螺旋槳運(yùn)動(dòng)原理的歷史演變

螺旋槳運(yùn)動(dòng)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(jìn)器是推動(dòng)船舶前進(jìn)的機(jī)構(gòu),它是把自然力、人力或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成船舶推力的能量轉(zhuǎn)換器。船舶推進(jìn)器的發(fā)展進(jìn)程與人類對(duì)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(fēng)力:帆、旋筒推進(jìn)器;(4)機(jī)械動(dòng)力:明輪、螺旋槳、直葉推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器等。其中應(yīng)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(jìn)效率推動(dòng)船舶航行,它是造船業(yè)幾代人勞動(dòng)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(shí)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(dá)文西則在15世紀(jì)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(diǎn)來解釋,一種是動(dòng)量的變化,另一種則是壓力的變化。在動(dòng)量變化的觀點(diǎn)上,簡單地說,就是螺旋槳藉由加速通過的水,造成水動(dòng)量增加,產(chǎn)生反作用力而推動(dòng)船舶。由于動(dòng)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(dòng)量變化。另一方面,由壓力變化的觀點(diǎn)可以更清楚地說明螺旋槳作動(dòng)的原理。螺旋槳是由一群翼面構(gòu)建而成,因此它的作動(dòng)原理與機(jī)翼相似。機(jī)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(huì)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(yùn)動(dòng)是由螺旋槳的前進(jìn)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(jìn)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(jī)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(yīng)運(yùn)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(jī)功率;提高推進(jìn)效率,船倒退時(shí)可不改變主機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。螺距是通過機(jī)械或液力操縱槳轂中的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)各槳葉來調(diào)節(jié)的。調(diào)距槳對(duì)于槳葉負(fù)荷變化的適應(yīng)性較好,在拖船和漁船上應(yīng)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(jià)格昂貴,維修保養(yǎng)復(fù)雜。2.2固定導(dǎo)管槳葉的進(jìn)效率在普通螺旋槳外緣加裝一機(jī)翼形截面的圓形導(dǎo)管而成?？煞譃楣潭▽?dǎo)管和可轉(zhuǎn)導(dǎo)管。導(dǎo)管可提高螺旋槳的推進(jìn)效率,這是因?yàn)閷?dǎo)管內(nèi)部流速高、壓力低,導(dǎo)管內(nèi)外的壓力差在管壁上形成了附加推力;導(dǎo)管和螺旋槳葉間的間隙很小,限制了槳葉尖的繞流損失;導(dǎo)管可以減少螺旋槳后的尾流收縮,使能量損失減少。但導(dǎo)管螺旋槳的倒車性能較差。固定導(dǎo)管螺旋槳使船舶回轉(zhuǎn)直徑增大,可轉(zhuǎn)導(dǎo)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(gè)或三個(gè)普通螺旋槳裝于同一軸上,以相同速度同向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)螺旋槳直徑受限制時(shí),它可加大槳葉面積,吸收較大功率,對(duì)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?。2.4等速反方向旋轉(zhuǎn)又稱雙反轉(zhuǎn)螺旋槳,將兩個(gè)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(fù)雜,大船上還未應(yīng)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(shí)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(diǎn):(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(yùn)轉(zhuǎn)于不均勻伴流場(chǎng)中時(shí)空泡的敏感性。3幾種新發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)傳統(tǒng)螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的突破。3.1螺旋破水效率比常規(guī)型螺釘更強(qiáng)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(diǎn)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(dǎo)能量損失。因而破水效率比常規(guī)型螺旋槳提高。當(dāng)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(dòng)裝置是當(dāng)今世界上效率最高的推進(jìn)系統(tǒng)之一,其表面槳葉片設(shè)計(jì)與常規(guī)浸沒式螺旋槳相比,可減少50%的水下阻力。當(dāng)船航行時(shí),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(xué)周漢仁副教授研制設(shè)計(jì),與番禺市遠(yuǎn)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(diǎn)是在保證航速和同等條件下,比普通螺旋槳船的拖力相應(yīng)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(shí)葉切面攻角接近于零,低速拖航時(shí)攻角相對(duì)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(yīng)機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)的一種平面活頁式的葉片,即自動(dòng)開閉式槳葉(如圖4所示)。在槳葉的自重構(gòu)變形條件下,實(shí)現(xiàn)推進(jìn)力的最大化和水的阻力的最小化。①當(dāng)槳葉劃至0°~90°時(shí),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(shí),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(dòng)完全展開,使槳葉最大面積地與水接觸,產(chǎn)生強(qiáng)大的推進(jìn)力;③180°~270°時(shí),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(shí),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(shí)水的阻力,從而提高了推進(jìn)效率。3.5同一軸線上的物理連接過去幾年中,吊艙式推進(jìn)裝置的應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展。就是將一個(gè)可操縱的吊艙模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)是:良好的操縱性、船體易于設(shè)計(jì)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(jìn)軸系且動(dòng)力機(jī)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(yīng)