的航行 曲線，調(diào)距槳可以在 主機額定轉(zhuǎn)矩線1、 最大轉(zhuǎn)速線2和最低 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速線3之間內(nèi) 的任何一點上工作。 在不同的航速下，都 有許多n和H/D的配 合。 因此，當主機在部分 負荷下工作時，可以 按主機油耗率最小的 n與H/D配合點工作。 如圖，1為等油耗率 曲線，2為定距槳的 推進特性線，3為最 低油耗率線，4為主 機全負荷速度特性。 因此，在非設計工況 下調(diào)距槳的經(jīng)濟性好。 按螺旋槳效率高選取 的n-H/D組合和按油耗 率低選取的n-H/D組合 并不重合，但調(diào)距槳 可以選擇兼顧兩個最 佳一組配合，使經(jīng)濟 性最好。如圖，不同 的航速下，有不同的 最佳n-H/D配合點，

15、將 這些點連接起來就得 到最佳經(jīng)濟性曲線。 3）船舶的機動性得到提高。 因換向可通過改變螺距來實現(xiàn)可縮短換向時間， 同時可實現(xiàn)無級調(diào)速。 4）有利于驅(qū)動輔助機械 由于主機可以恒速運轉(zhuǎn)，因此對于軸帶發(fā)電機 和輔助機械的工程船舶（挖泥船、消防船等） 特別有利。 5）延長發(fā)動機的使用壽命。 因可使主機保持恒速運行和不必換向，減少磨 損和簡化結(jié)構(gòu)。 6）便于實現(xiàn)遙控。 3、調(diào)距漿的缺點： （1）調(diào)距漿和軸系構(gòu)造復雜，造價高； （2）因漿轂中有轉(zhuǎn)葉機構(gòu)，使可靠性降 低，同時維護保養(yǎng)困難，一旦損壞必須 進塢。 （3）設計工況下推進效率比定距漿低1- 3%。 （4）葉根厚度增大，使槳葉根部容易產(chǎn) 生空泡腐蝕

16、。（定距槳則在0.9R至葉梢 易于產(chǎn)生空泡腐蝕） 4調(diào)距漿的動作原理和組成 1）動作原理： 1-伺服油缸；2-動力活塞；3-配油軸套；4- 控制閥；5-反饋裝置；6-操縱桿。 當駕駛臺發(fā)出調(diào)距指令時，C點不動，B點 隨A點動，使伺服油缸一面進油，另一面 回油，推動活塞移動；隨活塞運動，A點 不動，B點隨C點動，當動力活塞移動到要 求位置時，控制閥剛好復位。 圖中調(diào)距機構(gòu)為動態(tài)穩(wěn)距，若油路中采用 單向止回閥則為靜態(tài)穩(wěn)距。 2）調(diào)距槳的組成 （1）帶轉(zhuǎn)葉機構(gòu)的調(diào)距漿：包括可轉(zhuǎn) 動的漿葉、漿轂和漿轂內(nèi)部裝設的轉(zhuǎn)動 漿葉的轉(zhuǎn)葉機構(gòu)。 （一）曲柄連桿式轉(zhuǎn)葉機構(gòu) （二）曲柄滑塊式轉(zhuǎn)葉機構(gòu) （三）曲柄銷槽式

17、轉(zhuǎn)葉機構(gòu) （2）傳動軸：由漿軸和配油軸組成，兩 者用套筒聯(lián)軸器連接，傳動軸中空，裝調(diào) 距桿或當伺服油缸位于漿轂時作為進排油 通道。 （3）調(diào)距機構(gòu)：包括產(chǎn)生轉(zhuǎn)動槳葉動力 的伺服油缸、伺服活塞、分配壓力油的配 油軸套、漿葉定位和漿葉位置的反饋裝置 及其附屬設備。其作用是調(diào)距、穩(wěn)距以及 對螺距進行反饋和指示。 （4）液壓系統(tǒng)：由油泵、控制滑閥、油 管及管件組成，其作用是為伺服油缸提 供壓力油。 （5）操縱系統(tǒng)：由操縱臺、控制、指示 系統(tǒng)組成。其作用是按預先確定的控制 程序同時調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和調(diào)距漿的 螺距，以獲得所要求的工況。 調(diào)距槳在船上的布置如圖。 應急漿葉鎖緊機構(gòu)：在應急情況下，將 漿葉固

18、定在一定的正螺距值，使之變?yōu)?定距漿工作。 5、調(diào)距槳的控制 （1）雙手柄控制 分別控制主機轉(zhuǎn)速和螺旋槳的螺距。 （2）單手柄控制（聯(lián)合控制） 同時控制主機轉(zhuǎn)速和螺旋槳的螺距，聯(lián) 合控制。 常用聯(lián)合控制方式。 1）按最佳螺距-轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)： 圖a右邊凸輪控制主機調(diào)速器，左邊凸輪 控制螺距。主機調(diào)速器控制主機油門， 當達到最大值時，送出Qmax信號至調(diào)距 裝置，減小螺距，以防止主機超負荷。 2）按最佳轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)： 圖b右邊凸輪控制主機油門，左邊控制槳 軸轉(zhuǎn)速，實際上也是控制螺距。 更常用的聯(lián)合控制方案是：采用主 機轉(zhuǎn)速和槳軸轉(zhuǎn)速信號分別控制主 機調(diào)速器和螺距調(diào)節(jié)器。 主機調(diào)速器存在穩(wěn)定速

19、差率，而螺距調(diào) 節(jié)器無靜差。因此，聯(lián)合控制的結(jié)果是 在兩者特性線的交點上工作。如圖虛線 為最佳匹配控制程序。當外界條件變化 時，螺距調(diào)節(jié)器先起作用，根據(jù)需要調(diào) 節(jié)螺距，使轉(zhuǎn)速保持設定值。這種設置 有利于帶動軸帶發(fā)電機。 第六節(jié) 側(cè)推器及其管理 一、側(cè)推器的作用和要求 二、螺旋槳式首推裝置 三、側(cè)推器的管理 一、側(cè)推器的作用和要求 側(cè)推器能產(chǎn)生船舶橫向推力（側(cè)推力）的特 殊推進裝置。 作用： 提高船舶的操縱性能，特別是船速為零或極低時 的操縱性能； 縮短靠離碼頭的時間； 節(jié)省拖船費用； 提高機動航行的安全性； 減少主機起動、換向次數(shù)，延長主機使用壽命。 要求： 結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，維護管理方便；

20、 盡可能設在船的端部，以獲得大的轉(zhuǎn) 船力矩； 足夠的浸水深度，提高側(cè)推器的效率； 對船體產(chǎn)生的附加阻力??； 能改變推力的大小和方向； 在側(cè)推器旁和駕駛室均能操縱 分類： 首側(cè)、尾推；舷內(nèi)式、舷外式；螺旋槳 式和噴水式；電動式、電液式和柴油機 驅(qū)動式。 二、螺旋槳式首推式 圖2-57為定距槳式側(cè)推器的液壓系統(tǒng)圖， 定距槳式其大小和方向由原動機來實現(xiàn)。 圖中側(cè)推力的大小和方向的變化由雙向 變量泵7來控制，而其變量變向由輔泵9 和換向閥15來控制。 圖2-58為電動式調(diào)距槳首推式裝置系統(tǒng) 圖。 三、側(cè)推器的管理 操作時的注意事項 足夠的發(fā)動機臺數(shù)投入工作方可使用側(cè)推 器； 船速在5kn以下方可使用側(cè)推器； 確認主控制器和副控制器控制桿位置和負 荷一致； 起動主電動機使螺距角置于0位； 在最大推