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大型的船用螺旋桨小且只有一个是为什么?

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大型的船用螺旋桨小且只有一个是为什么?

发布日期:2019-03-29 作者: 点击:

大型的船用螺旋桨小且只有一个是为什么?很多大型的货船或者游船都只有一个船舶螺旋桨,原因是什么?下面陈氏船舶就为大家讲解一下这个问题。

  船用柴油机的曲轴,再其次,远洋商船运输节点之间距离非常长,对加减速的要求很低。和飞行器需要有足够的速度提供升力和足够的动力爬高不同,船舶是自浮在水面上的,不需要通过动力获得垂直方向的力。也和地面交通工具不同,地面交通工具发车频次高,需要频繁加减速,地面交通工具速度也高,所以对加减速性能要求高。因此,船舶并不需要太大的动力储备,不大的螺旋桨(相对船身)即可满足动力要求,商船的经济航速不高,所以单位吨位动力比地面和空中交通工具小很多

  船舶在水上行驶,低速时水的阻力大约和速度成正比关系。但随着速度增大,阻力会更快地增加,会变成和速度的平方、三次方、甚至更高次方成正比,因此,商船考虑经济性,行驶速度不高,一般不高于17海里每小时,甚至12海里每小时,维持这个巡航速度,也不需要太大的螺旋桨产生推力。

  现在最大的螺旋浆都是安装在商船上的,军舰的螺旋浆因为会受到种种限制,直径反而是要小很多的。具体来说,再大的舰艇也有通过巴拿马运河、苏伊士运河的要求,其吃水就必须在11米,这样尾部就没有空间安装螺旋浆。而大型货船,尤其是所谓的“超巴拿马型”,只要性价比高,多拉货少花钱,螺旋浆那是有多大造多大。比如现在全球较大的螺旋浆就是中国生产的,直接高达11.2米。而美国尼米兹级核动力航母的螺旋浆直径只有6.4米,差了很多。几十万吨货船怎么只有一个螺旋桨而且还这么小,这是为什么?

  其次,船尾设计也限制了舰艇的螺旋浆尺寸,民用船只的船尾设计只需要考虑如何降低阻力,减少使用费用,但军用船只的船尾是要有很多功能的。比如上图航母的船尾,就是舰载机发动机维修车间的试车台,而下图的056A轻型护卫舰型的船尾,就需要布置反潜用的拖曳声呐。另外还有一点需要说明,并不是船越大,其阻力就越大,需要的功率也越大。对船舶高速航行影响比较大的波障阻力,就不与船的大小成正比。美军标准排水量7000吨的伯克级驱逐舰,30节航速需要的推进功率是72兆瓦,而10万吨级的尼米兹级航母,达到30节的航速只需要190兆瓦。排水量大了10倍,需要的推进功率却只大了不到3倍。专门为降低阻力,节省油耗的大型商船,这个比例更低。

  中学地理讲航运的特点么?大宗低速。为啥大宗,因为铁路限制宽度和长度,航空限制重量。航运船体大,重量、尺寸限制较低。但是导致的结果就是船舶的航速一直不是很快,正常船只(地效翼船本质上应该归类于飞机)极限六十节左右即110千米每小时。而大部分使用船运的货物对于成本要求较紧,而时间相对一般。那么慢悠悠的开过去如果更为节能,或者说提高航速成本过高,自然会考虑以节约成本为先。而单轴虽然被各国海军认为不安全,但是动力系统简单啊。想想主要起到“为航母抗鱼雷”作用的佩里级低成本舰,不就用的单轴么?而且同等功率下轴数越多,除了建造成本高,也占用体积、重量更大,军舰可以为追求高航速而容忍,但是货轮就需要考虑这些空间节约下来可以增加运力。

  另外,多轴还会造成动力系统的损耗,一方面是未必一机一轴的情况下几个轮机之间相互使用减速齿轮组会有一定损耗(当然多机单轴也有这个问题,不过现代单轴船多为单机单轴)另外各螺旋桨之间也会相互干扰,其形成的气泡会降低临近螺旋桨的运转效率。因此同等动能输出情况下,多机多轴实际轴马力<多机单轴~单机多轴(这俩谁大谁小不明确)<单机单轴,因此对于成本比较敏感的货运更倾向于单机单轴。船舶动力系统与航速、载重关系,可以看出与重量的三分之二次方成正比,与速度的三次方成正比,所以现在的船越造越大,但是航速提升不多,也是这个原因。

  大型船舶体积庞大,货轮吃水普遍也很深,而现代货轮普遍自重较小(当年ULCC 比VLCC大,但是自重太大,世界较大的贾乐维京满载82万吨自重就26万吨,性价比在今日看来比较差)结果空载状态下螺旋桨会露出水面,但是即便如此漏出的部分也并不很大,实际视觉效果上就好像螺旋桨很小。然而其实都还是直径好几米到十余米的大型螺旋桨。几十万吨货船怎么只有一个螺旋桨而且还这么小,这是为什么?

  不过单轴现在也面临问题就是尽管航速较低的时候问题不严重,可是单轴马力超过5万轴马力则动力耗散比较严重,气泡增多,导致推动效率骤减,因此改进螺旋桨曲面形状十分重要。现代马士基已经使用单轴超过11万马力的货轮,不过前提是航速依旧不能太快,不然空泡损耗依然严重。(三十年代著名大型豪华邮轮玛丽王后号的主轴,此船尺寸与当今大型货轮相当,但是航速要快一倍左右。)另外大轴还是很贵而且损耗功率大,而且进出港不便,现代游轮为了便利开始使用电力推进(大部分还不是全电系统)艏侧推加上可旋转茄式螺旋桨,可以自行出入港。

  游轮的可旋转吊舱式螺旋桨。现代游轮并不追求航速,普遍高航速也就22-24节,比大型货轮略快,尺寸相近,但是吃水普遍较浅。大型货轮动辄满载20余米的吃水深度而大型游轮长宽相近,吃水只有8-10米。另外多说一句,所谓球鼻首一般认为只对30节以下航速船舶效果明显,现代军舰航速基本在30节左右,其更重要的作用是为声呐留出空间。而货轮和游轮的球鼻艏才是真的为了减小兴波阻力。

  水的巨大浮力就抵消了船的重量,所以螺旋桨就显得相对比较小。但实际上,大型船舶的螺旋桨还是很大的,直径在1-10米,重量数吨到数十吨。而且大型船舶的螺旋桨数量也不是1个,通常都在2个以上。例如30万吨超大型油轮就是双轴双桨,每部五叶螺旋桨的直径达10米(相当于3层楼),重达75吨。至于大型军舰,由于追求高航速,螺旋桨的数量还会增加。例如美国海军10万吨级尼米兹级核动力航母采用四轴四桨,每部五叶螺旋桨直径为6.4米,重30吨。几十万吨货船怎么只有一个螺旋桨而且还这么小,这是为什么?

  与活塞式或涡桨飞机的螺旋桨相比,船舶的推进螺旋桨都是曲面形状,线条复杂,要求的工艺指标为精度高于0.1毫米,难以用车床铣床加工,零件内部强度要求也高,不能有气泡。目前工业上制造螺旋桨的方法一般以高精度的铸造为主,一次浇铸成型,然后用机械打磨抛光表面。此外,船舶用的推进螺旋桨叶片要比飞机的螺旋桨宽度大得多,转速也小得多。

大型船用螺旋桨

  船舶的螺旋桨材料基本都是铜合金,用的多的是镍铝青铜。虽然不锈钢铸件的耐腐蚀疲劳强度和抗空泡剥蚀性能是铜合金的几倍甚至十几倍,能够显著提高螺旋桨的寿命,特别是污染的海水中,不锈钢更具优势。但是不锈钢件整体铸造技术难度太大,铸造成本是铜合金的数倍甚至十多倍。如果再将精密焊接、硬表面抛光等费用加上,不锈钢螺旋桨的成本就更是贵的令人咋舌得。相比之下,铜的熔点低、铸造简单、流动性好、铸件气泡少、表面光洁度高、成本较低,所以垄断了螺旋桨材料。

  说到大小,其实就是一个关于设计的话题,螺旋桨的为什么不做大,我们可以换一个问法,如果做大会有什么不好?第一、在船舶运行时螺旋桨必须要没入水中,而且要有一定的深度,另外在船舶浅水运行或者搁浅时,要防止螺旋桨损伤,所以螺旋桨下不超过船舶基线(船体底),上不过船舶吃水线,换言之螺旋桨直径吃水线高度或者不能超出过多。举例长度150米的船如果吃水4米左右,那么螺旋桨直径就不能大于4米。第二、制造能力和成本,随着螺旋桨的直径变大,制造难度和成本会成倍的变大。所以船东和设计公司在选用螺旋桨时会综合考虑。第三、金属构件越大,越容易发生变形。第四并不是螺旋桨越大,效果越好,水的密度和粘度是空气的成百上千倍,不能以空气中电风扇来做为船舶螺旋桨的参照。螺旋桨的参数包括直径、螺距,叶片数,盘面比等等,现在螺旋桨的设计已经很成熟,有很多理论和规范。第五。螺旋桨设计时也需要考虑到主机的功率和转速。


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关键词:船用螺旋桨,大型船用螺旋桨,船舶螺旋桨

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