《主推进动力装置（二三管轮）》-13第十三章 螺旋桨

第十三章

螺旋桨第一节螺旋桨的结构及工作原理螺旋桨是指靠桨叶在水中旋转，将发动机转动扭矩转化为推进力的装置，船用螺旋桨主要包括固定螺距螺旋桨和可调螺距螺旋桨两类。本节要求熟悉螺旋桨相关知识，包括固定螺距螺旋桨、安装固定螺距螺旋桨的方法（有键连接螺旋桨、无键连接螺旋桨）和调距桨。一、固定螺距螺旋桨的结构和几何参数固定螺距螺旋桨是指在使用过程中桨叶安装角(或桨距)固定的螺旋桨。固定螺距螺旋桨结构简单，重量轻，成本低，维修方便，在船舶上广泛应用。它的主要缺点是不能在各种工作状态下均保持最佳性能。

螺旋桨是由数片桨叶连接在共同桨毂上构成。桨叶和桨毂浇铸成一个整体称整体式；也有可拆卸的称组合式。桨叶的数目通常为3～5片，极少数也有2或6片，各片之间按等距布置，如图13-1-1所示。图13-1-1定距螺旋桨的结构图13-1-2螺旋面的形成螺旋桨的压力面是一个螺旋面，如图13-1-2所示。若与轴线OO′成某一固定角度的线段ABC，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，此线段在空间划过的轨迹所形成的曲面即是螺旋面。线段上任意一点运动的轨迹为一螺旋线。二、螺旋桨的工作原理

若用一把与桨毂共轴的圆筒形刀切割桨叶，将切得的断面展平后所得的面称为叶素断面，见图13-1-3。

半径为和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个叶素作用的总和。因此，只要分析清楚叶素的作用，就可推知整个桨叶以及整个螺旋桨的工作情况。图13-1-3螺旋桨叶素作用力分析

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。我们知道，螺钉在螺母中每转动一圈时前进一个螺距。当螺旋桨在水中运动时，水被它推向后移，螺旋桨前进的距离比螺距要小，这种现象称为螺旋桨的滑失现象（或滑脱现象）。螺旋桨旋转一周在轴向前进的距离称为进程，以hp表示。进程和桨直径的比值称为进程比，以λp=hp/D表示。螺距和进程的差值称为滑失（或滑脱），即H-hp，如图13-1-4所示。滑失与螺距的比值称为滑失比，以S示之，即：

图13-1-4螺旋桨的滑失三、螺旋桨的材料和加工

螺旋桨形状复杂，尺寸和重量均较大，尤其是海船螺旋桨，直径已达8.2m、重量已达82.5吨。

第二节

固定螺距桨的工作特性和安装方法一、固定螺距桨的工作特性

应用因次比较法可以得出螺旋桨的推力

螺旋桨的阻力矩式中，KT，KQ为推力系数和扭矩系数；ρ为水的密度，kg/m3；D为螺旋桨的直径，m；n为螺旋桨的转速，r/s。

螺旋桨的效率ηp是有效功率与消耗功率（即吸收功率、得到功率）之比，而螺旋桨的有效功率Tvp，消耗功率为Mω，因此，

式中，vp为螺旋桨的进速，m/s；ω为螺旋桨的旋转角速度，rad/s；λp为进程比。

以上三个公式是螺旋桨工作性能的基本方程式。对于几何形状一定的螺旋桨，推力系数KT和扭矩系数KQ都取决于进程比λp，它们之间的变化关系可由实验测得，如图13-2-1所示。图13-2-1推力系数KT和扭矩系数KQ与进程比λp的关系

由进程比定义式λp=hp/D=vp/nD可知，对于一定的螺旋桨，λp取决于船舶的航行状态，即取决于船舶的航行工况。因此，当船舶在某一工况下稳定航行时，螺旋桨就有一个固定的λp值，KT和KQ也成为常数。螺旋桨直径D是固定不变的，水的密度ρ也可认为不变，这样，可把螺旋桨工作性能的基本方程式表示为

式中，系数Cl，C2，C0取决于船舶航行工况，当船舶在不变的工况下稳定航行时，均为常数。螺旋桨的功率

式中，系数C和Cl，C2，C0一样，也取决于船舶航行工况。

以上公式说明螺旋桨的推力和扭矩与其转速的平方成正比，螺旋浆吸收的功率与其转速的立方成正比。将以上三式绘成曲线，此曲线即称为螺旋桨的特性曲线，如图13-2-2所示。图13-2-2螺旋桨特性二、影响螺旋桨特性的因素

影响螺旋桨特性的因素是多方面的，但可概括为以下两个主要方面。1）螺旋桨结构参数的影响

桨的结构参数主要有直径D、螺距比H/D。

由公式

和

公式，可看出，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，其螺距比越大即H/D越大，它所需要的功率也越多。图13-2-3示出不同对螺旋桨功率特性的影响，H/D越大，曲线就越陡。图13-2-3H/D对螺旋桨功率特性的2）船舶航行工况的影响

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、水深的变化等，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。(1)无进程情况。无进程情况相当于系泊工况。此时vp=0，即λp=0，如图13-2-4（a）所示，水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。如图13-2-1可知，此时KT与KQ都最大，升力和推力重合，推力和阻力矩都达到最大。此种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。λp减小相当于主机转速未变，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。由图13-2-1可知，随着λp的减小，KT与KQ都增加，而转速未变，阻力和力矩也都增加。在这种情况下，必须止主机超负荷。

（3）λp增大情况。λp增大相当于船空载、轻载或顺风航行，船体阻力减小，主机仍保持原来的转速，船速增大。随着λp的增大，KT与KQ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大于螺距H而出现负的滑失时，水流的合成速度w以某一负的冲角流向叶素，如图13-2-4（b）所示。此时的升力dy很小，而阻力dx仍有一定值，结果dy和dx在轴向的分力dTy和dTx的大小相等，方向相反，相互抵消，因此推力为零，这就是零推情况。但是，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，致使升力和阻力在轴向的分力大小相等、方向相反，螺旋桨的阻力dQ为零，这就是零矩情况，如图13-2-4（c）所示。但是，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。就是说，螺旋桨吸收了水流冲击的能量，而产生转矩带动主机回转。图13-2-4螺旋桨的推力和阻力矩随航行工况的变化三、安装固定螺距螺旋桨的方法

螺旋桨是通过桨毂与艉轴(螺旋桨轴)连接在一起的，主要有机械连接、环氧树脂胶黏剂连接和油压无键套合连接等三种连接方式。（1）机械连接

采用传动键连接螺旋桨与艉轴是一种传统的连接方式，沿用至今。传动键连接如图13-2-5（a）所示。图13-2-5螺旋桨与艉轴的连接方式(a)机械连接：1-桨毂；2-键；3-密封；4-艉轴衬套；5-艉轴(b)胶黏剂连接：1-环氧树脂胶黏剂；2-螺旋桨；3-艉轴(c)油压套合连接：1-千斤顶；2-螺旋桨；3-百分表及表架；4-艉轴；5、6-油泵；7-压力表（2）环氧树脂胶黏剂连接

沿海及内河船舶的螺旋桨直径D<4.5m时，允许采用有键环氧树脂胶黏剂安装，即同时采用键连接与环氧树脂胶黏剂胶合连接。现在广泛用于内河及沿海中、小型船舶。如图13-2-5（b）所示。（3）油压无键套合连接

目前国内外新造船舶的螺旋桨与艉轴均采用油压无键套合连接。它是把桨毂锥孔内表面车有螺旋槽的螺旋桨装在艉轴上，如图13-2-5（c）所示。

用油压安装无键螺旋桨时，关键是螺旋桨套合到艉轴上的轴向推入量S。保证桨在艉轴套合后正常运转所需的推入量为最小推入量S1；套合后产生的应力为螺旋桨材料屈服极限的70％时的轴向推入量为最大推入量S2。油压无键套合安装螺旋桨时，桨在艉轴上的轴向推入量S应在S1与S2之间，即满足下式第三节

可调螺距螺旋桨

桨叶和桨毂相对位置在运转过程中可以改变的螺旋桨称为可调螺距螺旋桨。可调螺距螺旋桨也称可变螺距螺旋桨，简称变距螺旋桨、可调桨、调距桨等。一、可调螺距螺旋桨的结构

调距桨装置包括五个基本组成部分。

(1)调距桨它包括桨毂、桨毂内部装设的转动桨叶的转叶机构和可转动的桨叶等。

(2)传动轴一般由螺旋桨轴和配油轴组成，两者用套筒联轴器相连。这种传动轴和定距桨的传动轴不同，它是中空的，其中装调距杆；或者，当伺服油缸位于桨毂内时，中空的传动轴作为进、排油通道。

(3)调距机构它包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞，分配压力控制油给伺服油缸的配油器，桨叶定位和桨叶位置的反馈装置及其附属设备等。

(4)液压系统主要由油泵、控制阀（换向阀）、油箱和管件等组成。它的作用是为伺服油缸提供符合要求的液压油。

(5)操纵系统主要由操纵台、控制和指示系统组成。它的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桨的螺距，以获得所要求的工况。

调距桨转叶机构的作用是将往复运动转变为回转运动。转叶机构如图13-3-1所示。其中图（a）为曲柄滑块式，十字头上开槽，槽中设滑块。图（b）为曲柄销槽式，十字头上带销，曲柄上开槽。这两种形式都可将十字头的往复运动变为曲柄的回转运动。它们的结构简单紧凑，传递扭矩能力大，应用广泛。图13-3-1转叶机构示意图二、可调