船用可調(diào)螺距螺旋槳技術(shù)條件

1主題內(nèi)容與適用范圍

2引用標(biāo)準(zhǔn)

3術(shù)語(yǔ)

4產(chǎn)品分類

5技術(shù)要求

6試驗(yàn)方法

7檢驗(yàn)規(guī)則

8標(biāo)志、包裝、裝箱和貯存

《船用可調(diào)螺距螺旋槳技術(shù)條件(GB/T 13411-1992)》由中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版。

1752年， 瑞士物理學(xué)家白努利第一次提出了螺旋槳比在它以前存在的各種推進(jìn)器優(yōu)越的報(bào)告，他設(shè)計(jì)了具有雙導(dǎo)程螺旋的推進(jìn)器，安裝在船尾舵的前方。1764年，瑞士數(shù)學(xué)家歐拉研究了能代替帆的其它推進(jìn)器，如槳輪(明輪)。噴水，也包括了螺旋槳。

潛水器和潛艇在水面下活動(dòng)，傳統(tǒng)的槳、帆無(wú)法應(yīng)用，笨重龐大的明輪也難適應(yīng)。于是第一個(gè)手動(dòng)螺旋槳，不是用在船上，而是作為潛水器的推進(jìn)工具。

蒸汽機(jī)問(wèn)世，為船舶推進(jìn)器提供了新的良好動(dòng)力，推進(jìn)器順應(yīng)蒸汽機(jī)的發(fā)展，成為船舶推進(jìn)的最新課題。

第一個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)螺旋槳的是美國(guó)人斯蒂芬，他在1804年建造了一艘7.6米長(zhǎng)的小船，用蒸汽機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在哈得遜河上做第一次實(shí)驗(yàn)航行，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不行，于是換上瓦特蒸汽機(jī)，實(shí)驗(yàn)航速是4節(jié)，最高航速曾達(dá)到8節(jié)。

斯蒂芬螺旋槳有4個(gè)風(fēng)車式槳葉，它鍛制而成，和普通風(fēng)車比較它增加了葉片的徑向?qū)挾?，為在?shí)驗(yàn)中能選擇螺距與轉(zhuǎn)速的較好配合，槳葉做成螺距可以調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)。在哈得遜河上兩個(gè)星期的試驗(yàn)航行中，螺旋槳改變了幾個(gè)螺距值，但是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都不理想，性能遠(yuǎn)不及明輪。這次實(shí)驗(yàn)使他明白，在蒸汽機(jī)這樣低速的條件下，明輪的優(yōu)越性得到了充分發(fā)揮，它的推進(jìn)效率高于螺旋槳是必然的結(jié)論。

阿基米德螺旋的引入，最早見(jiàn)于1803年，1829年有英國(guó)的阿基米德螺旋槳的專利。并在此基礎(chǔ)上于1840- 1841年建造了一些民用的螺旋槳。1843年，英國(guó)海軍在"雷特勒"號(hào)艦上，第一次以螺旋槳代替明輪，隨后由斯密士設(shè)計(jì)了20艘螺旋槳艦，參加了對(duì)俄戰(zhàn)爭(zhēng)，斯密士成為著名人物。

1843年，美國(guó)海軍建造了第一艘螺旋槳船"浦林西登"號(hào)，它是由艦長(zhǎng)愛(ài)列松設(shè)計(jì)，在愛(ài)列松的積極推廣下，美國(guó)相續(xù)建造了41艘民用螺旋槳船，最大的排水量達(dá)2000噸。

盡管英、美等國(guó)取得了一些成功，但是螺旋槳用作船舶推進(jìn)還有很多問(wèn)題，如在木殼船上可怕的振動(dòng)，在水線下的螺旋槳軸軸承磨損，槳軸密封，推力軸承等。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，螺旋槳的上述缺陷，一個(gè)一個(gè)地克服，以及蒸汽機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，愈來(lái)愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年，"大東方"號(hào)裝有當(dāng)時(shí)世界上最大的螺旋槳，它的直徑有7.3米，重量達(dá)36噸，轉(zhuǎn)速每分種50轉(zhuǎn)，當(dāng)時(shí)，推進(jìn)器標(biāo)準(zhǔn)不再具有權(quán)威性，由于螺旋槳的推進(jìn)效率接近明輪，而且它卻具有許多明輪無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)點(diǎn)，明輪逐步在海船上消失。

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中， 許多機(jī)械裝置的性能在人們還不太清楚的時(shí)候，就已經(jīng)廣泛使用了。但是人們?cè)诓煌耆斫馑奈锢硪?guī)律和沒(méi)有完整的理論分析以前，這些裝置很難達(dá)到它的最佳性能。螺旋槳也不例外，直到1860年，雖然它在海船上已經(jīng)成為一枝獨(dú)秀，但是它的成就全都是依靠多年積累的經(jīng)驗(yàn)。螺旋槳的進(jìn)步，只依靠專家們的直觀推理，已經(jīng)不能滿足船舶技術(shù)的發(fā)展需要，它有待科學(xué)家對(duì)其流體動(dòng)力特性做出完整的解釋，這就促使螺旋槳理論的發(fā)展。

螺旋槳的理論研究，在船舶技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，它比任何一個(gè)專業(yè)領(lǐng)域都做得多，從經(jīng)驗(yàn)方法過(guò)渡到數(shù)字化設(shè)計(jì)，再進(jìn)而應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行螺旋槳最佳化的設(shè)什。一個(gè)好的螺旋槳其設(shè)計(jì)是非常重要的，模型試驗(yàn)也起著主要的作用。

1836年，英國(guó)的"阿基米德號(hào)"使用了螺旋推進(jìn)器，那是一個(gè)木制的長(zhǎng)長(zhǎng)的像螺絲釘?shù)穆輻U 。開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，它以每小時(shí)4海里的航速航行。突然，水中的障礙物碰斷了螺桿，只剩了一小截。正當(dāng)造船工程師史密斯急得不知所措時(shí)，這船卻意外地加快了速度，達(dá)到每小時(shí)13海里。這事啟發(fā)了造船工程師們，他們把長(zhǎng)螺桿變成短螺桿，又把短螺桿變成葉片狀，螺旋槳就這樣誕生了。

1845年，英國(guó)制成了世界上第一艘螺旋槳船 "大不列顛號(hào)"，但是,當(dāng)時(shí)的人們對(duì)螺旋槳和螺旋槳船存在疑慮螺旋槳沒(méi)有等到廣泛應(yīng)用， 螺旋槳船還不多。

為了證明螺旋槳的優(yōu)越性, 英國(guó)海軍組織了一場(chǎng)有趣比賽:把動(dòng)力相當(dāng)?shù)?響尾蛇號(hào)"螺旋槳輪船和"愛(ài)里克托號(hào)"明輪進(jìn)行了競(jìng)賽。兩艘船的船尾用粗纜繩系起來(lái)，讓它們各朝相反的方向駛?cè)ァ?響尾蛇號(hào)"的螺旋槳飛快地旋轉(zhuǎn)，"愛(ài)里克托號(hào)"的明輪猛烈地向后撥水。先是互不相讓，但過(guò)了一會(huì)兒，"響尾蛇號(hào)"就把"愛(ài)里克托號(hào)"拖走了。這場(chǎng)比賽證明了螺旋槳的優(yōu)越性。從此，螺旋槳輪船就取代了明輪。

由于我國(guó)自19世紀(jì)中葉淪為半殖民地，很少有貢獻(xiàn)。解放后，我國(guó)造船事業(yè)得到新發(fā)展，對(duì)螺旋槳技術(shù)也進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)、研究工作，為各類艦船配上了大量自己設(shè)計(jì)制造的螺旋槳。最值得驕做的是"關(guān)刀槳"的問(wèn)世，它是我國(guó)在螺旋槳技術(shù)發(fā)展中的一大創(chuàng)造。那是在60年代，廣州文沖船廠有一位師傅，名叫周挺，他根據(jù)自己幾十年制做螺旋槳的經(jīng)驗(yàn)，把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國(guó)演義中關(guān)公的82斤重大刀的式樣，他形象地叫它"關(guān)刀槳"(圖4)。

"關(guān)刀槳"曾在一些船上試驗(yàn)航行，提高了船的航速，更奇的是螺旋的振動(dòng)卻大大地減弱了。在當(dāng)時(shí)的長(zhǎng)江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用，都取得了良好的效果，這一成就，吸引了許多造船界人士。1973年，在上海首先做了"關(guān)刀槳"敞水試驗(yàn)研究，同時(shí)還提供了設(shè)計(jì)圖譜。有趣的是，在世界著名造船國(guó)家今天開(kāi)發(fā)的"大側(cè)斜"螺旋槳，如(圖5)最新艦用大側(cè)斜螺旋槳，直徑6.3米，軸功率35660千瓦，艦航速達(dá)32.8節(jié);圖6所示是最新在客渡船上采用的大側(cè)斜螺旋槳，該槳直徑5.1米，軸功率15640干瓦，船航速為23.2節(jié)。圖7所示是最新化學(xué)品船上采用的大側(cè)斜螺旋槳，該槳直徑6.2米，軸功率10400千瓦，船航速16.7節(jié)。它們和"關(guān)刀槳"非常相似，其重要特征是振動(dòng)，噪聲小，這也是"關(guān)刀槳"所具有的特點(diǎn)。常州中海船舶螺旋槳公司造出我國(guó)民企最大船用螺旋槳，可以提供最好的"關(guān)刀槳"。

功率(W) 直徑(D)螺距(P) 轉(zhuǎn)/分(N)

功率(W)=(D/10)的4次方*(P/10)*(N/1000)的3次方*0.45

速度(SP)km/h=(P/10)*(N/1000)*15.24

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

可以把螺旋槳看成是一個(gè)一面旋轉(zhuǎn)一面前進(jìn)的機(jī)翼進(jìn)行討論。 流經(jīng)槳葉各剖面的氣 流由沿旋轉(zhuǎn)軸方向的前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切線速度合成。在螺旋槳半徑r1和r2(r1<r2)兩處各取極小一段，討論槳葉上的氣流情況。V-軸向速度;n-螺旋槳轉(zhuǎn)速;φ-氣流角，即氣流與螺旋槳旋轉(zhuǎn)平面夾角;α-槳葉剖面迎角;β-槳葉角，即槳葉剖面弦線與旋轉(zhuǎn)平面夾角。顯而易見(jiàn)β=α+φ。

空氣流過(guò)槳葉各小段時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)力，阻力ΔD和升力ΔL，合成后 總空氣動(dòng)力為ΔR。ΔR沿飛行方向的分力為拉力ΔT，與旋螺槳旋轉(zhuǎn)方向相反的力ΔP 阻止螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。將整個(gè)槳葉上各小段的拉力和阻止旋轉(zhuǎn)的力相加，形成該螺旋槳的拉力和阻止螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩。

從以上兩圖還可以看到。必須使螺旋槳各剖面在升阻比較大的迎角工作，才能獲得較大的拉力，較小的阻力矩，也就是效率較高。螺旋槳工作時(shí)。軸向速度不隨半徑變化，而切線速度隨半徑變化。因此在接近槳尖，半徑較大處氣流角較小，對(duì)應(yīng)槳葉角也應(yīng)較小。而在接近槳根，半徑較小處氣流角較大，對(duì)應(yīng)槳葉角也應(yīng)較大。螺旋槳的槳葉角從槳尖到槳根應(yīng)按一定規(guī)律逐漸加大。所以說(shuō)螺旋槳是一個(gè)扭轉(zhuǎn)了的機(jī)翼更為確切。

從圖中還可以看到，氣流角實(shí)際上反映前進(jìn)速度和切線速度的比值。對(duì)某個(gè)螺旋槳的某個(gè)剖面，剖面迎角隨該比值變化而變化。迎角變化，拉力和阻力矩也隨之變化。用進(jìn)矩比"J"反映槳尖處氣流角，J=V/nD。式中D-螺旋槳直徑。理論和 試驗(yàn)證明:螺旋槳的拉力(T)，克服螺旋槳阻力矩所需的功率(P)和效率(η)可用下列公式 計(jì)算:

T=Ctρn2D4

P=Cpρn3D5

η=J·Ct/Cp

式中:Ct-拉力系數(shù);Cp-功率系數(shù);ρ-空氣密度;n-螺旋槳轉(zhuǎn)速;D-螺旋槳直徑。其 中Ct和Cp取決于螺旋槳的幾何參數(shù)，對(duì)每個(gè)螺旋槳其值隨J變化。圖1-1-21稱為螺 旋槳的特性曲線，它可通過(guò)理論計(jì)算或試驗(yàn)獲得。特性曲線給出該螺旋槳拉力系數(shù)、功 率系數(shù)和效率隨前進(jìn)比變化關(guān)系。是設(shè)計(jì)選擇螺旋槳和計(jì)算飛機(jī)性能的主要依據(jù)之一。

從圖形和計(jì)算公式都可以看到，當(dāng)前進(jìn)比較小時(shí)，螺旋槳效率很低。對(duì)飛行速度較 低而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高的輕型飛機(jī)極為不利。例如:飛行速度為72千米/小時(shí)，發(fā)動(dòng)轉(zhuǎn) 速為6500轉(zhuǎn)/分時(shí)，η≈32%。因此超輕型飛機(jī)必須使用減速器，降低螺旋槳的轉(zhuǎn) 速，提高進(jìn)距比，提高螺旋槳的效率。