阿基米德螺旋的引入,最早见于1803年,1829年有英国的阿基米德螺旋桨的专利。并在此基础上于1840到1841年建造了一些民用的螺旋桨。
1843年,英国海军在“雷特勒”号舰上,第一次以螺旋桨代替明轮,随后由斯密士设计了20艘螺旋桨舰,参加了对俄战争,斯密士成为著名人物。
1843年,美国海军建造了第一艘螺旋桨船“浦林西登”号,它是由舰长爱列松设计,在爱列松的积极推广下,美国相续建造了41艘民用螺旋桨船,最大的排水量达2000吨。
尽管英、美等国取得了一些成功,但是螺旋桨用作船舶推进还有很多问题,如在木壳船上可怕的振动,在水线下的螺旋桨轴轴承磨损,桨轴密封,推力轴承等。
随着技术的进步,螺旋桨的上述缺陷,一个一个地克服,以及蒸汽机转速的提高,愈来愈多螺旋桨在船上取代明轮。到1858年,“大东方”号装有当时世界上最大的螺旋桨,它的直径有7.3米,重量达36吨,转速每分种50转,当时,推进器标准不再具有权威性,由于螺旋桨的推进效率接近明轮,而且它却具有许多明轮无法竞争的优点,明轮逐步在海船上消失。
在科学技术发展过程中,许多机械装置的性能在人们还不太清楚的时候,就已经广泛使用了。但是人们在不完全理解它的物理规律和没有完整的理论分析以前,这些装置很难达到它的最佳性能。
螺旋桨也不例外,直到1860年,虽然它在海船上已经成为一枝独秀,但是它的成就全都是依靠多年积累的经验。
螺旋桨的进步,只依靠专家们的直观推理,已经不能满足船舶技术的发展需要,它有待科学家对其流体动力特性做出完整的解释,这就促使螺旋桨理论的发展。
由于我国自19世纪中叶沦为半殖民地,很少有贡献。解放后,我国造船事业得到新发展,对螺旋桨技术也进行了大量设计、研究工作,为各类舰船配上了大量自己设计制造的螺旋桨。
最值得骄做的是“关刀桨”的问世,它是我国在螺旋桨技术发展中的一大创造。那是在60年代,广州文冲船厂有一位师傅,名叫周挺,他根据自己几十年制做螺旋桨的经验,把螺旋桨的桨叶轮廓做成三国演义中关公的82斤重大刀的式样,他形象地叫它“关刀桨”。
“关刀桨”曾在一些船上试验航行,提高了船的航速,更奇的是螺旋的振动却大大地减弱了。在当时的长江2000马力拖轮和华字登陆艇上使用,都取得了良好的效果,这一成就,吸引了许多造船界人士。1973年,在上海首先做了“关刀桨”敞水试验研究,同时还提供了设计图谱。
有趣的是,在世界著名造船国家今天开发的“大侧斜”螺旋桨,如最新舰用大侧斜螺旋桨,直径6.3米,轴功率35660千瓦,舰航速达32.8节。
所示是最新在客渡船上采用的大侧斜螺旋桨,该桨直径5.1米,轴功率15640干瓦,船航速为23.2节。
所示是最新化学品船上采用的大侧斜螺旋桨,该桨直径6.2米,轴功率10400千瓦,船航速16.7节。它们和“关刀桨”非常相似,其重要特征是振动,噪声小,这也是“关刀桨”所具有的特点。
常州中海船舶螺旋桨公司造出我国民企最大船用螺旋桨,可以提供最好的“关刀桨”。
靠桨叶在空气中旋转将发动机转动功率转化为推进力或升力的装置,简称螺旋桨。它由多个桨叶和中央的桨毂组成,桨叶好像一扭转的细长机翼安装在桨毂上,发动机轴与桨毂相连接并带动它旋转。
喷气发动机出现以前,所有带动力的航空器无不以螺旋桨作为产生推动力的装置。螺旋桨仍用于装活塞式和涡轮螺旋桨发动机的亚音速飞机。直升机旋翼和尾桨也是一种螺旋桨。
螺旋桨旋转时,桨叶不断把大量空气(推进介质)向后推去,在桨叶上产生一向前的力,即推进力。一般情况下,螺旋桨除旋转外还有前进速度。
如截取一小段桨叶来看,恰像一小段机翼,其相对气流速度由前进速度和旋转速度合成。桨叶上的气动力在前进方向的分力构成拉力。
在旋转面内的分量形成阻止螺旋桨旋转的力矩,由发动机的力矩来平衡。桨叶剖面弦(相当于翼弦)与旋转平面夹角称桨叶安装角。
螺旋桨旋转一圈,以桨叶安装角为导引向前推进的距离称为桨距。
实际上桨叶上每一剖面的前进速度都是相同的,但圆周速度则与该剖面距转轴的距离(半径)成正比,所以各剖面相对气流与旋转平面的夹角随着离转轴的距离增大而逐步减小,为了使桨叶每个剖面与相对气流都保持在有利的迎角范围内,各剖面的安装角也随着与转轴的距离增大而减小。
这就是每个桨叶都有扭转的原因。
螺旋桨效率以螺旋桨的输出功率与输入功率之比表示。输出功率为螺旋桨的拉力与飞行速度的乘积。输入功率为发动机带动螺旋桨旋转的功率。
在飞机起飞滑跑前,由于前进速度为零,所以螺旋桨效率也是零,发动机的功率全部用于增加空气的动能。
随着前进速度的增加,螺旋桨效率不断增大,速度在200~700公里/时范围内效率较高,飞行速度再增大,由于压缩效应桨尖出现波阻,效率急剧下降。螺旋桨在飞行中的最高效率可达85%~90%。螺旋桨的直径比喷气发动机的大得多,作为推进介质的空气流量较大,在发动机功率相同时,螺旋桨后面的空气速度低,产生的推力较大,这对起飞(需要大推力)非常有利。
螺旋桨有2、3或4个桨叶,一般桨叶数目越多吸收功率越大。
有时在大功率涡轮螺旋桨飞机上还采用一种套轴式螺旋桨,它实际上是两个反向旋转的螺旋桨,可以抵消反作用扭矩。在发动机功率低于100千瓦的轻型飞机上,常用双叶木制螺旋桨