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船用螺旋桨的工作原理

  船用螺旋桨的工作原理:可以把螺旋桨看成是一个一面旋转一面前进的机翼进行讨论。流经桨叶各剖面的气流由沿旋转轴方向的前进速度和旋转产生的切线速度合成。

  

    在螺旋桨半径r1和r2(r1<r2)两处各取极小一段,讨论桨叶上的气流情况。V—轴向速度;n—螺旋桨转速;φ—气流角,即气流与螺旋桨旋转平面夹角;α—桨叶剖面迎角;β—桨叶角,即桨叶剖面弦线与旋转平面夹角。显而易见β=α+φ。空气流过桨叶各小段时产生气动力,阻力ΔD和升力ΔL,合成后 总空气动力为ΔR。ΔR沿飞行方向的分力为拉力ΔT,与旋螺桨旋转方向相反的力ΔP 阻止螺旋桨转动。将整个桨叶上各小段的拉力和阻止旋转的力相加,形成该螺旋桨的拉力和阻止螺旋桨转动的力矩。

  

    从以上还可以看到。必须使螺旋桨各剖面在升阻比较大的迎角工作,才能获得较大的拉力,较小的阻力矩,也就是效率较高。螺旋桨工作时。轴向速度不随半径变化,而切线速度随半径变化。因此在接近桨尖,半径较大处气流角较小,对应桨叶角也应较小。而在接近桨根,半径较小处气流角较大,对应桨叶角也应较大。螺旋桨的桨叶角从桨尖到桨根应按一定规律逐渐加大。所以说螺旋桨是一个扭转了的机翼更为确切。

  

    气流角实际上反映前进速度和切线速度的比值。对某个螺旋桨的某个剖面,剖面迎角随该比值变化而变化。迎角变化,拉力和阻力矩也随之变化。用进矩比“J”反映桨尖处气流角,J=V/nD。式中D—螺旋桨直径。理论和试验证明:螺旋桨的拉力(T),克服螺旋桨阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式 计算:

T=Ctρn2D4

P=Cpρn3D5

η=J·Ct/Cp

式中:Ct—拉力系数;Cp—功率系数;ρ—空气密度;n—螺旋桨转速;D—螺旋桨直径。其 中Ct和Cp取决于螺旋桨的几何参数,对每个螺旋桨其值随J变化。图1—1—21称为螺 旋桨的特性曲线,它可通过理论计算或试验获得。特性曲线给出该螺旋桨拉力系数、功 率系数和效率随前进比变化关系。是设计选择螺旋桨和计算飞机性能的主要依据之一。

  

    从图形和计算公式都可以看到,当前进比较小时,螺旋桨效率很低。对飞行速度较低而发动机转速较高的轻型飞机极为不利。例如:飞行速度为72千米/小时,发动转 速为6500转/分时,η≈32%。因此超轻型飞机必须使用减速器,降低螺旋桨的转 速,提高进距比,提高螺旋桨的效率。

 



     可调螺距螺旋桨CPP(简称可调桨或调距桨)通过设置于桨毂中的操纵机构使桨叶能够相对于桨毂转动调节螺距的螺旋桨,它是通过转动桨叶来改变螺距,从而改变船舶航速或正车、倒车,调距桨装置由桨叶、桨毂机构、轴系(艉轴、艉管、中间轴等)、配油器、液压系统和电子遥控系统等几大部件或系统组成。

   

    调距桨结构形式可以分为毂内油缸式和推拉杆式,毂内油缸式CPP其伺服油缸布置在桨毂内部,而推拉杆式CPP其伺服油缸布置在轴系上,前者一般用于大马力船舶,但油缸维修不方便,后者一般用于小马力船舶,油缸维修方便。

   

    可以在驾驶室、集控室、机旁控制CPP。在驾驶室操纵控制杆,电液伺服控制系统通过配油机构,将来自液压站的高压油输入到位于螺旋桨桨毂中的伺服油缸,并通过转叶机构,驱动桨叶,在全正车和全倒车范围内,无级调节螺距角。对于任一规定的螺距角,由主机驱动的以某一转速运转的螺旋桨将吸收的扭矩转化为推船前进的力或拉船倒退的力。

 

   

可调螺距螺旋桨与定距桨相比具有以下优点:

1. 调距桨能够在不改变螺旋桨和主机转向的情况下,仅用改变螺距的方法得到从最大正值到最大负值的各种推力值,既可以省去换向装置,又可缩短船舶换向航行的时间。

   

2. 对于多工况船舶,可以在不同航行工况下充分吸收主机的功率,利用无级变速,如若螺旋桨与主机处于联合控制模式下即同时改变主机转速和螺距比并使之匹配适当,可以使船舶在单位时间内消耗的燃料最少。

   

3. 可以使船舶微速前进,如海洋调查船、布缆船、扫雷舰等工程船和军用辅助船,要求船舶能够微速稳定航行,利用调距桨可以实现。

   

4. 改善船舶操纵性能。装有调距桨的船舶可以提高靠离码头、改变航向、紧急停车或倒车、避免碰撞的机动性能。使用调距桨的船舶停船时间大约比定距桨减少1/3,滑行距离缩短一半,这对于改善船舶操纵性能十分重要。

   

5. 在部分螺旋桨工作状态下,用置桨叶于顺水位的方法可使螺旋桨所受阻力减少。

   

调距桨具有诸多优点,但是同时也有自身的缺点:如毂径比大,螺旋桨效率降低;桨叶易产生空泡等;可调桨构造复杂,造价昂贵;维护技术要求高等。

   

泛采用调距桨的船型有:拖船、渔船、工程船(布缆船、挖泥船等)、调查船、科学考察船、油船、渡船、滚装船、破冰船等。


    安装螺旋桨毂帽鳍后,将涡流中心桨毂产生的强力整流,将向上的水流变成平稳的向后水流,从而达到回收损失的推进能量,变成船前进所需要的动力。

    螺旋桨毂帽鳍是由商船三井、西日本流体工程实验室和日本Mikado于1986年共同研发,由MOL Tech公司负责销售,是一种附着于船舶螺旋桨的能源节约型装置,以1艘大型集装箱船为例,每年可减少超过9000吨二氧化碳排放和节约3-5%燃料消耗。


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