螺旋槳后移對船舶性能的影響研究

李祥娟 張俊 劉鍇

摘 ? ?要：螺旋槳是一種反作用式推進(jìn)器。當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)動時(shí)，槳推向水后（或向前），并受到水的反作用力而產(chǎn)生向前（或向后）的推力，使船舶前進(jìn)（或后退）。螺旋槳對船舶的性能有著重要的影響，本文通過對實(shí)船進(jìn)行對比驗(yàn)證的方式，在相同的航行環(huán)境下，對除了螺旋槳位置以外其他船體建構(gòu)均相同的兩艘船在航行時(shí)的速度、振動和噪音進(jìn)行對比，來分析螺旋槳后移對推進(jìn)船舶性能的影響。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)膶⒙菪龢M(jìn)行后移，有利于提高船舶的性能。

關(guān)鍵詞：螺旋槳后移;船舶性能;推動作用;應(yīng)用

中圖分類號：U664.33 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1004-7344（2019）03-0191-02

節(jié)能作為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的長期戰(zhàn)略目標(biāo)，是社會各界廣泛關(guān)注的話題，船舶是眾多交通運(yùn)輸方式中載運(yùn)量最大的一種，當(dāng)前，造船工作者的一個(gè)重要的研究項(xiàng)目就是船舶節(jié)能，傳統(tǒng)的船舶的節(jié)能方式主要是對船舶的主尺度和型線進(jìn)行優(yōu)化，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在提倡節(jié)能減排的新時(shí)代，如何用更為簡單高效的方式改善船舶的推進(jìn)性能，更加重要。各國的造船工作者都致力于改善船舶的性能，來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，他們通過研究，總結(jié)出來了一系列節(jié)能的辦法，有些措施已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。其中，有些學(xué)者提出的適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)螺旋槳的位置，使其后移，這種方法更加簡便實(shí)用。

1 ?實(shí)船驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)一艘在工廠修理的重150t的沿海貨船，這艘船所用的螺旋槳是單個(gè)螺旋槳，船的航速為11kn。但是，該船在航行期間船體的尾軸發(fā)生了彎曲，船東將船舶交給工廠更換尾軸。在更換尾軸時(shí)，船東提出了該艘船存在船舶航行時(shí)振動過大，并不時(shí)伴隨有逐漸增大的噪音等問題，并向工廠詢問能否找到合適的解決辦法。但是，這艘船在制造完成出廠時(shí)就存有瑕疵，船體本身有不完善之處，船舶的尾部在航行時(shí)振動明顯，而且噪音在每隔一段時(shí)間就會伴隨震動逐漸增加。為了找到有效又簡便的解決方法，我們用另一艘船和這艘船進(jìn)行比照試驗(yàn)。以此船為參照，另一艘船是同一批船只，因此，它的設(shè)計(jì)和構(gòu)造等和前一艘船相同，我們把它用4葉槳替換掉了原來的3葉槳。這艘船航行后，與前一艘相比，振動明顯減少，也沒有明顯的噪音，而且航速增加到了12.5kn。

在對兩艘船進(jìn)行對比后，我們試著不更換螺旋槳，而是將螺旋槳后移。如果不改變尾軸線夾角，只將尾軸加長100mm，將螺旋槳沿著尾軸線向后移，但是要保持和舵系的一定距離，這時(shí)，就增大了螺旋槳槳葉和船底板之間的距離。將改造后的船下水進(jìn)行試驗(yàn)，船尾在航行時(shí)的震動明顯減小，噪音也隨之消失，航速增加到了12.5kn。

然后，我們將改變螺旋槳位置的方法在相同類型的新出廠的船舶進(jìn)行應(yīng)用。

通過最新的船舶制造工作來證明螺旋槳后移對船舶性能的影響[1]。

建造一艘總長為33m，重量為100t的漁政船，該船為單層連續(xù)甲板，主船體采用鋼焊接結(jié)構(gòu)建造，船體上層建筑采用鋁合金焊接構(gòu)成。船尾斜尾，方尾，圓舭線型，采用雙主機(jī)、雙槳，在近海航區(qū)，螺旋槳是日本MAU型4葉槳，試航速度為16.8kn，船舶性能優(yōu)越，既無振動，也無噪音。同年，按照同一圖紙重新建造一艘新船，其他設(shè)計(jì)不變，只對螺旋槳的位置精心優(yōu)化設(shè)計(jì)，將螺旋槳向后移動170mm。

對該艘新船下水進(jìn)行試驗(yàn)，得出各項(xiàng)性能的數(shù)據(jù)，并與母型船進(jìn)行對比。母型船和新船的試驗(yàn)地點(diǎn)相同，天氣和海況也相近，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的新船和母型船在排水量、重心高度、航速、振動和噪聲等方面的數(shù)據(jù)有所不同，新船和母型船在排水量、重心高度和振動情況上相差無幾，但是，新船比母型船的航速更快，噪聲更小。對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，不難得出螺旋槳后移對提升船舶的航速、改善噪音等方面具有一定的作用。

2 ?理論分析

通過以上對船舶的試驗(yàn)，對螺旋槳后移對船舶的性能的作用進(jìn)行理論分析。

（1）螺旋槳后移使得船舶的有效推力有所增大。螺旋槳具有抽吸作用，因此，螺旋槳在工作時(shí)，會使船舶螺旋槳前方的水流加快，由伯努利原理可知，如果水流速度加快，水面壓力會隨之增大，為了使船舶順利航行，要降低螺旋槳吸水作用處的壓力，這就使得船體壓阻力正大，此時(shí)，產(chǎn)生的阻力增額為△R。設(shè)螺旋槳的推力為T，T包括螺旋槳用于克服阻力的部分R和克服的阻力增額，在這種情況下，T=R+△R。如果螺旋槳后移，增大槳葉和船體間的相對位置，這時(shí)，阻力增額△R就會減小，那么T-△R就會增加，螺旋槳用于克服阻力的部分R就會增大，即螺旋槳的有效推力增大，在相同的阻力下，螺旋槳克服阻力的能力得到增強(qiáng)，船舶的航行速度就會變快。螺旋槳的縱向位置會對船舶效率的推進(jìn)產(chǎn)生十分明顯的影響，適當(dāng)?shù)膶β菪龢奈恢眠M(jìn)行改變，后移螺旋槳，就會在一定程度上提高船舶的航行效率[2]。

（2）振動減少

船舶的船體和螺旋槳之間相互影響，船對槳產(chǎn)生的影響為伴流，槳對船的影響為推力減額。當(dāng)船體和螺旋槳的距離增大時(shí)，會使伴流和推力數(shù)額變小，這個(gè)間隙存在一個(gè)最佳數(shù)值，當(dāng)船體和螺旋槳的距離達(dá)到這個(gè)數(shù)值時(shí)，水流的阻力和螺旋槳的推力就會產(chǎn)生最為合適的狀態(tài)，船舶的性能就達(dá)到最佳狀態(tài)。在螺旋槳在水中運(yùn)動時(shí)，處于船尾的水流中，水流的阻力和螺旋槳的推力相互作用，就會產(chǎn)生船尾振動，這種振動成為激振力，是在船舶航行時(shí)產(chǎn)生的表面力的最主要因素。螺旋槳的安裝，要考慮船尾部分的建設(shè)，和船體保持一定距離，就能避免過大的激振力的產(chǎn)生。但是，槳葉和船體的距離不能無限增大，或者無限的減小，間隙的變化要在船級社所規(guī)定的規(guī)范范圍內(nèi)。按照挪威船級社的數(shù)據(jù)，伴流場、螺旋槳的設(shè)計(jì)和船尾的吃水情況都和船體的表面壓力有關(guān)。表面力和螺旋槳的葉梢到船體的距離成反比，間隙越大，表面力越小，產(chǎn)生的激振力越小，這時(shí)，船尾的振動就會隨之減少，船舶運(yùn)行更加平穩(wěn)快速[3]。

（3）噪音減小

在船舶航行的過程中，船舶的激振力越大，船舶的振動越劇烈，舵機(jī)的噪音就會更大。以上文實(shí)船試驗(yàn)的數(shù)據(jù)為例，當(dāng)螺旋槳向后移動170mm時(shí)，舵機(jī)較改造之前的母型船的噪聲減少了2dB，由此，我們可以得出，當(dāng)螺旋槳后移，螺旋槳的葉梢和船體的距離加大，表面力降低，產(chǎn)生更小的激振力，船體的振動就會更加不明顯，產(chǎn)生的噪聲就會減小。

3 ?理論應(yīng)用

螺旋槳向后移動一方面會使船舶尾軸加長，進(jìn)而影響到軸的強(qiáng)度，因此，不能為求船舶性能的提高而無限度的將螺旋槳向后移動，而使船舶的尾軸承受能力之外的強(qiáng)度，這樣會留下安全隱患，應(yīng)該對螺旋槳適當(dāng)后移，進(jìn)行局部調(diào)整。另一方面，對螺旋槳向后移動，調(diào)整的是螺旋槳和舵系之間的距離，要求在保證舵機(jī)在艙內(nèi)運(yùn)作的同時(shí)，還要使距離不能過近，給部件維修留下足夠的距離進(jìn)行拆卸。因此，螺旋槳后移是一種有限的移動和局部的調(diào)整。

4 ?結(jié)束語

船舶的性能受多方面因素的影響，在研究過程中，提出了在船尾安裝前置導(dǎo)管、葉柵導(dǎo)管、水動力葉片等節(jié)能裝置的方法來提升船舶的性能，但是，增加附帶裝置的方法不夠簡便實(shí)用，經(jīng)過試驗(yàn)，我們不難發(fā)現(xiàn)，螺旋槳的縱向位置是影響船舶在航行中的性能的重要因素。本文從實(shí)船試驗(yàn)展開，對螺旋槳后移對船舶的性能的影響進(jìn)行了理論研究，并對螺旋槳后移的應(yīng)用做出了簡要的分析，進(jìn)而得出結(jié)論。通過對螺旋槳的位置進(jìn)行移動，可以對船舶的性能產(chǎn)生影響，將螺旋槳適當(dāng)后移，就能對船舶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高船舶的航行速度和節(jié)能減排的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭艷玲.螺旋槳后移對船舶性能影響的分析[J].廣東造船，201635（3）：62～63.

[2]惠 磊.船舶加速性問題及解決方案研究[J].珠江水運(yùn)，2016（16）：92～94.

[3]鄒 勁，許 杰，孫寒冰，等.考慮流固耦合作用槳轂形狀對螺旋槳性能影響研究[J].船舶，2017，28（1）：21～28.

收稿日期：2018-12-5