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敞水螺旋槳的概念

渦輪

Turbo,即渦輪增壓,簡稱T,最早時候由瑞典的薩博(SAAB)汽車公司應用於汽車領域。現在很多人都知道了,渦輪增壓簡稱TURBO,如果在轎車尾部看到TURBO或者T,即表明該車采用的發動機是渦輪增壓發動機。 例如大眾寶來的1.8T、帕薩特的1.8T、奧迪的2.0T等等。這些汽車的發動機工作,是靠燃料在發動機氣缸內燃燒作功,從而對外輸出功率。在發動機排量壹定的情況下,若想提高發動機的輸出功率,最有效的方法就是多提供燃料燃燒。然而,向氣缸內多提供燃料容易做到,但要提供足夠量的空氣以支持燃料完全燃燒,靠傳統的發動機進氣系統是很難完成的。

就拿汽油機工作原理來說,每向氣缸裏面提供1公斤的汽油,大約需要氣缸吸入15公斤的空氣,才能保證汽油充分燃燒。然而這15公斤的空氣,其體積將是非常大的,光靠氣缸在發動機進氣過程產生的真空度,不容易將這麽大體積的空氣完全吸入。因此,提高發動機吸入氣體的能力,也就是提高發動機的充氣效率就顯得尤為重要。增壓技術就是壹種提高發動機進氣能力的方法。 從原理上講,它就是采用專門的壓氣機將氣體在進入氣缸前預先進行壓縮,提高進入氣缸的氣體密度,減小氣體的體積,這樣,在單位體積裏,氣體的質量就大大增加了,進氣量即可滿足燃料的燃燒需要,從而達到提高發動機功率的目的。增壓過程中采用的壓氣機又叫做增壓器。

發動機的增壓方法根據驅動增壓器所用能量來源的不同,基本上可以分為三類:

1.第壹類是機械增壓系統,增壓器由發動機曲軸通過齒輪(或鏈條等)直接驅動。

2.第二類是廢氣渦輪增壓系統,增壓器是由發動機工作時排出的廢氣帶動的。

3.第三類是復合增壓系統,即在發動機上,既采用廢氣渦輪增壓器,又同時應用機械驅動式增壓器。此外還有慣性增壓、氣波增壓等其他增壓方式。

螺旋槳

古代的車輪,即歐洲所謂“槳輪”,配合蒸汽機,將原來槳輪的壹列直葉板斜裝於壹個轉轂上。構成了螺旋槳的雛型;

2、古代的風車,隨風轉動可以輸出扭矩,反之,在水中,輸入扭矩轉動風車,水中風車就有可能推動船運動;

3、在當時,已經使用了好幾個世紀的阿基米德螺旋泵,它能在水平或垂直方向提水,螺旋式結構能打水這壹事實,作為推進器是重要的啟迪。

偉大的英國科學家虎克在1683年成功地采用了風力測速計的原理來計量水流量,於此同時,他提出了新的推進器——虎克螺旋槳(圖1)推進船舶,為船舶推進器作出了重大貢獻。

1752年,瑞士物理學家白努利第壹次提出了螺旋槳比在它以前存在的各種推進器優越的報告,他設計了具有雙導程螺旋的推進器,安裝在船尾舵的前方。1764年,瑞士數學家歐拉研究了能代替帆的其它推進器,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,傳統的槳、帆無法應用,笨重龐大的明輪也難適應。於是第壹個手動螺旋槳,不是用在船上,而是作為潛水器的推進工具。

蒸汽機問世,為船舶推進器提供了新的良好動力,推進器順應蒸汽機的發展,成為船舶推進的最新課題。

第壹個實驗動力驅動螺旋槳的是美國人斯蒂芬,他在1804年建造了壹艘7.6米長的小船,用蒸汽機直接驅動,在哈得遜河上做第壹次實驗航行,實驗中發現發動機不行,於是換上瓦特蒸汽機,實驗航速是4節,最高航速曾達到8節。

斯蒂芬螺旋槳有4個風車式槳葉(圖2),它鍛制而成,和普通風車比較它增加了葉片的徑向寬度,為在實驗中能選擇螺距與轉速的較好配合,槳葉做成螺距可以調節的結構。在哈得遜河上兩個星期的試驗航行中,螺旋槳改變了幾個螺距值,但是實驗的結果都不理想,性能遠不及明輪。這次實驗使他明白,在蒸汽機這樣低速的條件下,明輪的優越性得到了充分發揮,它的推進效率高於螺旋槳是必然的結論。

阿基米德螺旋的引入,最早見於1803年,1829年有英國的阿基米德螺旋槳的專利。並在此基礎上於1840- 1841年建造了壹些民用的螺旋槳。1843年,英國海軍在“雷特勒”號艦上,第壹次以螺旋槳代替明輪,隨後由斯密士設計了20艘螺旋槳艦,參加了對俄戰爭,斯密士成為著名人物。

1843年,美國海軍建造了第壹艘螺旋槳船“浦林西登”號,它是由艦長愛列松設計,在愛列松的積極推廣下,美國相續建造了41艘民用螺旋槳船,最大的排水量達2000噸。

盡管英、美等國取得了壹些成功,但是螺旋槳用作船舶推進還有很多問題,如在木殼船上可怕的振動,在水線下的螺旋槳軸軸承磨損,槳軸密封,推力軸承等。

隨著技術的進步,螺旋槳的上述缺陷,壹個壹個地克服,以及蒸汽機轉速的提高,愈來愈多螺旋槳在船上取代明輪。到1858年,“大東方”號裝有當時世界上最大的螺旋槳,它的直徑有7.3米,重量達36噸,轉速每分種50轉,當時,推進器標準不再具有權威性,由於螺旋槳的推進效率接近明輪,而且它卻具有許多明輪無法競爭的優點,明輪逐步在海船上消失。

在科學技術發展過程中,許多機械裝置的性能在人們還不太清楚的時候,就已經廣泛使用了。但是人們在不完全理解它的物理規律和沒有完整的理論分析以前,這些裝置很難達到它的最任性能。螺旋槳也不例外,直到1860年,雖然它在海船上已經成為壹枝獨秀,但是它的成就全都是依靠多年積累的經驗。螺旋槳的進步,只依靠專家們的直觀推理,已經不能滿足船舶技術的發展需要,它有待科學家對其流體動力特性做出完整的解釋,這就促使螺旋槳理論的發展。

螺旋槳的理論研究,在船舶技術發展過程中,它比任何壹個專業領域都做得多,從經驗方法過渡到數字化設計,再進而應用計算機技術進行螺旋槳最佳化的設什。壹個好的螺旋槳其設計是非常重要的,模型試驗也起著主要的作用。

近代螺旋槳的發展,由於我國自19世紀中葉淪為半殖民地,很少有貢獻。解放後,我國造船事業得到新發展,對螺旋槳技術也進行了大量設計、研究工作,為各類艦船配上了大量自己設計制造的螺旋槳。最值得驕做的是“關刀槳”的問世,它是我國在螺旋槳技術發展中的壹大創造。那是在60年代,廣州文沖船廠有壹位師傅,名叫周挺,他根據自己幾十年制做螺旋槳的經驗,把螺旋槳的槳葉輪廓做成三國演義中關公的82斤重大刀的式樣,他形象地叫它“關刀槳”(圖4)。

“關刀槳”曾在壹些船上試驗航行,提高了船的航速,更奇的是螺旋的振動卻大大地減弱了。在當時的長江2000馬力拖輪和華字登陸艇上使用,都取得了良好的效果,這壹成就,吸引了許多造船界人士。1973年,在上海首先做了“關刀槳”敞水試驗研究,同時還提供了設計圖譜。有趣的是,在世界著名造船國家今天開發的“大側斜”螺旋槳,如(圖5)最新艦用大側斜螺旋槳,直徑6.3米,軸功率35660千瓦,艦航速達32.8節;圖6所示是最新在客渡船上采用的大側斜螺旋槳,該槳直徑5.1米,軸功率15640幹瓦,船航速為23.2節。圖7所示是最新化學品船上采用的大側斜螺旋槳,該槳直徑6.2米,軸功率10400千瓦,船航速16.7節。它們和“關刀槳”非常相似,其重要特征是振動,噪聲小,這也是“關刀槳”所具有的特點。