螺旋桨新技术.doc

造 船 技术Shipbuilding Technology 提 高 螺 旋 桨 效 率 的 新 方 法制作：大连造船重工科技部情报室 日期：2003年11月7日 来源：世界海运2002.2.自从船舶的推进装置采用了螺旋桨后，人们就不断地采取了各种各样的方式，例如用气垫式制成气垫船等将船的速度在过去的几十年里提高了许多，但在螺旋桨的结构及制造方面并无突破性进展、仍然是老样子，只是在桨叶的数量上有少许改进，但这都不能从根本上解决螺旋桨的效率问题。1问题的提出传统的教科书均认为，螺旋桨前后的水流可视为在一根无形的管中流动的水流。设桨叶前的水流流速为V1，截面积为Al，流体密度为l，桨叶后的水流流速为V2，截面积为A2，流体密度为2，那么，根据流体力学原理，在单位时间内通过两个截面的流体质量应相等，所以，有l VlA12 V2 A2。又由于l2V2Vl，所以，A1A2根据以上分析，水流经桨叶后，流管内由于水流的轴向速度增加，所以，流管剖面有所收缩，如图1。流经桨叶的水流果真像教科书所讲的那样有所收缩吗？事实上，流经桨叶后的水流变化非常复杂，绝非普通教科书所讲的那样简单。实验1 如果我们在池塘边安装一台抽水肌，如抽水机的出水管很短，即水流刚刚经过叶轮就不受管壁的束缚，这时候，我们就会发现经过叶轮的水流并不像我们想象的那样变细，而是水流随叶轮一起扭转，其运动轨迹为螺旋型，向四周扩散，呈发散状，其截面比原来的大，A1A2。实验2 当你打开一台台式电风扇，使其处于不摆动状态，人站在风扇的对面，当然有很大的风，但是，当人站在风扇的旁边更远一点的地方，你仍然能感觉到有阵阵清风掠过，并不一定要站在叶片的正对面，这也正说明风经叶片后向四周发散，其截面积比原来的要大，A1A2。2问题的关键 通过对以上两个实验的分析，可以看出水流经过叶轮前后的变化。那么，是不是说流体力学的原理在这里不适用了呢？肯定不是。其实，经过螺旋桨加速后的水流与仅在一个方向上加速后的水流之间有很大的不同。只要我们分析一下螺旋桨的工作原理，就不难理解其中的奥秘。实际上，主机的转矩通过轴传递给螺旋桨使它转动。流经桨叶工作面的流体受到转矩的作用，根据动量矩定理，这部分流体才获得动量矩，所以通过螺旋桨流出的水流将顺其旋转方向扭转。这样，螺旋桨在工作时，除了在流体中产生的轴向诱导速度外，还会产生切向诱导速度。简单地讲，我们可以将流经桨叶后的水流当作一个在做螺旋运动的质点，如图2。其中，Vx为轴向速度，Vy为切向速度，为攻角，V2为合成速度。由图2可以看出，真正使船获得推力的只有Vx Vy是无用的。流经桨叶后的水流很复杂，其大致的界面分布如图3。另外，经桨叶后水流流速沿径向的分布是不均匀的，大致的径向速度分布如图4表明的，在桨叶的R处速度达最大值，此后随着半径增加，速度逐渐减缓，当径向值超过桨叶的半径时，速度迅速减少，直至为零。 还有，由于螺旋桨的快速转动，使桨叶后的水流翻滚，产生大量的气泡，使得单位体积的水的质量减少，所以，l2，这样，我们就容易理解为什么AAl的道理了。3问题的解决通过对以上问题的分析，我们了解到螺旋桨转动产生的动能主要用在使水流产生轴向和切向的速度，然而，水流在切向获得的动能对船舶来说是无用的。经研究表明，螺旋桨产生的动能大约20%左右转换咸水流在切向的动能。那么，如何将这部分无用功转换成推动螺旋桨前进的有用功呢？这对于提高螺旋桨的推进效率将大有裨益。3.1现有的方法目前有一种认可的方法是使用导流管，将水流在切向的部分动能转化成轴向的动能，如图5。这种方法虽然在理论上可行，但很少有船在实际中采用，原因一是能量转换的效率低，从图5中可以看出，从桨叶中排出的水流以一定的角度流向管壁，与管壁碰撞损失一部分能量后又反射回来，相当一部分能量在这一过程中被损失掉。第二是导流管庞大，设计、安装、保养不便，还很容易与其他海上漂浮物绞缠在一起。那么，有没有一种方法可以将流经螺旋桨盘面的所有水流动能都转换成在轴向的动能呢？下面介绍一种可行的方法供同行们参考。3.2新的方法我们可以这样设想：将螺旋桨的每一片桨叶的末端都弯成90的光滑弧型，并适当加长，这样，当螺旋桨在转动时，部分随桨叶扭转向径向运动的水流会通过90的光滑圆弧，平滑地改变水流方向，向轴向流去，从而有效地增加螺旋桨的推力，如图6。实验证明，这一方法是切实可行的。我们通过在水池中对相同直径，相同转速的螺旋桨产生的推力测定表明，采用新方法制成的螺旋桨产生的推力比原螺旋桨产生的推力增加15%18%，根据螺旋桨的基本理论，螺旋桨的推进效率=RV/2nQ，即与阻力R（当船以