船用螺旋桨的创新发展与应用.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言船舶推进最初是依靠人力利用桨、橹实现。后来由于船的尺寸增加，人类借用了自然界的风能以帆推进1。进入蒸汽时代以后，明轮成为了最广泛的推进装置。但早在 1752 年瑞士科学家伯努利因为螺丝钻木的启发而最先提出了螺旋桨的设想。1836 年螺旋推进器在英国最先使用，因意外碰撞启发了造船工程师将长螺杆改短，短螺杆改叶片，从而诞生了螺旋桨。在科学技术发展过程中，许多机械装置的性能早已广泛应用。但在不完全理解物理规律和没有完整的理论分析以前，这些装置很难达到最佳性能。1844 年英国在世界上首次将螺旋桨作为主要推进装置安装在实船上使用并证明了推进的可靠性。目前，船舶使用最广泛的推进装置为螺旋桨，船用螺旋桨是驱使船舶前进的一个重要部件，位于船舶最末端，其主要作用是将船舶主机所发出的功率转变为推动船舶运动的推力。当螺旋桨在水中旋转时，所有桨叶拨水向后，而自身又会受到水流的反作用力，其推力通过桨轴和推力轴承传递到船体。通常，螺旋桨在下端不触碰水底，上端不超过满载水线为准的水下工作2-10。1 普通螺旋桨1.1 普通定距螺旋桨定距螺旋桨由桨毂和桨叶构成，桨叶与桨毂整体铸造而成。船舶艉轴与螺旋桨的联结部分为桨毂，桨叶固船用螺旋桨的创新发展与应用隋 波1，阮 航1，张 君2，陈秋实2，朱 晶2（1.海装沈阳局驻大连地区第三军事代表室，辽宁 大连 116083；2.大连船用推进器有限公司，辽宁 大连 116021）摘 要：随着科学技术创新的不断进步，我国船舶工业将推进高质量发展，作为船舶动力核心的船用螺旋桨直接决定了船舶行驶，拥有了先进的螺旋桨，意味着掌握了造船最核心的技术。本文概述了船用螺旋桨的发展及作用，并对船用螺旋桨按照普通螺旋桨、节能螺旋桨、特种螺旋桨三大类分别做了详细介绍，基于国家“十四五”规划及远景目标，结合船舶工业绿色环保转型，明确了未来船用螺旋桨的设计制造和发展方向。关键词：船用螺旋桨；普通螺旋桨；节能螺旋桨；特种螺旋桨中图分类号：U664.33 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.002引用格式隋波,阮航,张君,等.船用螺旋桨的创新发展与应用 J.船舶物资与市场,2023,31(6):05-07.定在桨毂上，各邻近叶片之间相隔的角度相等。定距螺旋桨一般为 27 个桨叶，其中小、中型船舶所配螺旋桨通常为 24 个桨叶，大型船舶所配螺旋桨通常为 46 个桨叶，某些特殊船型所配螺旋桨一般为 7 个桨叶。普通定距螺旋桨因其结构简单、造价经济、使用方便、效率较高，是目前使用最广泛的船用推进器4。1.2 高侧斜定距螺旋桨螺旋桨的侧斜由螺旋桨桨叶的侧斜角进行描述。螺旋桨的最大侧斜角为在桨叶的正投影图上，从叶尖到桨轴中线的直线和从轴中线作出与螺旋桨的桨叶截面弦长中点连线相切的直线的夹角，当螺旋桨的侧斜角大于 25时，该螺旋桨为高侧斜螺旋桨。当螺旋桨在不均匀伴流场中工作时，高侧斜可使螺旋桨叶各半径叶切面渐次进入高伴流区，以减少螺旋桨的扰动力，可改善空化的状况11。1.3 组合式螺旋桨航行在水中的船舶，因航道受限或者螺旋桨打到水中漂浮物而发生叶片断裂，对船舶和人身安全造成极大的危险。对于定距螺旋桨而言，桨叶断裂，整桨报废，更换整个螺旋桨费用极高，让船东损失很大，由此诞生了组合式螺旋桨。螺旋桨桨毂和桨叶分别铸造加工后再通过键和紧固件装配到一起的螺旋桨为组合式螺旋桨。组合式螺旋桨可以是单独的叶片组合在整体桨毂上，也可以是根据螺旋桨设计的叶数，将螺旋桨桨毂均分为几部分，每部分上均带有 1 个桨叶且桨叶固定在桨毂上，收稿日期：2023-03-25作者简介：隋波（1980-），男，本科，工程师，研究方向为舰船配套装备监管及检验。船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 06 几部分分别铸造加工后组合在一起。船舶在行驶过程中，当某个桨叶损坏或磨损报废时，只需更换相应的叶片即可继续使用，不但降低了原材料的消耗和维修成本，而且具有很高的经济效益5。目前，螺旋桨作为船舶推进的主要核心部件仍然活跃在船舶工业的舞台，随着我国高端船舶的层出不穷及高技术高附加值船型不断问世，船用螺旋桨的设计和制造在现有技术的基础上，也要相应地加快智能技术转型，将智能设计和制造作为其主攻方向，大力推进智能船用螺旋桨的应用，助力我国的船舶工业早日步入领先智能船舶行列。2 节能螺旋桨2.1 梢载螺旋桨梢载螺旋桨是一种叶梢载荷不为零的螺旋桨，被命名为无梢涡螺旋桨（Tip-Vortex-Free Propeller，TVF 螺旋桨），1980 年由西班牙设计师 Gomez 首创，特点为叶梢带有端板，设计思路来源于导管螺旋桨，目的是为解决空泡腐蚀与提高效率的问题，优点为噪声小、敞水效率高、无或很小梢涡存在、最佳直径小，该桨特别适合于重载荷船舶使用。实船证明，TVF 螺旋桨与同等常规螺旋桨相比，实际功率可减小 18.27%。梢载螺旋桨有很多种类，主要为交替端板型螺旋桨、交替小叶性螺旋桨、整体端板螺旋桨12。2.2 CLT 螺旋桨西班牙工程师 Gomez 设计了一种宽叶梢且带一端板的节能型螺旋桨，其全称为尾流收缩叶梢有载螺旋桨（Contracted Loaded Tip，CLT 螺旋桨）。依据船舶推进器尾流收缩原理，该桨的特点为桨叶随边处直径减小，仅在叶梢压力面一侧设有向后收缩的端板。这种以减少端板粘性阻力，增加进入螺旋桨的水流量为目的的设计吻合了螺旋桨盘面的流管形状，明显增加了螺旋桨的推力。此类螺旋桨在节能方面有诸多优点：1）推进效率明显提高，节省燃油；2）由螺旋桨激发的船体振动明显减少或消除；3）机动性得到改善，回转半径减少，停车距离缩短；4）航向稳定性得到有效地改善13。2.3 KAPPEL 螺旋桨丹麦工程师J.J.Kappel带领科研团队经过多年努力，设计了一种以该工程师名字命名的节能型螺旋桨，即KAPPEL 螺旋桨。该桨最大的创新点科是采用了“梢鳍状”的设计理念，其每个桨叶从 0.875 R 至叶梢部分均以圆滑的弧状形式弯曲上翘。KAPPEL 螺旋桨独特的创新设计能够平衡桨叶两侧的水压差，减少水流从高压端流向低压端，叶梢端的涡流能量损失也明显减小，而螺旋桨的推进效率大大提高，船模试验结果证明主机功率可减少 3.7%4.7%14-15。2.4 NPT 螺旋桨英国螺旋桨设计与制造企业 Stone marine propulsion 公司设计了一款全称为新式外形技术的螺旋桨（New Profile Technology，NPT 螺旋桨）。NPT 螺旋桨的制造成本不高于普通螺旋桨，与普通螺旋桨相比重量轻、惯性小，此外其桨叶表面积和摩擦力减小的设计方式，可明显改善空泡性能，减少激振力，降低噪音震动，有效提高推进效率。近年来，国外的螺旋桨设计公司及部分制造公司的科研人员在螺旋桨节能方向做了深入的研究，这些节能螺旋桨的应用在提高推进效率及改善振动噪声方面效果明显。而目前大型船舶使用的节能型螺旋桨主要为国外设计和制造，我国在该领域内的设计和制造研究涉足较少。随着科技水平的不断提高及船舶工业的绿色转型，我国应在螺旋桨设计和制造方面着眼于未来，不断进行创新和创造，早日实现我国节能型螺旋桨领域的自主设计和制造。3 特种螺旋桨3.1 调距螺旋桨通过设置于桨毂中的操纵机构，使桨叶能够转动从而改变桨叶螺距的螺旋桨，称为调距螺旋桨（Controllable Pitch Propeller，CPP 螺旋桨）。1934 年最先由德国人研制成功。调距螺旋桨桨叶能够垂直于桨轴绕转叶轴线转动，不是固定在桨毂上。制造时桨叶与桨毂分别铸造和机械加工，使用前可通过平面轴承型(法兰盘型)结构形式进行连接。在使用过程中，桨毂内的操纵机构转动桨叶，可以改变螺距角，以改变螺旋桨推力的大小和方向，并按照船舶实际航行的需要进行前进、后退、变速、停止等操作，充分利用船舶主机的功率，提高推进效率5,14。3.2 对转螺旋桨对转螺旋桨也叫做双反转螺旋桨（Contrarotating Propeller，CRP 螺旋桨）。其特点是在螺旋桨推进轴同一轴线的内外轴上前后分别安装 2 个不等直径的普通螺旋桨，直径较小的螺旋桨安装于内轴上，位置靠后，借助推力轴承连接主机；直径较大的螺旋桨安装于外轴上，位置靠前，借助反转齿轮机构向与后螺旋桨相反的方向转动。工作时，2 个螺旋桨可以等速旋转，也可以不等速旋转4。对转螺旋桨是通过减少尾流的旋转损失而提高推进效率，其实船证明可以节省能源约10%20%5,16。第 6 期 07 3.3 串列螺旋桨串列螺旋桨（tandem propeller），是一种在同一根艉轴上前后有间隔的安装 2 个或多个旋向相同、转速相同的推进器，后桨螺距较大，一般位于前桨尾流中4。该桨的特征曲线较平坦，适应外界载荷变化能力较好。串列在一起的每一螺旋桨因载荷都不高，且推力与功率可由多桨进行分担，能有效地改善推进时由螺旋桨引起的船舶尾部振动5。串列螺旋桨可通过增加桨叶面积来减少单位面积载荷从而吸收较大功率，可实现减少振动或者避免空泡发生。3.4 导管螺旋桨导管螺旋桨（Ducted propeller），是将一种纵剖面为机翼型或近似机翼剖面的折角线形的套筒置于螺旋桨外围，螺旋桨与套筒为一体的推进器。螺旋桨工作时，导管在保护螺旋桨的同时可构成利于螺旋桨的流场，且产生部分推力，可有效改善重载螺旋桨的效率，利于减小船舶振动。在较重负荷工况下，导管螺旋桨效率较高，常配备于拖船、拖网渔船4-5。3.5 喷水推进器喷水推进器（Hydraulic propeller），是一种通过船内水泵先实现从船底吸水，再由喷管喷水，最后利用水的反作用力获得推力的推进器装置4。该推进器在螺旋桨直径严格受限和较大负荷情况下可获得较好的推进效率，尤其在浅水工况下推进船舶前进的操纵性能好5，同时因其噪声和振动较小，多用于浅水船艇。3.6 直翼推进器直翼推进器采用竖轴且具备舵桨合一功能，特点是一般为 48 片剑状叶片，等距垂直安装在可自由转动的特制的平圆盘上。工作时，主机操纵机构可使圆盘绕轴转动，叶片在随圆盘转动的同时可实现自转，水流流经叶片表面可产生适当方向的水流冲角，从而使各叶片在不同位置产生同一方向的推力推船前进。该类型的推进器在工作时无需配舵，可灵活完成转向操纵，同时可实现调距螺旋桨功能，任意航行状态下主机的全部功率均可被充分利用5。特种螺旋桨的使用工况和领域越来越广泛，其设计应该以实际应用为出发点，同时结合当今全球气候变化、减少温室气体排放、加强环境保护措施等现状，可以从新材料、高效环保等方面入手，重点突出螺旋桨对船舶的实用性，助力我国船舶工业持续健康发展。4 结语配套船舶使用的螺旋桨设计研究，在船舶技术发展的过程中比任何专业领域都做得多，从设想、经验方法到实际需要不断优化。未来螺旋桨产品也将遵循“节能现行，绿色引领”的新设计理念和发展方向。今后螺旋桨的发展应当以轻量化、节能降耗、减少环境污染、防腐蚀为主，根据不同的船舶使用工况和作用的需要，螺旋桨可以借鉴某些海洋动物皮肤等表面特性及身体特点进行设计和制造，以使其应用更适应未来绿色船舶工业的要求。参考文献：1 吴光林,严谨.船用螺旋桨的应用与发展趋势 J.广东造船,2008(4):49-51.2 苏玉民,黄胜.船舶螺旋桨理论 M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2003.3 朱晶,孙赫应,于霄雷,等.船用螺旋桨的平衡检验方法 J.机电设备,2021,38(6):94-98+106.4盛振邦,刘应中.船舶原理M.上海:上海交通大学出版社,2004.5 孙自力.船舶用螺旋桨原理及修理 M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2009.6船用螺旋桨铸造编写组.船用螺旋桨铸造 M.北京:国防工业出版社,1980.7 季洋阳,田桂中,周宏根.船用螺旋桨先进制造技术研究进展 J.制造业自动化,2015(5):9-15.8 付大鹏,王小旭,程艳艳.船用螺旋桨的逆向造型方法与研究 J.船舶科学技术,2011(8):125-127.9 王东林.船用螺旋桨铜合金组织与比例与性能之间的定量关系 J.材料开发与应用,1989(1):26-36.10 朱晶,王红嵩,于霄雷,等.船用螺旋桨无键联接典型的拂配方法 J.机电设备,2021,38(6):19-22.11 中国船级社.材料与焊接规范 M.北京:人民交通出版社,2018.12 胡志安.几种节能的梢载螺旋桨 J.造船技术,1996(7):29-32.13曹怀昌.CLT螺旋桨的节能效益及其应用J.船舶节能,2000(3):30+7.14 许磊,徐苏华,白二亮.船用螺旋桨研究进展 J.船舶物资与市场,2020(6):5-6.15 船用螺旋桨的推陈出新 J.水路运输文摘,2003(11):37-38.16 黄胜,郭春雨.船舶推进节能技术研究与进展 J.舰船科学技术,2007,29(1):27-32.隋波，等：船用螺旋桨的创新发展与应用