馬格努斯效應(yīng)在船舶上的應(yīng)用

1、制作者：馬格努斯效應(yīng)的定義：當(dāng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)角速度與物體飛行速度矢量不重合時(shí)，在與旋轉(zhuǎn)角速度矢量和平動(dòng)速度矢量組成的平面相互垂直的方向上將產(chǎn)生一個(gè)橫向力，在這個(gè)橫向力作用下物體飛行軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱作馬格努斯效應(yīng)。早在本世紀(jì)20年代，就有人開始考慮將馬格努斯效應(yīng)應(yīng)用在船舶上，但是進(jìn)展不大，70年代石油危機(jī)以后，人們又重新對(duì)其在船舶上的應(yīng)用產(chǎn)生了興趣，主要有以下幾個(gè)方面：1.轉(zhuǎn)柱舵2.風(fēng)筒推進(jìn)裝置3.減搖裝置4.馬格努斯螺旋槳5.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)柱舵是根據(jù)馬格努斯效應(yīng)而設(shè)計(jì)的一種新型舵。它由一個(gè)具有圓形端板的圓筒取代普通舵的舵葉,如圖所示。船舶在航行中,當(dāng)圓筒在原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí),圓筒將受到馬格

2、努斯效應(yīng)力的作用,船舶在這個(gè)力的作用下轉(zhuǎn)向。圓筒倒轉(zhuǎn)時(shí),力的作用方向相反性能上：轉(zhuǎn)柱舵比普通舵具有更好的流體動(dòng)力特性。現(xiàn)有資料表明,當(dāng)圓筒的圓周速度為來流速度的4倍時(shí),其升力與阻力之比約為9:1;而對(duì)普通舵來說,在滿舵時(shí),其升力與阻力之比不到2,1。因此,轉(zhuǎn)柱艙不會(huì)象普通舵那樣在大舫角下增加船舶力。由于轉(zhuǎn)柱舵的轉(zhuǎn)船力矩與水流的一次方成正比,而普通舵的轉(zhuǎn)船力矩與水流的二次方成正比,因此轉(zhuǎn)柱舵與普通舵相比,在低速下更有效。普通舵倒骯時(shí)操縱性都會(huì)變壞。而轉(zhuǎn)柱舵倒航時(shí),其流體的動(dòng)力特性變化不大,因而其操縱 性仍然 十分有效。結(jié)構(gòu)上:轉(zhuǎn) 柱舵 的外形 為圓 柱休,水流對(duì) 其 作用力 的 方 向通過 圓

3、柱的 軸線,受 力情況 比 普通舵要 好。同時(shí) 其強(qiáng)度 和 剛 度方面都 優(yōu)于普 通舵,制造和 維修也 較方 便。控 制上:轉(zhuǎn)柱舵 的 轉(zhuǎn)向和 轉(zhuǎn)速 可 以 由變速 電機(jī)或 液壓 馬達(dá)來控 制和 驅(qū)動(dòng),這樣不 僅提高 了 操舵 裝 置的 可靠 性,而且也不存 在一 般操舵 裝置 的舵 角 校正 問題和跑 舵、鎖 舵 等常見問題。另外,轉(zhuǎn) 柱舵原 動(dòng)機(jī)僅 需克服 軸承 的摩擦 力和 圓 柱體表 面與液體 間 的 粘性摩 擦力,共功 率要 小于 普通舵 的 舵機(jī) 功 率。馬格 努斯效 應(yīng)首先 在推 進(jìn)裝置方 面得 到 了實(shí)際 應(yīng)用。1 9 2 4年,一 名叫弗萊 特納 ( Antonl Fette

4、 r) 的 德 國(guó)企業(yè) 家將兩 個(gè) 直 徑 為3米,高1 3 米的 圓 柱體裝在 4 6 0 噸的“巴考”( Bueka u)號(hào) 上,取 代原 船上 的帆,以 4.4千 瓦 的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)圓柱體 旋 轉(zhuǎn),借助風(fēng) 在旋 轉(zhuǎn)的 圓筒上產(chǎn)生 的推 力,成功 地從 漢堡 橫渡大西 洋 到達(dá) 紐 約。圖 所 示是 2 0 年 代 另一艘 名叫“巴 拉 巴 拉”Barba ra ) 號(hào) 的船,上 面裝 有三個(gè) 圓 筒。風(fēng)筒推 進(jìn)裝置 除了 能節(jié)省能源外還 具有單位推力 投 資低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易 于 操作和 控制 等優(yōu)點(diǎn),引起 了 世界 各國(guó) 的重視。法 國(guó)、德 國(guó)、蘇聯(lián)、瑞 典和 美國(guó)在這 方面 已 取得 了

5、 很大 的進(jìn)展。 通 常的減搖裝 置是通 過 兩 側(cè)的 減搖鰭 片起作 用 的。減搖鰭 片 的橫 截面一般是 機(jī)翼形,當(dāng)水 流流 過鰭片 時(shí)對(duì) 鰭片 產(chǎn)生一個(gè) 升力,兩 側(cè) 的升 力共 同對(duì)船 產(chǎn)生一 個(gè)恢復(fù)力矩,克服 由于風(fēng)浪對(duì)船 產(chǎn)生的傾 斜力矩,達(dá)到減 搖 目 的。馬格努斯減 搖裝 置用旋 轉(zhuǎn)的圓 柱體 代替通常 的鰭 片。當(dāng)圓柱體旋 轉(zhuǎn)時(shí),由于馬格 努斯 效應(yīng) 易產(chǎn)生 恢 復(fù)力 矩,如 圖 所示。馬格 努斯 減搖 裝 置的 優(yōu)點(diǎn)是 制造 簡(jiǎn)單,效率 高,對(duì)船 舶產(chǎn)生的 阻力小 和 容易 收放。比 不 僅可 以 降 低造價(jià),而且可 以 提高效 率。目前 的 計(jì)算表 明這種 馬 格努斯螺

6、旋槳要 比 常規(guī) 螺旋 槳產(chǎn)生 的推 力大一倍。如果 這種計(jì)算 在實(shí)船上證 明 是正確 的，那 么主 機(jī)功 率可 減 小一 半,節(jié)能 效益十分顯 著。馬格努斯螺 旋槳1 9 1 2年 己 有專利。圖 表示 了馬 格努斯螺 旋槳與導(dǎo) 流管結(jié) 合 的 一 種 裝置。它用 旋轉(zhuǎn) 的 圓 柱體來 代替常規(guī) 的 螺旋槳 葉片,利用導(dǎo) 流管 內(nèi)的齒條 和主機(jī) 傳 動(dòng) 軸驅(qū) 動(dòng)圓柱體。實(shí)驗(yàn)表 明:這種螺 旋槳與常 規(guī)螺旋槳 相示 了馬 格努斯螺 旋槳與導(dǎo) 流管結(jié) 合 的 一 種 裝置。它用 旋轉(zhuǎn) 的 圓 柱體來 代替常規(guī) 的 螺旋槳 葉片,利用導(dǎo) 流管 內(nèi)的齒條 和主機(jī) 傳 動(dòng) 軸驅(qū) 動(dòng)圓柱體。實(shí)驗(yàn)表 明:這種螺 旋槳與常 規(guī)螺旋槳 相比 不 僅可 以 降 低造價(jià),而且可 以 提高效 率。目前 的 計(jì)算表 明這種 馬 格努斯螺 旋槳要 比 常規(guī) 螺旋槳產(chǎn)生 的推 力大一倍。如果 這種計(jì)算 在實(shí)船上證 明 是正確 的,那 么主 機(jī)功 率可 減 小一 半,節(jié)能 效益十分顯 著。馬格努斯 效應(yīng)發(fā) 電機(jī) 有 兩種基本類 型:水軸式 和垂 直軸式。水平 軸式是 弗萊 特 納 在2 0 年代 中期發(fā) 明 的,并且取 得 了一定 的成功。圖是伯 格 ( Bo r g ) 提 出 的一種 水下 垂直軸式發(fā)電機(jī),這種 裝置可 以 利用潮 水或水流 發(fā)電。馬 格努斯效應(yīng)