可调桨及其市场研究报告(编辑修改稿)

可调桨及其市场研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

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。 在船舶技术发展过程中，它比任何一个专业领域都做得多，从经验方法过渡到数字化设计，再进而应用计算机技术进行螺旋桨最佳化的设什。 一个好的螺旋桨其设计是非常重要的，模型试验也起着主要的作用。 船用螺旋桨的诞生 1836 年，英国的 “ 阿基米德号 ” 使用了螺旋推进器，那是一个木制的长长的像螺丝钉的螺杆。 开始试验时，它以每小时 4 海里的航速航行。 突然，水中的障碍物碰断了螺杆，只剩了一小截。 正当造船工程师 史密斯 急得不知所措时，这船却意外地加快了速度，达到每小时 13海里。 这事启发了造船工程师们，他们把长螺杆变成短螺杆，又把短螺杆变成叶片状，螺旋桨就这样诞生了。 1845 年，英国制成了世界上第一艘螺旋桨船 “ 大不列颠号 ” ，但是 ,当时的人们对螺旋桨和螺旋桨船存在疑虑螺旋桨没有等到广泛应用， 螺旋桨船还不多。 螺旋桨轮船和明轮船 的比赛 为了证明螺旋桨的优越性 , 英国海军组织了一场有趣比赛：把动力相当的“ 响尾蛇号 ” 螺旋桨轮船和 “ 爱里克托号 ” 明轮进行了竞赛。 两艘船的船尾用粗缆绳系起来，让它们各朝相反的方向驶去。 “ 响尾蛇号 ” 的螺旋桨飞快地旋转，“ 爱里克托号 ” 的明轮猛烈地向后拨水。 先是互不相让，但过了一会儿， “ 响尾蛇号 ” 就把 “ 爱里克托号 ” 拖走了。 这场比赛证明了螺旋桨的优越性。 从此，螺旋桨轮船就取代了明轮。 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 2020 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，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．节；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。 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6 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 ”。 螺旋桨理论发展 第一阶段 :19 世纪中叶 动量理论 Rankine 和 提出了动 量理论 ， 并将其作为评估船用螺旋桨的分析手段 ， 该理论也被认为是理想推进器理论。 动量理论的重要意义在于解释了推进器产生推力的原因。 叶元体理论 在 的叶元体理论中：推进器被认为 由几个单独的桨叶构成 ， 同时这些桨叶又分成从导边至随边的连续的带。 通过分析每一叶元体所受的力 ， 以计算整个推进器的推力和转矩。 第二阶段： 20 世纪 20年代至 80年代 动量理论和叶元体理论这二个理论尽管发展得很好 ， 但是它们没有很好地考虑桨叶数目的影响和为叶元体选择合适的升力和阻力值。 升力线模型 1927 年， Prandtl 等建立了机翼的升力线理论 1929 年， Goldstein 发表了螺旋桨涡流理论，提出最优环量分布理论。 1952年， Lerbs 提出了螺旋桨升 力线理论。 第三阶段 ： 20 世纪 80 年代至今 边界元法 边界元法的核心是格林函数。 由于边界元法考虑的是叶表面而非平均的拱度面 ， 因而可考虑到非线性厚度耦合的影响。 同时 ， 在螺旋桨导边和叶梢处 ， 边界元法比涡格法具有更好的预测性。 考虑粘性流的计算流体动力学法 上述方法均假定流体是无粘性的，姑应用势流理论进行处理。 世纪流体是粘性的，因此，基于粘性的 RANS 的计算流体动力学法被用于螺旋桨性能的预报。 近年来，先进的商用 RANSE 程序可较为准确的预测螺旋桨敞水性能和压力分布。 近代船用螺旋桨设计 现代船用螺旋桨设计的关键问题是吸收最小的能量、提供最大的效率、减少船体震动和避免产生不利的空泡。 因此，其设计是一个迭代过程。 一般而言 ， 可采用以下四个设计步骤 ： 第一步为螺旋桨初步设计。 基于螺旋桨系列试验资料 ， 如荷兰的 Ｂ 系列或日本的 ＭＡＵ 系列 ， 按最高效率进行螺旋桨主要参数如直径、叶数、盘面比和螺距比的选取。 第二步为螺旋桨详细设计。 基于初步设计的结果 ， 通常采用升力线、升力面模型进行设计以决定叶剖面的具体几何形状 ， 如弦长、拱度、厚度分布和螺距分布等。 近年来 ， 面元法也被用于详细设 计。 第三步为螺旋桨的分析与计算。 基于详细的几何形状 ， 采用升力面模型或边界元法或计算流体动力学法来评价空泡性能、螺旋桨强度、轴承力和脉动压力等。 如果分析计算中发现一些令人不满意的结果 ， 螺旋桨应重新回到第二步设计 ， 然后再次分析与计算。 第四步为螺旋桨最终设计。 螺旋桨设计的结果由螺旋桨模型试验 ， 如敞水试验、自航试验和空泡试验等验证并作最终修改设计。 7 随着试验设施的改进，现代化的大型空泡水筒 ， 如美国的 ＬＣＣ、法国的ＧＴＨ、韩国的 ＳＣＡＴ、中国的 ＬＣＴ 和 德 国 的 ＨＹＫＡＴ被广泛用于 空泡试验。 许多船用螺旋桨的制造企业 ， 如德国的 ＭＭＧ、英国的 Ｓｔｏｎｅ、荷兰的 Ｌｉｐｓ 和日本的 ＫＡＭＯＭＥ 等都有自己的设计和分析软件。 可调桨 定义 可调螺距螺旋桨即是桨叶螺旋面与桨毂可作相对转动的一种螺旋桨。 它借助一套转叶机转动桨叶 (曲柄连杆式、曲柄滑块式、曲柄销槽式 )以达到改变螺旋桨螺距 H 的目的。 对于桨径 D 一 定的螺旋桨，则等于换了一个新的螺距比 H/D，其性能也就发生了变化。 可调桨工作原理 可调桨螺距调节机构，如图 2 所示。 它主要是由工作液压缸内的工作活塞，在正 /侧转油压作用下水平移动时，拉动桨叶上的偏心轴销作转动而工作的。 可调桨其桨叶如图 3 所示。 图中，叶片轴的中心线为 HH 线，叶根部除中心轴（ A）外，还有偏心销轴（ B）。 其二轴的偏心距为 R，油缸工作活塞在正车 /倒车压力油作用下，作左右水平移动时，通过带动偏心轴（ B）而使桨叶片作正向转动或倒向转动，从而实现桨叶的正螺距转动或倒螺距转动。 可调桨内部结构，如图 4 所示。 在可调桨的整个调节过程中，仅仅使螺距角转动（正转或倒转）一定的角度是较容易实现的；关键是当桨叶转过一定角度后，在这个角度要实现锁定，保持螺距角 稳定不变，且当螺距角稍有偏差，即能自动纠偏才，是比较难以实现的。 这就需要由一套有反锁随动的控制系统进行偏差调节来保证的。 8 图 1 可调浆结构图 图 2 可调浆的浆叶 9 图 3 可调浆内部结构图 可调桨 性能及应用特点 与一般的定距桨相比，调距桨具有十分显著的特点，它的优缺点如下： 优点： （ 1）对航行条件适应性强：在航行条件改变的情况下，可以通过调节螺旋桨的螺距比 H/D，就可使主机保持发出最大功率的能力，因此船舶可获得较高的航速并获得较大的推力。 （ 2）动力装置的经济性好：相较于定距桨唯一的效率线，调距桨有一条最佳 n—H/D 匹配曲线，可以兼顾螺旋桨效率和主机燃油消耗率，获得较好的经济性。 （ 3）提高了船舶的机动性；除了靠改变主机转速调节船舶航速，还可以借助于螺旋桨叶片角度的改变 ,实现正车、倒车、停车以及航速变化，并且换向时间短、反向推力大、可实现船舶的无级调速。 （ 4）有利于驱动辅助负载：主机以恒定的转速运转，对使用轴带发电机或使用轴带设备的船舶非常有利。 （ 5）延长了发动机寿命：由于调距桨的变螺距功能 ,减少了主机起、停及改变转速的次数，以此减少了运 动部件的磨损和受热部件的热疲劳损坏 ,大大延长主机的寿命 ,减少主机的维修时间和 维修费用。 （ 6）便于实现遥控：遥控系统功能强大、操作方便，驾驶员可以在驾驶台直接操纵控制手柄进行调距桨螺距的调节。 缺点： （ 1）调距桨及轴系由于要安装螺距调节机构及遥控系统，因此构造复杂，造价10 比定距桨高； （ 2）由于桨毂中的转叶机构零件尤其是运动部件多，可靠性不及定距桨； （ 3）在相同情况下，调距毂部结构较定距桨复杂，使得其毂径比（ d/D）较大 ，在相同的设计工况时，其效率要比定距桨低 1%～ 3%。 可调桨分类 燃气轮机推进 走马灯是燃气轮机的雏形。 它靠蜡烛在空气燃烧后产生的上 升热气推动顶部风车及其转轴上的纸人马一起旋转。 现代燃气轮机发动机主要 由压气机、燃烧室和透平三大部件组成。 当它正常工作时，工质顺序经过 吸气 压缩、燃烧加热、膨胀做功以及排气放热等四个工作过程而完成一个由热变功的转化的热力循环。 11 燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机。 其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。 生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。 舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置。 它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以来，已得到了极其广泛的应用。 功率总数日益增长，装舰使用范围日益扩大，已由快艇发展到了护卫舰、导弹驱逐舰、巡洋舰和直升机航空母舰等。 竞争激烈的船用燃 气轮机在世界范围内，船用燃气轮机装置的市场一直主要由 GE 和罗罗这两大公司所统治，但是目前则受到了来自各方的挑战。 如 MFT8 燃气轮机 TF40 系列燃气轮机 Solar 燃气轮机 12 螺旋桨推进 螺旋桨推进是现代船舶的主要推进工具 ,现在大多数船舶是用螺旋桨来推进的。 按照桨叶多少，螺旋桨有 3 或 4 个桨叶 ,甚至更多。 一般桨叶越多吸收功率越大 按照构造不同，螺旋桨分为定距和变距螺旋桨两大类。 定距螺旋桨，螺距是固定不变的。 变距螺旋桨，通过螺旋桨变距机构调节螺距。 图表 3对转螺旋桨 图表 4导管螺旋桨 图表 2槽道螺旋桨 图表 1串列螺旋桨 13 吊舱推进 目前，在船舶电力推进系统中，应用最为广泛的推进器是吊舱式推进器。 吊舱式电力推进装置的结构是将电机放在一个吊舱内，定距螺旋桨直接连接在电机轴上，可 360 度旋转，在任何方向上产生推力，不需要舵和侧推器。 集推进和操舵装置于一体，能够增加船舶设计、建造和使用的灵活性整个吊舱位于船体外侧浸泡在海水中直接向外散热，从而整个推进器不需要额外冷却。 这种设计有利于减轻船体自身重量、节省空间，并且能够降低噪声和振动，使得机动性能更加良好，同时，还为推进器的制造、维护和检修提供了方便 喷水推进 喷水推进器由水泵、吸水管道、喷水管道等部件所组成 ,利用水泵作动力，将水从船底孔吸入，经舷部管子，依靠船尾的水泵喷出高压高速水流的反作用力来推进船舶，并通过调向阀门的阀轴转动改变出 水方向来实现对船舶的操纵（前进、转向和倒退）乌贼素有”海中火箭”之称．它在逃跑或追捕食物时 , 最快速度可达每秒１５ 米 , 连奥林匹克运动会上的百米短跑冠军也望尘莫及 人们根据乌贼喷水推进方式，设计了喷水推进器。 14 喷水推进装置的基本结构 包含有吸水装置、输水装置和喷水装置。 吸水口开设在舰船的首部，吸水口防护罩罩住吸水口的开口部分，联接在舰船的壳体上，吸水口开关的进水端联接吸水口的收口端，其出水端与输水装置中的输水管的前端相联，增压泵的出水端与增压输水管的前端相联。 输水装置中的增压泵可为一个或多个，视舰船的长度、大小和增压的实际需要配置，若为多个，则从第一级到最后一级依次串联（一个增压泵为一级增压，多个 增压泵极为多级增压）。