船用螺旋桨研究进展

许 磊，徐苏华，白二亮

（南通远洋船舶配套有限公司，江苏 南通 226013）

0 引言

船舶推进器是推动船舶前进的机构，可把自然力、人力或机械能转换为推动船舶前进的能量转换器[1]。船舶在水中运动时会受到来自水的阻力，必须供给船舶一定的推力，以克服船舶在水中所受的阻力，从而推进船舶前进运动。

船舶推进器的类型较多，在古代时已发明多种推进器，如桨、篙、橹、帆。喷水推进器在蒸汽机出现之前就已经有人开始研究，但由于经济性差、效率较低未能得到广泛应用。随着蒸汽机的出现，蒸汽动力在船上得到应用，人们开始研究使用何种推进器在船上最为实用，包括机动篙、机动划桨、明轮、螺旋桨在内。在这些推进器中，螺旋桨因具有构造简单、使用方便、效率较高等优点脱颖而出，成为目前应用最广的船舶推进器。

1 螺旋桨是船舶主要推进器

在19 世纪初期，人们就已确立使用螺旋桨作为船舶推进器并争相对螺旋桨开展研究，使之设计能够应用于实船上。在经过多次改进研究后，螺旋桨在实船上的使用效果显著，并从19 世纪中叶后得到广泛应用。随着时间的进程，螺旋桨的形状和型式得到进一步发展和完善。

螺旋桨通常布置于船舶艉部，主要由桨叶和桨毂两部分构成。由于船舶在水中运动时，会受到来自水和空气的总阻力，螺旋桨的作用力与水流情况密切有关，依靠拨水向后来产生推力，从而推动船舶前进运动。螺旋桨与船体和主机构成一个复杂的联动机构，船体是能量的需求者，螺旋桨是能量的转换器，主机是能量的发生器，这三者之间的工作状态及能量转换相互关联和牵制。主机通过轴系将发出的功率传递给螺旋桨，但由于轴系存在损耗使得主机的功率不能完全传递给螺旋桨，故螺旋桨实际收到的功率总是小于主机发出的功率[2]。

2 新型螺旋桨的发展应用

新型螺旋桨是在对普通螺旋桨结构设计上的新突破，能够满足各类节能船型和新型船型的需要，如CLT 螺旋桨、Kappel 螺旋桨、NPT 螺旋桨、阿尼松表面桨、自重构变形桨叶螺旋桨、壳形螺旋桨。

2.1 CLT 螺旋桨

CLT 全称Contracted Loaded Tip，CLT 螺旋桨是一种新型的螺旋桨，收缩型叶梢有载螺旋桨。与常规的螺旋桨相比，CLT 螺旋桨在叶梢上安装端板，面向压力面；在叶梢处剖面有边界元，叶梢的弦杆有限；叶梢承受实际的重量；从叶根到叶梢，螺距无变化的增加。螺旋桨在运动中，正压产生在桨叶的后方，负压产生在桨叶的前方，从而产生推力。随着桨前桨后压力差的增大，螺旋桨的敞水效率也会增大。为了分隔开2 个压力场，CLT 螺旋桨在叶梢处安装边界元，有效阻止叶梢处压力相互干扰，能够保持桨叶有较大的压力差。CLT 螺旋桨能有效减少尾流诱导能量损失，效率提高3%～4%，已广泛应用在油船、滚装船、散货船等多种船型上。

2.2 Kappel 螺旋桨

与普通螺旋桨相比，Kappel 螺旋桨采用创新的梢鳍状设计，在桨叶0.8758 R 以上部分以圆滑的弧形向前弯曲。采用这种创新的设计能够保持桨叶两侧的压力差，减少水流从高压端流向低压端，减小叶梢端的涡流能量损失，从而提高螺旋桨的推进效率。该型式的螺旋桨可以使推进效率提高3%～6%[3]。

2.3 NPT 螺旋桨

NPT 全称New Profile Technology，NPT 螺旋桨是一种“新式外形技术”螺旋桨，可减小桨叶的表面积和摩擦力，降低能量损失。此外，NPT 螺旋桨可有效改善空泡性能，减少传递到船体的激振力，提高推进效率。

2.4 阿尼松表面桨

尼松表面桨是当今效率最高的推进系统之一，水下阻力可减少50%。船舶在航行时，阿尼松表面桨只有桨叶和尾鳍的表面与水接触，具有良好的加速性和效率，应用在10 ～70m 的高速船上效果更佳。

2.5 自重构变形桨叶螺旋桨

自重构变形桨叶螺旋桨是一种自动开闭式的桨叶，为平面活页式的叶片形式。当桨叶划至0°～90°，桨叶由完全闭合状态逐步过渡到半展开状态；当桨叶划至90°～180°，桨叶最大面积的与数接触，将自动完全展开；当桨叶划至180°～270°，桨叶由全展开状态逐步过渡到半闭合状态；当桨叶划至270°～360°时，桨叶由半闭合状态逐步过渡到完全闭合状态，提高螺旋桨的推进效率。

2.6 壳形螺旋桨

壳形螺旋桨的形状类似海生物“蚌壳”。相较普通螺旋桨叶面，壳形螺旋的曲面采用双向内凹曲面。采用这种内凹的叶切面能够减少壳形螺旋桨的螺距，在船舶处于高速航行时叶切面攻角接近于0，在船舶处于低速拖航时攻角减少。在不同的工况下，可减小叶切面阻力，提高推进效率。壳形螺旋桨特别适用在拖船上，该桨在保证航速和同等条件下，壳形螺旋桨比普通螺旋桨的拖力增加10%～20%。

3 特种螺旋桨的发展应用

根据不同船舶的工作要求，在普通螺旋桨的基础上发展出特种螺旋桨，如可调螺距螺旋桨、大侧斜螺旋桨、导管螺旋桨、对转螺旋桨、串列螺旋桨。

3.1 可调螺距螺旋桨

相较固定螺距的普通螺旋桨，可调螺旋桨的螺距可以调节改变。可调螺旋桨的结构较为复杂，螺距的调节改变主要是利用桨毂中的操纵机构来进行的。当船舶在不同状态下航行时，可调螺旋桨的螺距可根据实际航行需要进行调节，使主机的功率和转速得到充分发挥。相对来说，可调螺旋桨的成本较高，维修较为复杂。

3.2 大侧斜螺旋桨

大侧斜螺旋桨是指百分比超过50%。通常采用侧斜角与360/N 的百分比来表示螺旋桨的侧斜程度，N 为螺旋桨叶数。对于4 叶桨来说，侧斜角要大于45°才能被称为大侧斜螺旋桨；对于5 叶桨来说，侧斜角要大于36°；对于6 叶桨来说，侧斜桨要大于30°。与普通螺旋桨相比，大侧斜螺旋桨可减小螺旋桨不定常的表面力、轴承力及力矩。

3.3 导管螺旋桨

导管螺旋桨是在螺旋桨周围加装一个套筒，套筒的纵剖面为机翼型或与机翼剖面相似的线型。螺旋桨桨叶和导管之间的间隙很小，桨叶尖的绕流损失得以被限制；导管内部流速高、压力低，在管壁上由于导管内外的压力差会产生附加推力；导管能减少螺旋桨后的尾流收缩，减少能量损失，从而有效提高螺旋桨的推进效率。

3.4 对转螺旋桨

对转螺旋桨是由2 个普通螺旋桨一前一后装在同心的内外两轴上，且这2 个螺旋桨的旋转方向相反。在这2 个螺旋桨中，布置在后面的螺旋桨直径小于布置在前面的螺旋桨直径，但转速高于布置在前面的桨。采用单个螺旋桨作为推进，螺旋桨尾流中的涡动能量得不到充分利用。但采用对转螺旋桨则不同，前面的螺旋桨会产生涡动能量，布置在后面的螺旋桨将其转化为有效的推进动力，提高推进效率。

3.5 串列螺旋桨

串列螺旋桨是将2 个或3 个螺旋桨在同一轴上串列安装，并以相同的转速进行同向转动。在螺旋桨的直径受到限制时，串列螺旋桨能够使桨叶面积加大，吸收较大功率，可避免空泡和减少振动。但串列螺旋桨的数量增多，重量较大，桨轴较长，从而增加安装布置的难度。

4 结语

当今船舶的航行离不开螺旋桨，特别是在全球能源紧缺、保护环境的要求下，螺旋桨的好坏对船舶的使用性能和航运业的“节能减排”有着重要的影响。为了满足各类新型船舶和节能船舶的实际需要，期待更多新型高效的螺旋桨在船舶上进一步推广和应用。