第２６卷 第２期 ２００２年４月
世界海运
Ｗｏｒｌｄ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ
Ｖｏｌ． ２６ Ｎｏ．２ Ａｐｒｉｌ ２００２
提高螺旋桨效率的新方法
〇邹友家（武汉理工大学，湖北 武汉 ４３００６２）
［关键词］螺旋桨；推进效率；水流；轴向速度；切向速度
［摘 要］阐明了螺旋桨的工作原理；指出了传统的教科书对螺旋桨前后的水流变化的不当解释；分析了其中的原因，并用两个实例证明了其不当之处，即经螺旋桨桨叶后的水流流管不是收缩了，而是扩大了；还提出了提高螺旋桨效率的有效途经。
［中图分类号］U675.9 ［文献标识码］A ［文章编号］1006-7728(2002)02-0010-02
自
从船舶的推进装置采用了螺旋桨后，人们就在不断地采取措施改进和提高螺旋桨的推进效率。尽管人
人站在风扇的对面，当然有很大的风，但是，当人站在风扇的旁边更远一点的地方，你仍然能感觉到有阵阵清风掠过，并不一定要站在叶片的正对面，这也正说明风经叶片后向四周发散，其截面积比原来的要大，A1
们采取了各种各样的方式，例如用气垫式制成气垫船等将船的速度在过去的几十年里提高了许多，但在螺旋桨的结构及制造方面并无突破性进展、仍然是老样子，只是在桨叶的数量上有少许改进，但这都不能从根本上解决螺旋桨的效率问题。
２ 问题的关键
通过对以上两个实验的分析，可以看出水流经过叶轮前后的变化。那么，是不是说流体力学的原理在这里不适用了呢？肯定不是。其实，经过螺旋桨加速后的水流与仅在一个方向上加速后的水流之间有很大的不同。只要我们分析一下螺旋桨的工作原理，就不难理解其中的奥秘。
实际上，主机的转矩通过轴传递给螺旋桨使它转动。流经桨叶工作面的流体受到转矩的作用，根据动量矩定理，这部分流体才获得动量矩，所以通过螺旋桨流出的水流将顺其旋转方向扭转。这样，螺旋桨在工作时，除了在流体中产生的轴向诱导速度外，还会产生切向诱导速度。
简单地讲，我们可以将流经桨叶后的水流当做一个在做螺旋运动的质点，如图2。其中，Vx为轴向速度，Vy为切向速度，á为攻角，V2为合成速度。
１ 问题的提出
传统的教科书均认为，螺旋桨前后的水流可视为在一根无形的管中流动的水流。设桨叶前的水流流速为V1，截面积为A1，流体密度为ñ1，桨叶后的水流流速为V2，截面积为A2，流体密度为ñ2，那么，根据流体力学原理，在单位时间内通过两个截面的流体质量应相等，所以，有ñ1 V1 A1=ñ2 V2 A2。又由于ñ1= ñ2，V2 > V1，所以，A1> A2
根据以上分析，水流经桨叶后，流管内由于水流的轴向速度增加，所以，流管剖面有所收缩，如图1。
V1 V2 A2 A1
图１
流经桨叶的水流果真像教科书所讲的那样“有所收缩”吗？事实上，流经桨叶后的水流变化非常复杂，绝非普通教科书所讲的那样简单。
实验1 如果我们在池塘边安装一台抽水机，如抽水机的出水管很短，即水流刚刚经过叶轮就不受管壁的束缚，这时候，我们就会发现经过叶轮的水流并不像我们想象的那样变细，而是水流随叶轮一起扭转，其运动轨迹为螺旋型，向四周扩散，呈发散状，其截面比原来的大，A1
实验2 当你打开一台台式电风扇，使其处于不摆动状态，
Y（径向）
Vy V2 V2
R
á
Vx
O X (轴向)
图２ 图３ 由图2可以看出，真正使船获得推力的只有Vx，Vy是无用的。流经桨叶后的水流很复杂，其大致的界面分布如图3。
另外，经桨叶后水流流速沿径向的分布是不均匀的，大致的径向速度分布如图4表明的，在桨叶的・R处速度达最大值，此后随着半径增加，速度逐渐减缓，当径向值超过桨叶的半径时，速度迅速减少，直至为零。
［收稿日期］2002-02-08
［作者简介］邹友家（１９６４－），男，硕士，高级船长，从事船舶驾驶技术的教学与研究。
邹友家：提高螺旋桨效率的新方法 １１
后又反射回来，相当一部分能量在这一过程中被损失掉。第二是导流管庞大，设计、安装、保养不便，还很容易与其他海上漂浮物绞缠在一起。那么，有没有一种方法可以将流经螺旋桨盘面的所有水流动能都转换成在轴向的动能呢？下面介绍一种可行的方法共同行们参考。
V1 V2 V1 V2
图４
还有，由于螺旋桨的快速转动，使桨叶后的水流翻滚，产生大量的气泡，使得单位体积的水的质量减少，所以，ñ1> ñ2，这样，我们就容易理解为什么A2>A1的道理了。
图５ 图６
3.2 新的方法
我们可以这样设想：将螺旋桨的每一片桨叶的末端都弯成90°的光滑弧型，并适当加长，这样，当螺旋桨在转动时，部分随桨叶扭转向径向运动的水流会通过90°的光滑圆弧，平滑地改变水流方向，向轴向流去，从而有效地增加螺旋桨的推力，如图6。
实验证明，这一方法是切实可行的。我们通过在水池中对相同直径，相同转速的螺旋桨产生的推力测定表明，采用新方法制成的螺旋桨产生的推力比原螺旋桨产生的推力增加15％～18％，根据螺旋桨的基本理论，螺旋桨的推进效率η=RV/2πnQ, 即η与阻力R（当船以速度V前进时，阻力R与推力T相等）成正比，也就是船舶的推进效率也会相应提高15％～18％，从而大大地提高了螺旋桨的推进效率。
该方法与传统的导流管等方法相比较，具有设计合理，制作简便，能量转换率高等优点。
３ 问题的解决
通过对以上问题的分析，我们了解到螺旋桨转动产生的动能主要用在使水流产生轴向和切向的速度，然而，水流在切向获得的动能对船舶来说是无用的。经研究表明，螺旋桨产生的动能大约20％左右转换成水流在切向的动能。那么，如何将这部分无用功转换成推动螺旋桨前进的有用功呢？这对于提高螺旋桨的推进效率将大有裨益。 3.1 现有的方法
目前有一种认可的方法是使用导流管，将水流在切向的部分动能转化成轴向的动能，如图5。
这种方法虽然在理论上可行，但很少有船在实际中采用，原因一是能量转换的效率低，从图5中可以看出，从桨叶中排出的水流以一定的角度流向管壁，与管壁碰撞损失一部分能量
o
The New Mode to Improve the Efficiency of Propeller
ZOU You-jia
（Wuhan University of Technology, Wuhan 430062, China）
[Abstract] This article clearly describes the working theory of propeller and points out the improper explanation on former text books to forward and backward water flow of the propeller, and analyzes the cause, provides the effective method to improve the efficiency of propeller.
[Keywords] propeller; propulsive efficiency; water flow; axial speed; cutting speed
综合船桥系统
Ｓｐｅｒｒｙ航海系统已在西班牙完成了向挪威船东Ｎａｖｉｏｎ的新油船安装综合船桥系统。该船桥设备包括６个独立的操作控制台、４个平面液晶显示器，该船桥系统使用该公司的航行管理软件和具有雷达覆盖层的电子海图显示和信息系统
（ＥＣＤＩＳ），向值班驾驶员提供船舶位置、运动和状态的综合图像。其他的设备包括２台交互式Ｂｒｉｄｇｅ Ｍａｓｔｅｒ Ｅ ３４００ 自动雷达标绘仪（ＡＲＰＡ）和通过纤维光缆连接到ＡＲＰＡ的独立的雷达天线。（徐海蓉）
英国将减少使用本国的操作级船员
Ｃｌｙｄｅ海事培训中心的首席执行官Ｄａｖｉｄ Ｌｉｖｉｎｇｓｔｏｎｅ 在格拉斯哥的一个培训讨论会上说，由于海运业遭受经济危机，将来将大幅度地减少英国的操作级船员，而用便宜的国外船员来取代他们。他还督促政府改变现行的吨税制度，这将使企业有稳定的资金，并引入新的净薪制度。
（徐海蓉）