当前课程知识点:轮机概论 > 第九章 课程总结 > 讨论题 > 2.3 跟着主机转,一刻不得闲——螺旋桨
同学们 大家好
通过前面的学习我们了解了
船舶推进装置的主机
但光主机转动是没有办法推着船舶前进的
它需要驱动螺旋桨 由螺旋桨发出推力
推着船舶前进
这一讲我们就来了解一下这个跟着主机转
一刻不得闲的螺旋桨
提到螺旋桨 大家能够想到什么
比如说电风扇 直升机 船
肯定还有人想到了哆啦A梦和竹蜻蜓
其实螺旋桨的发明确实可以追溯到我国
1400多年前的竹蜻蜓玩具
明朝时竹蜻蜓传到了国外20世纪30年代
德国人根据竹蜻蜓的形状和原理
发明了直升机的螺旋桨
而螺旋桨在船舶上应用
并不是随着船舶的诞生而开始的
前面我们提到船舶经历了人力驱动
风力驱动之后
在1807年美国人富尔顿在克莱蒙特号上
设置了蒸汽机和明轮
开启了明轮推动船舶前进的历史
轮机也才真正意义上诞生了
对于螺旋桨在船上应用
各界说法不一 有一种说法是1836年
英国的阿基米德号使用了螺旋推进器
不过这种螺旋推进器并不是螺旋桨
而是一个木制的像螺丝钉的螺杆
初期的推进器是由Smith发明的
比较长的2转推进器
后期 Smith把它优化成了1转的推进器
当阿基米德号开始试验时
能够以每小时4海里的速度前进
突然 水中的障碍物把螺杆碰断了
剩下了一小节 这下把船上的人吓坏了
但奇怪的是 船的速度却意外提高了
达到了每小时13海里 这也给了人们启发
把螺杆再次变短 直至变成叶片状
也就形成了现代螺旋桨的雏形
1845年英国制成了世界第一艘螺旋桨船
大不列颠号
这是1843年大不列颠号下水的场景
这是人们复制还原的大不列颠号上的螺旋桨
已经很接近我们现在的螺旋桨了
但这个时候人们对于螺旋桨
作为船舶的推进器还有很多的疑虑
螺旋桨并没有得到大规模的应用
为了证明螺旋桨相对于明轮的优越性
英国海军组织了一场特殊的拔河比赛
竞赛的双方是响尾蛇号螺旋桨船
和埃里克托号明轮 刚开始双方不相上下
过了不长时间响尾蛇号就把埃里克托号
拖着航行
从此 螺旋桨船开启了取代明轮船舶的征程
经过长期的发展
现代的螺旋桨已经不是规则的阿基米德螺旋
而是经过大量水动力学试验验证
和改进后的复杂螺旋结构
这是一个现代商船使用的六叶螺旋桨
大家都知道它叫做螺旋桨
那它各部分叫什么名字呢
别着急 我们一起来看
螺旋桨主要是由桨叶和桨毂组成的
连接桨叶和桨毂的部分叫做叶根
桨叶尖部叫做叶梢
螺旋桨向外推水的一面叫做压力面
另一面叫做吸力面
转动时先入水的一边叫做导边
后入水的一边叫做随边
那我们怎么判断螺旋桨的大小呢
可以通过直径来表示
螺旋桨的叶梢旋转一周形成的圆叫做叶梢圆
这个圆的直径就叫做螺旋桨的直径 用D表示
螺旋桨旋转一周理论上前进的距离叫做螺距
怎么理解呢 我们看这个图
这是一个红酒开瓶器和瓶塞
开瓶器每旋转一圈
前进的距离就是一个螺距
但对于螺旋桨而言 它是在水中运动的
水跟瓶塞不一样 瓶塞是固体水是液体
受到推力后会产生运动
所以螺旋桨旋转一周实际前进的距离是
用虚线表示的距离 叫做进程
这个距离是小于螺距的
螺距与进程的差值就叫做滑失
进程与直径的比值叫做进程比
进程比是影响螺旋桨水动力性能的
一个很重要的参数
滑失与螺距的比值叫做滑失比
好了 了解了螺旋桨的结构
那大家想想螺旋桨是怎么产生推力的呢
推理的大小又是多少
我们先看这两个视频
第一个是大连海事大学的教学实习船
育鹏轮首航时 在马六甲海峡拍摄的
在船舶的尾部出现了锥形的尾迹
第二个是模拟的螺旋桨在水下运动的视频
也产生了锥形的水流 这是怎么产生的呢
也就是螺旋桨的工作原理
螺旋桨太复杂了 不好分析 那怎么办呢
我们想个办法把它分开
用两个半径不同的
与桨毂中心同心的圆筒形割刀
把螺旋桨切开 一个半径是r
一个是r+dr
在一个桨叶上
切下来的这一小块就叫做叶素
我们只要分析了这个叶素产生推力的原理
就知道螺旋桨的工作原理了
我们看 螺旋桨转动 向后推水
螺旋桨前进 我们假定螺旋桨相对不动
水运动 那么水的速度是-Vp
螺旋桨转动的时候还会向四周甩水
也假定螺旋桨不动 水冲击螺旋桨
切向冲击速度为-ωp
这两个速度的和速度就是ω
大家看这个叶素像什么
像飞机的机翼断面啊
这样 我们就用机翼原理来分析
螺旋桨叶素的受力
什么叫机翼原理呢
简单来说就是飞机怎么能够飞起来的
飞机通过发动机产生推力克服空气的阻力
克服完阻力之后
产生升力来克服飞机的重力
再看这个图 飞机速度很快
与空气间的相对速度也很快
空气流过机翼的时候
机翼下方的空气速度慢
上方的空气速度快 根据伯努利原理
机翼下面的空气压力比上面的压力高
这样就产生了空气压差
从而产生了升力 这个升力
是垂直于空气流动方向的
对于船舶螺旋桨也是一样
叶素受到水流ω的冲击
产生一个垂直于ω的升力dy
和一个与ω同方向的阻力dx
把这两个力在螺旋桨轴线
和切线方向上分解 就得到了推力和阻力
以及阻力矩
把螺旋桨所有叶素上产生的推力
和阻力矩进行积分就可以得到
整个螺旋桨的推力和阻力矩
这个阻力矩就是螺旋桨转动
需要克服的水的阻力矩
但通过这种方式得到螺旋桨的推力
和阻力矩太麻烦了
所以在工程上我们一般通过因次比较法
来得出螺旋桨的推力
阻力矩和功率的计算公式
大家可以看到 这里面水的密度
和螺旋桨的直径 一般是定值
系数和螺旋桨的转速是变量
转速我们可以测到
但这个系数是比较复杂的
经过研究
人们发现对于几何形状一定的螺旋桨
这两个系数只跟螺旋桨的进程比有关
就是这个图上显示的关系
假设进程比一定 那么系数就是定值
推力 阻力矩和功率与转速的关系
就变成了2次方和3次方的曲线
这个曲线对于研究螺旋桨
与船舶主机的关系非常重要
通过这一讲的分析
以及最后我们得出的这个曲线
我们看到螺旋桨确实是
跟着主机转 一刻不得闲
所以 螺旋桨就是 勤奋 工作的典型代表
这就是我们船上用的螺旋桨
可能有的同学有疑问
船上只有这一种螺旋桨吗
当然不是 再给大家看几种不同的螺旋桨
第一个叫做导管螺旋桨
它通过疏导水流 能够增加螺旋桨的推力
第二是对转螺旋桨 两个螺旋桨转向不同
后桨吸收前桨产生的水流
提高了推进效率 第三个是变矩桨
也叫调距桨 桨叶可以绕着中心线转动
这样就可以改变螺旋桨的螺距
可快可慢 可产生正向推力也可产生反向推力
让船舶倒航
好 同学们 今天我们了解了螺旋桨的发展
结构和工作原理
也了解了其他不同类型的螺旋桨
这就是本讲的全部内容
同学们 咱们下次再见
-1.1 浮动的“国土”——船舶
-1.2 轮机的前世今生——初识轮机面目
-1.3 轮机的工作参数——掌控轮机运行
-1.4 轮机的特性指标——揭示轮机特质
-1.5 何处安放的轮机——走进轮机世界
-讨论题
-2.1 船儿快些跑,动力很重要——船舶推进装置
-2.2 船舶轮机大哥大——船舶主柴油机
-2.3 跟着主机转,一刻不得闲——螺旋桨
-2.4 主机、螺旋桨,咱们把手牵——传动轴系
-2.5 牵手矛盾不要怕,有我就会很和谐——传动装置
-2.6 大哥大有多大——柴油机选型
-3.1 电从哪里来,又到哪里去——船舶电力系统概述
-3.2 你负责发电,我负责监管——船舶发电机和配电板
-4.1 管系作用大,遍布船上下——船舶管系
-4.2 主机要想转,得有动力源——压缩空气
-4.3 主机持续转,必须得吃饭——燃油系统
-4.4 船上燃油差、加热得靠它——蒸汽系统
-4.5 转动有摩擦,消灭靠润滑——润滑系统
-4.6 发烧勿需怕,冷却保护它——冷却系统
-4.7 运动要热身,航行要准备——主机备车
-期中考试
-5.1 个头小、本领大,甲板机械全靠它——液压系统
-5.2 瞄准目的地,航向不偏离——船舶舵机
-5.3 实现货物流转,装卸设备露脸——液压起货机
-5.4 船舶到达彼岸,停泊我来实现——锚机和绞缆机
-5.5 谁来协助靠港,谁能减轻摇晃——侧推和减摇装置
-讨论题
-6.1 船舶姿态好,平衡离不了——压载系统
-6.2 舱室浸水不怕,看我如何保驾——舱底水系统
-6.3 船舶火灾自救,有我大显身手——消防系统
-6.4 蔬菜、饮料、面粉、肉,统统都由我守候——制冷系统
-6.5 严寒酷暑之际,为你带来舒适——空调系统
-6.6 日常用水需要,有我开阀就到——机舱供水系统
-7.1 入海水需处理,达标准才满意——含油水、压载水、生活水处理
-7.1入海水需处理,达标准才满意——含油水、压载水、生活水
-7.2 垃圾分类多,处理慎操作——垃圾处理
-7.3 控制废气排放,措施必须得当——废气处理
-8.1 守住海上航行的底线——国际海事公约
-8.2 落实公约要求的保障——国内海事法规
-8.3 发挥轮机功能的关键——轮机部人员及职责
-9.1 船舶当成“黑匣”,输入、输出是啥——“系统”的理解轮机
-9.1船舶当成“黑匣”,输入输出是啥——“系统”理解轮机
-讨论题