螺旋桨

第四节螺旋浆一．螺旋浆的结构和几何参数1、结构：螺旋桨是一种反作用式推进器。当螺旋桨转动时，桨推水向后（或向前），并受到水的反作用力而产生向前（或向后）的推力，使船舶前进（或后退）。螺旋桨由桨叶和桨毂构成。桨叶通常为3—5片，最多为6片，各片之间按等距布置。桨叶靠近桨毂的部分称叶根，最外端称叶梢；从船尾向船首看，看到的叶面为压力面（推力面），桨叶的另一面为吸力面（吸水面）。按正车方向旋转时，桨叶先入水的一边为导边，后入水的一边为随边。螺旋桨旋转时叶梢顶尖画出的圆称叶梢圆，其直径为螺旋桨直径，用D表示。从船尾向船首看，螺旋桨在正车时沿顺时针方向旋转者称右旋桨，沿逆时针方向旋转者称左旋桨。压力面是一个螺旋面，有等螺距螺旋面和变螺距螺旋面两种。如图，与轴线相交的线段以等角速度绕轴线旋转，同时以等线速度沿轴线向下（或向上）移动，其在空间划过的轨迹所形成的曲面即为螺旋面。线段上任意一点运动的轨迹为一螺旋线。母线上的任一点旋转一周在轴线方向上移动的距离称为该螺旋桨的螺距，以H表示。若组成螺旋桨的各螺旋线螺距相等，这个螺距即为螺旋面的螺距，而该螺旋面称为等螺距螺旋面。如图，若把螺旋线所在圆筒面沿垂直方向剪开展平，螺旋线为一直线，从而得到一直角三角形，称为螺距三角形。螺旋线与圆筒面底边所构成的倾角称为螺距角，用γ表示。若母线上各点以等转速旋转但各点下降的速度不同，这样形成的螺旋面称为径向变螺距螺旋面。大型船舶螺旋桨的压力面大多由径向变螺距螺旋面构成，其吸力面通常则是一个复杂的螺旋面。2、几何参数：（1）螺距H：系指压力面的螺距，径向变螺距螺旋桨的螺距，通常自叶根向叶梢逐渐增加，一般以0.7R或2R/3处的螺距代表螺旋桨的螺距，此值约等于螺旋桨的平均螺距。（2）螺距比H/D：是螺旋浆主要的结构参数之一，其大小直接影响螺旋浆的性能。（3）盘面比A/Ad：所有浆叶展开面积总和与盘面积之比，是螺旋浆的另一个重要的结构参数。盘面比大，说明浆叶肥大，推水的总面积大。二．螺旋浆的工作原理1、工作原理：若取一与桨毂共轴的圆筒形刀切割桨叶，将切得的断面展开后所得的面称为叶素断面。半径为r和r+Δr的两个叶素断面间的这部分桨叶称为叶素（或叶原体）。整个桨叶的作用可以看成是无数叶素作用的总和。螺旋桨在水中同时参与两种运动，即绕桨毂轴线的回转运动和沿桨毂轴线的轴向运动。设螺旋桨的转速为n，则在半径r处的叶素一方面以2πr•n绕轴心回转，一方面又以进速Vp前进，它相对于水的速度w即为这种速度的合成。如把叶素视为不动，根据运动转换原理，则各种速度的方向如图所示。水流速度w与弦线间的夹角称为冲角。由于叶素断面的形状与机翼断面相似，因此可以利用机翼在空气中运动时产生的升力来说明螺旋桨的受力情况。根据机翼工作的原理，在叶素上将产生升力dy和阻力dx。升力dy垂直于w，阻力dx则沿着w的方向。把升力dy和阻力dx各自分解成轴向和回转方向的分力，于是，在叶素上产生的推力dT，在回转方向产生阻力dQ。此阻力作用在距轴心半径r的叶素上，它对螺旋桨产生一个阻力矩dM=rdQ。螺旋桨桨叶是由无数叶素合成的，各桨叶所有叶素上产生的推力dT的总和即为螺旋桨的推力T。各桨叶所有叶素上产生的阻力矩dM的总和即为螺旋桨的阻力矩M。因此，为了使螺旋桨产生推力，必须由主机发出功率克服螺旋桨的阻力矩。2、滑失与滑失率当螺旋浆在水中运动时，水被它推向后移，由于螺旋桨和水之间存在轴向方向的相对滑动，因此螺旋浆前进的距离比螺距要小，这种现象称为滑失现象。螺旋浆旋转一周在轴向前进的距离称为进程hp，进程与浆直径的比值称为进程比λp=hp/D。螺距H与进程的差值（H-hp）称为滑失。H-hp/H称为滑失比（率），即：•S=（H–hp）/H•=（H·n–Vp）/H·n三．螺旋浆的工作特性1）螺旋桨的推力：T=K1ρn²D**4（N）=C1n²2）螺旋浆的阻力矩：M=K2ρn²D**5（N·m）=C2n²3）螺旋浆的效率：ηp=K1λp/2πK2=C04）螺旋浆的功率：Pp=2πnM=C·n³螺旋桨的工作曲线对于几何形状一定的螺旋桨，推力系数K1和扭矩系数K2都取决于进程比，其随进程比的变化规律如图。Λp=hp/D=vp/nD对于一定的螺旋桨，进程比取决于船舶的航行工况。4．影响螺旋浆特性的因素1）螺旋浆结构参数桨的结构参数主要有直径D、螺距比H/D。直径D对螺旋桨产生的推力和吸收的扭矩影响很大，分别为四次方和五次方的关系，所需要的功率也是五次方的关系。对于同一直径的螺旋桨，其螺距越大即H/D越大，所需的功率也越大，因此螺旋浆的特性曲线越陡。对于一定功率的主机，必须选配合适的螺旋桨。若直径D和螺距H/D过大，则螺旋桨会过重，主机带不动，它在高转速下运转时，就会造成超负荷。若D或H/D选得过小，则螺旋桨会过轻，主机就不能充分发挥它的做功能力。2）船舶航行工况船舶航行工况的变化，既包括航行的自然条件变化，如风浪大小、水深的变化，也包括各种机动操纵时的过渡过程，如船舶的加速、减速、倒航等。当船体污底、载重量增加、顶风、浪大和转弯等时，λp减小，表明船体阻力增加，此时航速变慢，K1、K2都增加，推力和阻力矩也都增大，应注意防止主机超负荷；当船舶空载、轻载或顺风时，λp增大，表明船体阻力减小，此时航速变快，K1、K2都减小，推力和阻力矩也都减小，应注意减小油门防止主机超速。不同航行工况下推力与阻力矩的变化（1）无进程情况：相当于系泊工况，Vp=0，λp=0，水流将从垂直于轴线方向流入，螺旋桨只有旋转运动而无轴向移动。此时K1、K2都最大，升力和推力重合，推力和阻力矩都达到最大值。在此情况下，管理人员应注意控制柴油机油门和转速，以免主机超负荷。（2）λp减小情况：相当于主机转速不变，由于船体污底、载重量增加、顶风、浪大和船舶转弯等原因，船体阻力增加，船速变慢。随着λp的减小，K1、K2都增加，而转速不变，推力和阻力矩也都增加。在这种情况下，必须防止主机超负荷。（3）λp增加情况：相当于船舶空载、轻载或顺风航行，船体阻力减小，主机仍保持原来的转速，船速会增大。随着λp的增加，K1、K2都相应减小，因此推力和阻力矩都会减小。此时，轮机人员应减小油门格数，维持主机的转速，使之不超过额定值。（4）无推力情况：当螺旋桨进程hp稍大于螺距H而出现负的滑失时，水流的合成速度W就以某一负的冲角流向叶素，此时升力dy很小，而阻力dx仍有一定值，结果dy和dx在轴向的分力大小相等方向相反，互相抵消，因此推力为零。但此时螺旋桨的阻力dQ仍有一定值。（5）无阻力矩情况：若进程进一步增大，致使升力和阻力在周向的分力大小相等方向相反时，螺旋桨的阻力dQ为零。但此时的推力已为负值，阻止船舶前进。（6）水涡轮情况：若进程继续增加，螺旋桨会产生负的推力和负的转矩，此时螺旋桨的作用就变成了一只水涡轮，即螺旋桨吸收水流冲击的能量而发出转矩带动主机回转。第五节．可调螺距螺旋桨一．调距浆的工作特性1)调距浆的产生：Pp=C·n³在不同的航行工况下，随航行阻力的增加，螺旋桨的进程比λp将减小。如图，随阻力系数的增加，螺旋桨的推进特性变陡。在前面分析已知，在外界航行条件不变下，随H/D的增大，螺旋桨的特性也变陡。因此，当外界航行工况变化时，若要维持原转速，可以通过改变螺距比来实现。如阻力增加，则可以通过减小螺距，从而使螺旋桨回到原特性下工作。调距浆定义：根据航行外界条件变化时，通过调节螺旋浆的螺距H，即使浆叶螺旋面与浆毂做相对转动，从而维持螺旋浆特性不变。2）工作特性：由一系列不同螺距相同直径的定距浆特性组合而成。（1）推力系数与进程比的关系（2）扭矩系数与进程比的关系从图中可见，当航行阻力不变时，螺距越大，则相同转速下的推力和转矩越大。因此当船舶航行阻力发生变化时，可通过改变螺距比来控制螺旋桨转速和转矩及推力的关系，从而满足船舶阻力变化的需要。调距桨的功率与转速的关系在外界航行工况不变的条件下，即进程比不变下，随H/D的增加，螺旋桨特性变陡，从图中可以看出，在相同转速下，H/D越大，螺旋桨所需的功率越大。二．调距浆的优点：1）对船舶航行条件的适应性强。如图，任意一条等转矩线（0.26）和一系列等螺距线相交。无论船舶阻力因素（进程比）如何变化，只要适当选用螺距比即可使转矩系数不变。因此调距桨具有可使转矩系数保持不变的性能，不论外界工况如何变化，即可使主机保持原转速。但虽然主机的功率和转速可以不变，可螺旋桨的效率将发生变化。同时随船舶阻力的增加，船舶的航速要下降。2）在非设计工况下经济性好。（1）非设计工况下调距桨的效率高。由于调距桨的毂径比定距桨大，在设计工况下效率稍小。然而在非设计工况下，随螺距的改变，调距桨有不同的效率曲线，若让螺旋桨工作在这些效率曲线的最高效率点的包络线上，则调距桨的效率就比定距桨高得多。（2）非设计工况下调距桨的油耗率低。如图为调距桨的航行曲线，调距桨可以在主机额定转矩线1、最大转速线2和最低稳定转速线3之间内的任何一点上工作。在不同的航速下，都有许多n和H/D的配合。因此，当主机在部分负荷下工作时，可以按主机油耗率最小的n与H/D配合点工作。如图，1为等油耗率曲线，2为定距桨的推进特性线，3为最低油耗率线，4为主机全负荷速度特性。因此，在非设计工况下调距桨的经济性好。按螺旋桨效率高选取的n-H/D组合和按油耗率低选取的n-H/D组合并不重合，但调距桨可以选择兼顾两个最佳一组配合，使经济性最好。如图，不同的航速下，有不同的最佳n-H/D配合点，将这些点连接起来就得到最佳经济性曲线。3）船舶的机动性得到提高。调距桨船的操纵特点：船速可通过主机转速和桨的螺距两个参数来调节；船舶的进推可通过使螺距角的正、负变化来完成。因此提高船舶的机动性：（1）换向可通过改变螺距来实现可缩短换向时间；（2）反向推力比定距桨大；（3）可实现无级调速。4）有利于驱动辅助机械由于主机可以恒速运转，因此对于轴带发电机和辅助机械的工程船舶（挖泥船、消防船等）特别有利。5）延长发动机的使用寿命。因可使主机保持恒速运行和不必换向，减少磨损和简化结构。6）便于实现遥控。3、调距浆的缺点：（1）调距浆和轴系构造复杂，造价高；（2）因浆毂中有转叶机构，使可靠性降低，同时维护保养困难，一旦损坏必须进坞。（3）设计工况下推进效率比定距浆低1-3%。（4）叶根厚度增大，使桨叶根部容易产生空泡腐蚀。（定距桨则在0.9R至叶梢易于产生空泡腐蚀）三．调距浆的动作原理和组成1）动作原理：1-伺服油缸；2-动力活塞；3-配油轴套；4-控制阀；5-反馈装置；6-操纵杆。当驾驶台发出调距指令时，C点不动，B点随A点动，使伺服油缸一面进油，另一面回油，推动活塞移动；随活塞运动，A点不动，B点随C点动，当动力活塞移动到要求位置时，控制阀刚好复位。图中调距机构为动态稳距，若油路中采用单向止回阀则为静态稳距。2）调距桨的组成（1）带转叶机构的调距浆：包括可转动的浆叶、浆毂和浆毂内部装设的转动浆叶的转叶机构。（一）曲柄连杆式转叶机构（二）曲柄滑块式转叶机构（三）曲柄销槽式转叶机构（2）传动轴：由浆轴和配油轴组成，两者用套筒联轴器连接，传动轴中空，装调距杆或当伺服油缸位于浆毂时作为进排油通道。（3）调距机构：包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞、分配压力油的配油轴套、浆叶定位和浆叶位置的反馈装置及其附属设备。其作用是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。（4）液压系统：由油泵、控制滑阀、油管及管件组成，其作用是为伺服油缸提供压力油。（5）操纵系统：由操纵台、控制、指示系统组成。其作用是按预先确定的控制程序同时调节发动机的转速和调距浆的螺距，以获得所要求的工况。调距桨在船上的布置如图。应急浆叶锁紧机构：在应急情况下，将浆叶固定在一定的正螺距值，使之变为定距浆工作。5、调距桨的控制（1）双手柄控制分别控制主机转速和螺旋桨的螺距。（2）单手柄控制（联合控制）同时控制主机转速和螺旋桨的螺距，联合控制。常用联合控制方式。1）按最佳螺距-转速控制系统：图a右边凸轮控制主机调速器，左边凸轮控制螺距。主机调速器控制主机