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螺旋桨的船用桨

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  1752年,瑞士物理学家伯努利第一次提出了螺旋桨比在它以前存在的各种推进器优越的报告,他设计了具有双导程螺旋的推进器,安装在船尾舵的前方。1764年,瑞士数学家欧拉研究了能代替帆的其它推进器,如桨轮(明轮)。喷水,也包括了螺旋桨。

  潜水器和潜艇在水面下活动,传统的桨、帆无法应用,笨重庞大的明轮也难适应。于是第一个手动螺旋桨,不是用在船上,而是作为潜水器的推进工具。

  蒸汽机问世,为船舶推进器提供了新的良好动力,推进器顺应蒸汽机的发展,成为船舶推进的最新课题。

  第一个实验动力驱动螺旋桨的是美国人斯蒂芬,他在1804年建造了一艘7.6米长的小船,用蒸汽机直接驱动,在哈得逊河上做第一次实验航行,实验中发现发动机不行,于是换上瓦特蒸汽机,实验航速是4节,最高航速曾达到8节。

  斯蒂芬螺旋桨有4个风车式桨叶,它锻制而成,和普通风车比较它增加了叶片的径向宽度,为在实验中能选择螺距与转速的较好配合,桨叶做成螺距可以调节的结构。在哈得逊河上两个星期的试验航行中,螺旋桨改变了几个螺距值,但是实验的结果都不理想,性能远不及明轮。这次实验使他明白,在蒸汽机这样低速的条件下,明轮的优越性得到了充分发挥,它的推进效率高于螺旋桨是必然的结论。

  阿基米德螺旋的引入,最早见于1803年,1829年有英国的阿基米德螺旋桨的专利。并在此基础上于1840- 1841年建造了一些民用的螺旋桨。1843年,英国海军在“雷特勒”号舰上,第一次以螺旋桨代替明轮,随后由斯密士设计了20艘螺旋桨舰,参加了对俄战争,斯密士成为著名人物。

  1843年,美国海军建造了第一艘螺旋桨船“浦林西登”号,它是由舰长爱列松设计,在爱列松的积极推广下,美国相续建造了41艘民用螺旋桨船,最大的排水量达2000吨。

  尽管英、美等国取得了一些成功,但是螺旋桨用作船舶推进还有很多问题,如在木壳船上可怕的振动,在水线下的螺旋桨轴轴承磨损,桨轴密封,推力轴承等。

  随着技术的进步,螺旋桨的上述缺陷,一个一个地克服,以及蒸汽机转速的提高,愈来愈多螺旋桨在船上取代明轮。到1858年,“大东方”号装有当时世界上最大的螺旋桨,它的直径有7.3米,重量达36吨,转速每分种50转,当时,推进器标准不再具有权威性,由于螺旋桨的推进效率接近明轮,而且它却具有许多明轮无法竞争的优点,明轮逐步在海船上消失。

  在科学技术发展过程中,许多机械装置的性能在人们还不太清楚的时候,就已经广泛使用了。但是人们在不完全理解它的物理规律和没有完整的理论分析以前,这些装置很难达到它的最佳性能。螺旋桨也不例外,直到1860年,虽然它在海船上已经成为一枝独秀,但是它的成就全都是依靠多年积累的经验。螺旋桨的进步,只依靠专家们的直观推理,已经不能满足船舶技术的发展需要,它有待科学家对其流体动力特性做出完整的解释,这就促使螺旋桨理论的发展。

  螺旋桨的理论研究,在船舶技术发展过程中,它比任何一个专业领域都做得多,从经验方法过渡到数字化设计,再进而应用计算机技术进行螺旋桨最佳化的设什。一个好的螺旋桨其设计是非常重要的,模型试验也起着主要的作用。 1836年,英国的“阿基米德号”使用了螺旋推进器,那是一个木制的长长的像螺丝钉的螺杆 。开始试验时,它以每小时4海里的航速航行。突然,水中的障碍物碰断了螺杆,只剩了一小截。正当造船工程师史密斯急得不知所措时,这船却意外地加快了速度,达到每小时13海里。这事启发了造船工程师们,他们把长螺杆变成短螺杆,又把短螺杆变成叶片状,螺旋桨就这样诞生了。

  1845年,英国制成了世界上第一艘螺旋桨船 “大不列颠号”,但是,当时的人们对螺旋桨和螺旋桨船存在疑虑螺旋桨没有等到广泛应用, 螺旋桨船还不多。 由于我国自19世纪中叶沦为半殖民地,很少有贡献。解放后,我国造船事业得到新发展,对螺旋桨技术也进行了大量设计、研究工作,为各类舰船配上了大量自己设计制造的螺旋桨。最值得骄做的是“关刀桨”的问世,它是我国在螺旋桨技术发展中的一大创造。那是在60年代,广州文冲船厂有一位师傅,名叫周挺,他根据自己几十年制做螺旋桨的经验,把螺旋桨的桨叶轮廓做成三国演义中关公的82斤重大刀的式样,他形象地叫它“关刀桨”(图4)。

  “关刀桨”曾在一些船上试验航行,提高了船的航速,更奇的是螺旋的振动却大大地减弱了。在当时的长江2000马力拖轮和华字登陆艇上使用,都取得了良好的效果,这一成就,吸引了许多造船界人士。1973年,在上海首先做了“关刀桨”敞水试验研究,同时还提供了设计图谱。有趣的是,在世界著名造船国家今天开发的“大侧斜”螺旋桨,如(图5)最新舰用大侧斜螺旋桨,直径6.3米,轴功率35660千瓦,舰航速达32.8节;图6所示是最新在客渡船上采用的大侧斜螺旋桨,该桨直径5.1米,轴功率15640干瓦,船航速为23.2节。图7所示是最新化学品船上采用的大侧斜螺旋桨,该桨直径6.2米,轴功率10400千瓦,船航速16.7节。它们和“关刀桨”非常相似,其重要特征是振动,噪声小,这也是“关刀桨”所具有的特点。常州中海船舶螺旋桨公司造出我国民企最大船用螺旋桨,可以提供最好的“关刀桨”。 功率(W) 直径(D)螺距(P) 转/分(N)

  静止推力(Th)g=(D/10)的3次方*(P/10)*(N/1000)的2次方*22 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(r1r2)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。

  从以上两图还可以看到。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。

  从图中还可以看到,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:

  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。

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