船用螺旋槳研究進(jìn)展

許 磊，徐蘇華，白二亮

（南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226013）

0 引言

船舶推進(jìn)器是推動(dòng)船舶前進(jìn)的機(jī)構(gòu)，可把自然力、人力或機(jī)械能轉(zhuǎn)換為推動(dòng)船舶前進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換器[1]。船舶在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到來(lái)自水的阻力，必須供給船舶一定的推力，以克服船舶在水中所受的阻力，從而推進(jìn)船舶前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

船舶推進(jìn)器的類(lèi)型較多，在古代時(shí)已發(fā)明多種推進(jìn)器，如槳、篙、櫓、帆。噴水推進(jìn)器在蒸汽機(jī)出現(xiàn)之前就已經(jīng)有人開(kāi)始研究，但由于經(jīng)濟(jì)性差、效率較低未能得到廣泛應(yīng)用。隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，蒸汽動(dòng)力在船上得到應(yīng)用，人們開(kāi)始研究使用何種推進(jìn)器在船上最為實(shí)用，包括機(jī)動(dòng)篙、機(jī)動(dòng)劃槳、明輪、螺旋槳在內(nèi)。在這些推進(jìn)器中，螺旋槳因具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、效率較高等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，成為目前應(yīng)用最廣的船舶推進(jìn)器。

1 螺旋槳是船舶主要推進(jìn)器

在19 世紀(jì)初期，人們就已確立使用螺旋槳作為船舶推進(jìn)器并爭(zhēng)相對(duì)螺旋槳開(kāi)展研究，使之設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用于實(shí)船上。在經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)研究后，螺旋槳在實(shí)船上的使用效果顯著，并從19 世紀(jì)中葉后得到廣泛應(yīng)用。隨著時(shí)間的進(jìn)程，螺旋槳的形狀和型式得到進(jìn)一步發(fā)展和完善。

螺旋槳通常布置于船舶艉部，主要由槳葉和槳轂兩部分構(gòu)成。由于船舶在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到來(lái)自水和空氣的總阻力，螺旋槳的作用力與水流情況密切有關(guān)，依靠撥水向后來(lái)產(chǎn)生推力，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。螺旋槳與船體和主機(jī)構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，船體是能量的需求者，螺旋槳是能量的轉(zhuǎn)換器，主機(jī)是能量的發(fā)生器，這三者之間的工作狀態(tài)及能量轉(zhuǎn)換相互關(guān)聯(lián)和牽制。主機(jī)通過(guò)軸系將發(fā)出的功率傳遞給螺旋槳，但由于軸系存在損耗使得主機(jī)的功率不能完全傳遞給螺旋槳，故螺旋槳實(shí)際收到的功率總是小于主機(jī)發(fā)出的功率[2]。

2 新型螺旋槳的發(fā)展應(yīng)用

新型螺旋槳是在對(duì)普通螺旋槳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的新突破，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)節(jié)能船型和新型船型的需要，如CLT 螺旋槳、Kappel 螺旋槳、NPT 螺旋槳、阿尼松表面槳、自重構(gòu)變形槳葉螺旋槳、殼形螺旋槳。

2.1 CLT 螺旋槳

CLT 全稱(chēng)Contracted Loaded Tip，CLT 螺旋槳是一種新型的螺旋槳，收縮型葉梢有載螺旋槳。與常規(guī)的螺旋槳相比，CLT 螺旋槳在葉梢上安裝端板，面向壓力面；在葉梢處剖面有邊界元，葉梢的弦桿有限；葉梢承受實(shí)際的重量；從葉根到葉梢，螺距無(wú)變化的增加。螺旋槳在運(yùn)動(dòng)中，正壓產(chǎn)生在槳葉的后方，負(fù)壓產(chǎn)生在槳葉的前方，從而產(chǎn)生推力。隨著槳前槳后壓力差的增大，螺旋槳的敞水效率也會(huì)增大。為了分隔開(kāi)2 個(gè)壓力場(chǎng)，CLT 螺旋槳在葉梢處安裝邊界元，有效阻止葉梢處壓力相互干擾，能夠保持槳葉有較大的壓力差。CLT 螺旋槳能有效減少尾流誘導(dǎo)能量損失，效率提高3%～4%，已廣泛應(yīng)用在油船、滾裝船、散貨船等多種船型上。

2.2 Kappel 螺旋槳

與普通螺旋槳相比，Kappel 螺旋槳采用創(chuàng)新的梢鰭狀設(shè)計(jì)，在槳葉0.8758 R 以上部分以圓滑的弧形向前彎曲。采用這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)能夠保持槳葉兩側(cè)的壓力差，減少水流從高壓端流向低壓端，減小葉梢端的渦流能量損失，從而提高螺旋槳的推進(jìn)效率。該型式的螺旋槳可以使推進(jìn)效率提高3%～6%[3]。

2.3 NPT 螺旋槳

NPT 全稱(chēng)New Profile Technology，NPT 螺旋槳是一種“新式外形技術(shù)”螺旋槳，可減小槳葉的表面積和摩擦力，降低能量損失。此外，NPT 螺旋槳可有效改善空泡性能，減少傳遞到船體的激振力，提高推進(jìn)效率。

2.4 阿尼松表面槳

尼松表面槳是當(dāng)今效率最高的推進(jìn)系統(tǒng)之一，水下阻力可減少50%。船舶在航行時(shí)，阿尼松表面槳只有槳葉和尾鰭的表面與水接觸，具有良好的加速性和效率，應(yīng)用在10 ～70m 的高速船上效果更佳。

2.5 自重構(gòu)變形槳葉螺旋槳

自重構(gòu)變形槳葉螺旋槳是一種自動(dòng)開(kāi)閉式的槳葉，為平面活頁(yè)式的葉片形式。當(dāng)槳葉劃至0°～90°，槳葉由完全閉合狀態(tài)逐步過(guò)渡到半展開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)槳葉劃至90°～180°，槳葉最大面積的與數(shù)接觸，將自動(dòng)完全展開(kāi)；當(dāng)槳葉劃至180°～270°，槳葉由全展開(kāi)狀態(tài)逐步過(guò)渡到半閉合狀態(tài)；當(dāng)槳葉劃至270°～360°時(shí)，槳葉由半閉合狀態(tài)逐步過(guò)渡到完全閉合狀態(tài)，提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

2.6 殼形螺旋槳

殼形螺旋槳的形狀類(lèi)似海生物“蚌殼”。相較普通螺旋槳葉面，殼形螺旋的曲面采用雙向內(nèi)凹曲面。采用這種內(nèi)凹的葉切面能夠減少殼形螺旋槳的螺距，在船舶處于高速航行時(shí)葉切面攻角接近于0，在船舶處于低速拖航時(shí)攻角減少。在不同的工況下，可減小葉切面阻力，提高推進(jìn)效率。殼形螺旋槳特別適用在拖船上，該槳在保證航速和同等條件下，殼形螺旋槳比普通螺旋槳的拖力增加10%～20%。

3 特種螺旋槳的發(fā)展應(yīng)用

根據(jù)不同船舶的工作要求，在普通螺旋槳的基礎(chǔ)上發(fā)展出特種螺旋槳，如可調(diào)螺距螺旋槳、大側(cè)斜螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳、對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳、串列螺旋槳。

3.1 可調(diào)螺距螺旋槳

相較固定螺距的普通螺旋槳，可調(diào)螺旋槳的螺距可以調(diào)節(jié)改變。可調(diào)螺旋槳的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，螺距的調(diào)節(jié)改變主要是利用槳轂中的操縱機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)船舶在不同狀態(tài)下航行時(shí)，可調(diào)螺旋槳的螺距可根據(jù)實(shí)際航行需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，使主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速得到充分發(fā)揮。相對(duì)來(lái)說(shuō)，可調(diào)螺旋槳的成本較高，維修較為復(fù)雜。

3.2 大側(cè)斜螺旋槳

大側(cè)斜螺旋槳是指百分比超過(guò)50%。通常采用側(cè)斜角與360/N 的百分比來(lái)表示螺旋槳的側(cè)斜程度，N 為螺旋槳葉數(shù)。對(duì)于4 葉槳來(lái)說(shuō)，側(cè)斜角要大于45°才能被稱(chēng)為大側(cè)斜螺旋槳；對(duì)于5 葉槳來(lái)說(shuō)，側(cè)斜角要大于36°；對(duì)于6 葉槳來(lái)說(shuō)，側(cè)斜槳要大于30°。與普通螺旋槳相比，大側(cè)斜螺旋槳可減小螺旋槳不定常的表面力、軸承力及力矩。

3.3 導(dǎo)管螺旋槳

導(dǎo)管螺旋槳是在螺旋槳周?chē)友b一個(gè)套筒，套筒的縱剖面為機(jī)翼型或與機(jī)翼剖面相似的線(xiàn)型。螺旋槳槳葉和導(dǎo)管之間的間隙很小，槳葉尖的繞流損失得以被限制；導(dǎo)管內(nèi)部流速高、壓力低，在管壁上由于導(dǎo)管內(nèi)外的壓力差會(huì)產(chǎn)生附加推力；導(dǎo)管能減少螺旋槳后的尾流收縮，減少能量損失，從而有效提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

3.4 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳

對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳是由2 個(gè)普通螺旋槳一前一后裝在同心的內(nèi)外兩軸上，且這2 個(gè)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。在這2 個(gè)螺旋槳中，布置在后面的螺旋槳直徑小于布置在前面的螺旋槳直徑，但轉(zhuǎn)速高于布置在前面的槳。采用單個(gè)螺旋槳作為推進(jìn)，螺旋槳尾流中的渦動(dòng)能量得不到充分利用。但采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳?jiǎng)t不同，前面的螺旋槳會(huì)產(chǎn)生渦動(dòng)能量，布置在后面的螺旋槳將其轉(zhuǎn)化為有效的推進(jìn)動(dòng)力，提高推進(jìn)效率。

3.5 串列螺旋槳

串列螺旋槳是將2 個(gè)或3 個(gè)螺旋槳在同一軸上串列安裝，并以相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行同向轉(zhuǎn)動(dòng)。在螺旋槳的直徑受到限制時(shí)，串列螺旋槳能夠使槳葉面積加大，吸收較大功率，可避免空泡和減少振動(dòng)。但串列螺旋槳的數(shù)量增多，重量較大，槳軸較長(zhǎng)，從而增加安裝布置的難度。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今船舶的航行離不開(kāi)螺旋槳，特別是在全球能源緊缺、保護(hù)環(huán)境的要求下，螺旋槳的好壞對(duì)船舶的使用性能和航運(yùn)業(yè)的“節(jié)能減排”有著重要的影響。為了滿(mǎn)足各類(lèi)新型船舶和節(jié)能船舶的實(shí)際需要，期待更多新型高效的螺旋槳在船舶上進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。