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1、第6节螺旋桨本讲稿第一页，共四十六页桨叶靠近桨毂的部分称叶根，最外端称叶梢；从船尾向船首看，看到的叶面为压力面（推力面），桨叶的另一面为吸力面（吸水面）。按正车方向旋转时，桨叶先入水的一边为导边，后入水的一边为随边。螺旋桨旋转时叶梢顶尖画出的圆称叶梢圆，其直径为螺旋桨直径，用D表示。从船尾向船首看，螺旋桨在正车时沿顺时针方向旋转者称右旋桨，沿逆时针方向旋转者称左旋桨。本讲稿第二页，共四十六页压力面是一个螺旋面，有等螺距螺旋面和变螺距螺旋面两种。如图，与轴线相交的线段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，其在空间划过的轨迹所形成的曲面即为螺旋面。线段上任意一点运动的轨迹为
2、一螺旋线。母线上的任一点旋转一周在轴线方向上移动的距离称为该螺旋桨的螺距，以H表示。若组成螺旋桨的各螺旋线螺距相等，这个螺距即为螺旋面的螺距，而该螺旋面称为等螺距螺旋面。本讲稿第三页，共四十六页如图，若把螺旋线所在圆筒面沿垂直方向剪开展平，螺旋线为一直线，从而得到一直角三角形，称为螺距三角形。螺旋线与圆筒面底边所构成的倾角称为螺距角，用表示。若母线上各点以等转速旋转但各点下降的速度不同，这样形成的螺旋面称为径向变螺距螺旋面。大型船舶螺旋桨的压力面大多由径向变螺距螺旋面构成，其吸力面通常则是一个复杂的螺旋面。本讲稿第四页，共四十六页2、几何参数：（1）螺距H：系指压力面的螺距，径向变螺距螺旋桨的
3、螺距，通常自叶根向叶梢逐渐增加，一般以0.7R或2R/3处的螺距代表螺旋桨的螺距，此值约等于螺旋桨的平均螺距。（2）螺距比H/D：是螺旋浆主要的结构参数之一，其大小直接影响螺旋浆的性能。（3）盘面比A/Ad：所有浆叶展开面积总和与盘面积之比，是螺旋浆的另一个重要的结构参数。盘面比大，说明浆叶肥大，推水的总面积大。本讲稿第五页，共四十六页1.6.2螺旋浆的工作原理1、工作原理：若取一与桨毂共轴的圆筒形刀切割桨叶，将切得的断面展开后所得的面称为叶素断面。半径为r和r+r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叶素作用的总和。螺旋桨在水中同时参与两种运动，即绕桨
4、毂轴线的回转运动和沿桨毂轴线的轴向运动。设螺旋桨的转速为n，则在半径r处的叶素一方面以2rn绕轴心回转，一方面又以进速Vp前进，它相对于水的速度w即为这种速度的合成。本讲稿第六页，共四十六页如把叶素视为不动，根据运动转换原理，则各种速度的方向如图所示。水流速度w与弦线间的夹角称为冲角。由于叶素断面的形状与机翼断面相似，因此可以利用机翼在空气中运动时产生的升力来说明螺旋桨的受力情况。根据机翼工作的原理，在叶素上将产生升力dy和阻力dx。升力dy垂直于w，阻力dx则沿着w的方向。把升力dy和阻力dx各自分解成轴向和回转方向的分力，于是，在叶素上产生的推力dT，在回转方向产生阻力dQ。本讲稿第七页，
5、共四十六页此阻力作用在距轴心半径r的叶素上，它对螺旋桨产生一个阻力矩dM=rdQ。螺旋桨桨叶是由无数叶素合成的，各桨叶所有叶素上产生的推力dT的总和即为螺旋桨的推力T。各桨叶所有叶素上产生的阻力矩dM的总和即为螺旋桨的阻力矩M。因此，为了使螺旋桨产生推力，必须由主机发出功率克服螺旋桨的阻力矩。本讲稿第八页，共四十六页2、滑失与滑失率当螺旋浆在水中运动时，水被它推向后移，由于螺旋桨和水之间存在轴向方向的相对滑动，因此螺旋浆前进的距离比螺距要小，这种现象称为滑失现象。螺旋浆旋转一周在轴向前进的距离称为进程hp，进程与浆直径的比值称为进程比p=hp/D。螺距H与进程的差值（H-hp）称为滑失。H-h
6、p/H称为滑失比（率），即：S=（H hp）/H =（Hn Vp）/Hn本讲稿第九页，共四十六页1.6.3螺旋浆的工作特性1）螺旋桨的推力：T=K1nD*4 （N）=C1 n2）螺旋浆的阻力矩：M=K2nD*5（Nm）=C2 n3）螺旋浆的效率：p=K1p/2K2 =C04）螺旋浆的功率：Pp=2nM =Cn本讲稿第十页，共四十六页螺旋桨的工作曲线对于几何形状一定的螺旋桨，推力系数K1和扭矩系数K2都取决于进程比，其随进程比的变化规律如图。p=hp/D=vp/nD对于一定的螺旋桨，进程比取决于船舶的航行工况。本讲稿第十一页，共四十六页4影响螺旋浆特性的因素1）螺旋浆结构参数桨的结构参数主要有直
7、径D、螺距比H/D。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，其螺距越大即H/D越大，所需的功率也越大，因此螺旋浆的特性曲线越陡。对于一定功率的主机，必须选配合适的螺旋桨。本讲稿第十二页，共四十六页若直径D和螺距H/D过大，则螺旋桨会过重，主机带不动，它在高转速下运转时，就会造成超负荷。若D或H/D选得过小，则螺旋桨会过轻，主机就不能充分发挥它的做功能力。2）船舶航行工况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，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。当船体污底、
8、载重量增加、顶风、浪大和转弯等时，p减小，表明船体阻力增加，此时航速变慢，K1、K2都增加，推力和阻力矩也都增大，应注意防止主机超负荷；当船舶空载、轻载或顺风时，p增大，表明船体阻力减小，此时航速变快，K1、K2都减小，推力和阻力矩也都减小，应注意减小油门防止主机超速。本讲稿第十三页，共四十六页不同航行工况下推力与阻力矩的变化（1）无进程情况：相当于系泊工况，Vp=0，p=0，水流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。此时K1、K2都最大，升力和推力重合，推力和阻力矩都达到最大值。在此情况下，管理人员应注意控制柴油机油门和转速，以免主机超负荷。本讲稿第十四页，共四十六页（2）
9、p减小情况：相当于主机转速不变，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。随着p的减小，K1、K2都增加，而转速不变，推力和阻力矩也都增加。在这种情况下，必须防止主机超负荷。本讲稿第十五页，共四十六页（3）p增加情况：相当于船舶空载、轻载或顺风航行，船体阻力减小，主机仍保持原来的转速，船速会增大。随着p的增加，K1、K2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。本讲稿第十六页，共四十六页（4）无推力情况：当螺旋桨进程hp稍大于螺距H而出现负的滑失时，水流的合成速度W就以某一负的冲角流向叶素，此时升力
10、dy很小，而阻力dx仍有一定值，结果dy和dx在轴向的分力大小相等方向相反，互相抵消，因此推力为零。但此时螺旋桨的阻力dQ仍有一定值。本讲稿第十七页，共四十六页（5）无阻力矩情况：若进程进一步增大，致使升力和阻力在周向的分力大小相等方向相反时，螺旋桨的阻力dQ为零。但此时的推力已为负值，阻止船舶前进。本讲稿第十八页，共四十六页（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，即螺旋桨吸收水流冲击的能量而发出转矩带动主机回转。本讲稿第十九页，共四十六页1.6.4可调螺距螺旋桨一调距浆的工作特性1)调距浆的产生：Pp=Cn在不同的航行工况下，随航
11、行阻力的增加，螺旋桨的进程比p将减小。如图，随阻力系数的增加，螺旋桨的推进特性变陡。在前面分析已知，在外界航行条件不变下，随H/D的增大，螺旋桨的特性也变陡。因此，当外界航行工况变化时，若要维持原转速，可以通过改变螺距比来实现。如阻力增加，则可以通过减小螺距，从而使螺旋桨回到原特性下工作。本讲稿第二十页，共四十六页调距浆定义：根据航行外界条件变化时，通过调节螺旋浆的螺距H，即使浆叶螺旋面与浆毂做相对转动，从而维持螺旋浆特性不变。2）工作特性：由一系列不同螺距相同直径的定距浆特性组合而成。（1）推力系数与进程比的关系本讲稿第二十一页，共四十六页（2）扭矩系数与进程比的关系从图中可见，当航行阻力不
12、变时，螺距越大，则相同转速下的推力和转矩越大。因此当船舶航行阻力发生变化时，可通过改变螺距比来控制螺旋桨转速和转矩及推力的关系，从而满足船舶阻力变化的需要。本讲稿第二十二页，共四十六页调距桨的功率与转速的关系在外界航行工况不变的条件下，即进程比不变下，随H/D的增加，螺旋桨特性变陡，从图中可以看出，在相同转速下，H/D越大，螺旋桨所需的功率越大。本讲稿第二十三页，共四十六页二调距浆的优点：1）对船舶航行条件的适应性强。如图，任意一条等转矩线（0.26）和一系列等螺距线相交。无论船舶阻力因素（进程比）如何变化，只要适当选用螺距比即可使转矩系数不变。因此调距桨具有可使转矩系数保持不变的性能，不论外
13、界工况如何变化，即可使主机保持原转速。但虽然主机的功率和转速可以不变，可螺旋桨的效率将发生变化。同时随船舶阻力的增加，船舶的航速要下降。本讲稿第二十四页，共四十六页2）在非设计工况下经济性好。（1）非设计工况下调距桨的效率高。由于调距桨的毂径比定距桨大，在设计工况下效率稍小。然而在非设计工况下，随螺距的改变，调距桨有不同的效率曲线，若让螺旋桨工作在这些效率曲线的最高效率点的包络线上，则调距桨的效率就比定距桨高得多。本讲稿第二十五页，共四十六页（2）非设计工况下调距桨的油耗率低。如图为调距桨的航行曲线，调距桨可以在主机额定转矩线1、最大转速线2和最低稳定转速线3之间内的任何一点上工作。在不同的航
14、速下，都有许多n和H/D的配合。本讲稿第二十六页，共四十六页因此，当主机在部分负荷下工作时，可以按主机油耗率最小的n与H/D配合点工作。如图，1为等油耗率曲线，2为定距桨的推进特性线，3为最低油耗率线，4为主机全负荷速度特性。因此，在非设计工况下调距桨的经济性好。本讲稿第二十七页，共四十六页按螺旋桨效率高选取的n-H/D组合和按油耗率低选取的n-H/D组合并不重合，但调距桨可以选择兼顾两个最佳一组配合，使经济性最好。如图，不同的航速下，有不同的最佳n-H/D配合点，将这些点连接起来就得到最佳经济性曲线。本讲稿第二十八页，共四十六页3）船舶的机动性得到提高。调距桨船的操纵特点：船速可通过主机转速
15、和桨的螺距两个参数来调节；船舶的进推可通过使螺距角的正、负变化来完成。因此提高船舶的机动性：（1）换向可通过改变螺距来实现可缩短换向时间；（2）反向推力比定距桨大；（3）可实现无级调速。4）有利于驱动辅助机械由于主机可以恒速运转，因此对于轴带发电机和辅助机械的工程船舶（挖泥船、消防船等）特别有利。5）延长发动机的使用寿命。因可使主机保持恒速运行和不必换向，减少磨损和简化结构。6）便于实现遥控。本讲稿第二十九页，共四十六页3、调距浆的缺点：（1）调距浆和轴系构造复杂，造价高；（2）因浆毂中有转叶机构，使可靠性降低，同时维护保养困难，一旦损坏必须进坞。（3）设计工况下推进效率比定距浆低1-3%。（
16、4）叶根厚度增大，使桨叶根部容易产生空泡腐蚀。（定距桨则在0.9R至叶梢易于产生空泡腐蚀）本讲稿第三十页，共四十六页三调距浆的动作原理和组成1）动作原理：1-伺服油缸；2-动力活塞；3-配油轴套；4-控制阀；5-反馈装置；6-操纵杆。当驾驶台发出调距指令时，C点不动，B点随A点动，使伺服油缸一面进油，另一面回油，推动活塞移动；随活塞运动，A点不动，B点随C点动，当动力活塞移动到要求位置时，控制阀刚好复位。图中调距机构为动态稳距，若油路中采用单向止回阀则为静态稳距。本讲稿第三十一页，共四十六页2）调距桨的组成（1）带转叶机构的调距浆：包括可转动的浆叶、浆毂和浆毂内部装设的转动浆叶的转叶机构。（一
17、）曲柄连杆式转叶机构（二）曲柄滑块式转叶机构（三）曲柄销槽式转叶机构本讲稿第三十二页，共四十六页（2）传动轴：由浆轴和配油轴组成，两者用套筒联轴器连接，传动轴中空，装调距杆或当伺服油缸位于浆毂时作为进排油通道。（3）调距机构：包括产生转动桨叶动力的伺服油缸、伺服活塞、分配压力油的配油轴套、浆叶定位和浆叶位置的反馈装置及其附属设备。其作用是调距、稳距以及对螺距进行反馈和指示。本讲稿第三十三页，共四十六页（4）液压系统：由油泵、控制滑阀、油管及管件组成，其作用是为伺服油缸提供压力油。（5）操纵系统：由操纵台、控制、指示系统组成。其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浆的螺距，以获得
18、所要求的工况。调距桨在船上的布置如图。本讲稿第三十四页，共四十六页应急浆叶锁紧机构：在应急情况下，将浆叶固定在一定的正螺距值，使之变为定距浆工作。5、调距桨的控制（1）双手柄控制分别控制主机转速和螺旋桨的螺距。（2）单手柄控制（联合控制）同时控制主机转速和螺旋桨的螺距，联合控制。常用联合控制方式。本讲稿第三十五页，共四十六页1）按最佳螺距-转速控制系统：图a右边凸轮控制主机调速器，左边凸轮控制螺距。主机调速器控制主机油门，当达到最大值时，送出Qmax信号至调距装置，减小螺距，以防止主机超负荷。2）按最佳转矩-转速控制系统：图b右边凸轮控制主机油门，左边控制桨轴转速，实际上也是控制螺距。本讲稿第
19、三十六页，共四十六页更常用的联合控制方案是：采用主机转速和桨轴转速信号分别控制主机调速器和螺距调节器。主机调速器存在稳定速差率，而螺距调节器无静差。因此，联合控制的结果是在两者特性线的交点上工作。如图虚线为最佳匹配控制程序。当外界条件变化时，螺距调节器先起作用，根据需要调节螺距，使转速保持设定值。这种设置有利于带动轴带发电机。本讲稿第三十七页，共四十六页延伸知识-船舶侧推器一、侧推器的作用和要求侧推器是产生船舶横向推力（侧推力）的特殊推进装置，它装在船首或船尾水线下的横向导筒中，其推力大小和方向均可根据需要改变。船舶在离靠码头、过运河、进出水闸、穿过狭窄航道和拥挤水域时，需慢速及改变航向。但船
20、速越慢舵效越差，特别是受风面积大的集装箱、滚装船、木材船，只靠舵效改变航向往往不能满足要求，不得不用拖船帮助。1、侧推装置的作用：（1）提高船舶操纵性能，特别是船速为零或很慢时；（2）缩短船舶靠离码头时间；（3）节省拖船费用；（4）提高船舶机动航行时安全性；（5）减少主机起动、换向次数，延长主机使用寿命。本讲稿第三十八页，共四十六页2、对侧推器的要求：（1）装置结构简单，工作可靠、维护管理方便；（2）尽可能装在船的端部，以便在同样推力下获得较大的转船力矩；（3）有足够的浸水深度以提高工作效率。侧推器的螺旋桨轴线离水线距离不得小于它的桨叶直径，以免空气进入螺旋桨处影响其工作；（4）对船体造成的附
21、加阻力要小，本身工作效率要高；（5）能根据需要迅速改变推力大小和方向。（6）在侧推器旁及驾驶台均能操作。在驾驶台上操作，一般在中央与两翼均可进行。3、侧推器的类型1）按布置位置：首推、尾推和舷内式、舷外式之分；2）按产生推力方法：螺旋桨式和喷水式；3）按原动机：电动、电液、柴油机驱动式；本讲稿第三十九页，共四十六页二、螺旋桨式首推装置可采用定距桨或调距桨。定距桨式多采用液压马达驱动。调距桨式广泛采用电动机驱动。1、定距桨式首推装置液压系统侧推螺旋桨通过联轴器与液压马达连接，液压马达的转向和转速由双向变量泵控制。双向变量泵由辅泵和电磁阀，借助变量机构控制。低压回路将部分热由泄回油箱，单向阀不断将
22、洁净的低温油液加以补充，以控制系统油温。本讲稿第四十页，共四十六页2、电动调距桨式首推系统：1）调距工况：操纵态发出指令使三位四通阀26右边通电，26、25工作在右位。重力油柜油经加压后，使动力活塞左端进油，右端回油。动力活塞右移，驱动反馈链条，将桨叶动作指示并反馈，达到要求时26失电，25回中位。2）稳距工况：靠锁闭阀22实现静态稳距。本讲稿第四十一页，共四十六页三、侧推器的管理1、操作时注意事项：（1）要有足够的发电机台数投入工作后方可使用侧推器。侧推器主电动机功率较大，使用前要确认电站的供电量能否满足。一般设有发电机台数联锁装置，达不到规定工作台数（有的规定为三台）侧推器起动不了。（2）
23、船速在5Kn以下方可使用侧推器。在操纵台上有标识牌。（3）当转换操作位置前，要确认主控制器和副控制器两者控制杆位置和负荷一致后方可切换。（4）起动主电动机时要使螺距角在“0”位。（5）在最大推力工况下的连续使用时间不应超过规定时间（一般为0.5h）。本讲稿第四十二页，共四十六页2、日常管理工作（1）使用符合要求的液压油：所用液压油应能传递大的动力，能适应不同季节、不同海域气温变化，有合适的粘度，有高的粘度指数，凝点低（-30以下）；（2）定期清洗滤器和检查管系是否漏油；（3）定期检查油位、油温、油压，注意观察各部振动情况和运转声音，发现异常及时处理；（4）定期取样化验油质，及时更换不合格滑油，
24、换新油时要将系统旧油彻底放净；（5）侧推器间位置低，空气潮湿，注意检查电气设备绝缘和供电加热除湿。本讲稿第四十三页，共四十六页3、坞内检查（1）放掉桨毂内滑油，观察是否有水进入油中；（2）桨轴也设有simplex密封装置，凡密封圈唇口有裂纹、严重磨损、老化等现象均应换新，注意检查密封性能；（3）检查桨叶、桨毂的固紧螺栓和螺栓防松装置；（4）检查桨叶根部密封圈（一般四年应换新）；（5）螺旋桨轴轴承、传动轴轴承都为滚动轴承，若发现锈蚀、剥蚀、护圈破裂、滚子严重磨损或转动不灵活、转动声音过大时，应予以换新。本讲稿第四十四页，共四十六页推进装置的管理一、齿轮减速器和摩擦理合期的管理1、齿轮减速器管理：
25、备车时应预热（30C），主机动车前应提前15分钟左右启动润滑系统的滑油泵进行暖机和摩擦表面的预润滑，停机前应让滑油泵继续工作10分钟以利冷却，运转中注意检查油压和温度、油位和油质。2、摩擦理合器管理：主、从动轴同轴度应在0.05mm之内；避免超扭距工作。1.6.5、轴系和螺旋桨的管理1、中间轴和中间轴承：注意油温、油位、油环工作情况及油封是否漏油的检查，注意冷却水温度的检查，尤其是最后一道中间轴承。2、尾轴管：水润滑尾轴管应注意温度、填料、冷却状况的检查；油润滑尾轴管应注意油位、油质、油温、油压、密封装置的检查。本讲稿第四十五页，共四十六页3、注意对轴系跳动情况的检查。4、调距浆装置应注意压力油系统的检查。5、空载时应注意一定要压载和调整好首尾吃水差，防止振动、飞车及产生空泡腐蚀（定距桨0.9R至桨叶尖处，调距桨在叶根处）。6、定期坞修和检验。轴承温度允许值（C）当轴转速低于300r/min，环境温度：不超过30 C时，大于30 C时推力轴承：不大于60 C 不大于65 C 滑动中间轴承：不大于55 C 不大于60 C滚动中间轴承：不大于65 C 不大于70 C当轴转速高于300r/min时，以上对应值各增加5 C。本讲稿第四十六页，共四十六页