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可变螺距螺旋桨
一、概述
船舶推进螺旋桨的早期是桨壳与桨叶铸成同一整体,螺旋桨的螺距角是固定不变的。1908年SEFELE公司研究并制造了首台可变螺距螺旋桨,它的桨叶与桨壳分开制造,桨叶用螺钉安装到桨壳上并能在桨壳上旋转。这就是今天我们使用的可变螺距螺旋桨,简称变距桨,又称调距桨。
可变螺距螺旋桨的优良性能早在20世纪初就被人们所认识,但由于当时的生产和科学技术水平的限制,并没有得到推广应用,直到上个世纪70年代中期才得到迅速发展。现在,从特种船舶、军用舰艇到一般的远洋货轮,从中、小功率到几万千瓦大功率的变距桨都已见使用,今后变距桨必须还会获得更大的发展。
(下图)为变距桨装置在船舶中的配置情况示意图。
与普通定距桨相比,变距桨的主要优点可归纳如下:
。采用变距桨的柴油主机可以省去一套倒车机构,或者使汽轮机主机省去倒车级,且可提高倒车的功率。此外,由于变距桨为主机的恒速运转提供了条件,所以可用主机来直接驱动发电机,因而可以省掉发电柴油机。
。据测算,通常柴油机每起动一次的汽缸磨损量相当于额定功率下工作8小时的磨损量
。而采用变距桨的主机,其起动次数只有原来的几十分之一。
就尾轴管轴来说,变距桨经定距桨重量大,且力臂长,因此,承受负荷较大。但是实践表明,变距桨的尾轴管轴承却更为经久耐用。这是因为轴承中加剧磨损的主要原因在于油膜的状态,是否出现干摩擦或半干摩擦。在定距桨的船舶上,由于经常地起动、换向、停车,因而经常地对油膜起破坏作用。
。有利于实现驾驶自动化。由于液压传动技术的运用,使变距桨易于实现遥控,如需改变航速,只需要通过遥控装置来改变螺距角,便可实现从零到最大航速之间的无级调速,并在主机不停车亦无需换向的情况下,可以很容易地实现倒航。这一性能,为提高船舶的自动化程度和实现无人机舱提供了极为有利的条件。
。如第一章柴油机特性中所述,采用定距桨的柴油主机,其最低航速因受柴油机最低稳定转速的限制(一般为6-7节①)如果要使船舶以超低速航行,就必须使主机断续地起动、停止,而一旦螺旋桨停转,就会失去舵效,影响船舶操纵。在大型船舶通过复杂航道,或进出港时,通常是需要超低速航行的,且又要有良好的舵效和机动性。采用变距桨,则可以在主机不停车的情况下实现任意的超低速航行,而且在必要时还可以使桨交替地以正车或倒车工作来保证舵效。此外,采用变距桨也改善了船舶的停船性能。据估算,一艘65000吨,功率为18000马力的油轮,,采用定距桨需要12分钟,而采用变距桨仅需要6分50秒,停船距离也大大缩短。
。虽然,船模试验池中的事实表明,变距桨的推进效率比定距桨的要低1%-3%左右,其原因是变距桨的毂径和桨叶根部尺度都比较大,这些因素影响到螺旋桨的效率。但上述试验结果都是在设计工况下取得的,在研究船舶营运的经济效益时,航运部门更感兴趣的是总的经济价值。有关资料说明,在风平浪静时,,在恶劣的海面情况下,甚至要快1-2节。此外,变距桨能使主机维持在最佳工况下运行,有利于充分发挥主机的功率和降低单位功率的耗油量。
最后尚需指出,由于高速柴油机和某些中速柴油机通常都是不能换向的,因此变距桨的发展为上述机型在船舶上的应用创造了条件。
变距桨还可用作船舶的首侧推装置,以提高船舶的机动性和操纵性。
但是,从结构上来说,变距桨较定距桨复杂,并涉及到液压技术、自动控制、密封和材料等技术问题,这些还有待于进一步的研究解决。
可变螺距螺旋桨有三叶桨和四叶桨。,;在结构上SE型调距桨的叶片与叶根曲柄盘制成一体,KS型调距桨的桨叶用螺钉与曲柄盘联接
。在变距机构动力油缸的设置上,有的设置在桨壳内,有的设置在轴系中。本文主要介绍的是引进KAMEWA技术,由国内生产制造的KS型四叶调距桨,其主要结构特点是油缸设置在齿轮箱输出端,叶片与曲柄盘分开制造。
二、变距桨系统的组成及工作原理
可变螺距螺旋桨(如图2所示)是由桨叶1、桨毂2、尾轴3、配油环4、变距油缸5、螺距反馈杆6、推拉杆7、中间轴8、变距活塞9、变距滑座10、偏心销及滑块11所组成。可变螺距螺旋桨是以液体的压力来传递动力和运动的。依靠液压系统中的执行元件变距油缸5,通过推拉杆7来驱动固定在推拉杆上滑座10。由于桨叶根部偏心销的偏心作用,从而将推拉杆的平移直线运动转变为桨叶的旋转运动,以实现桨叶螺距变化的目的。
(下图)为变距桨桨毂内部结构的立体图。
可变螺距螺旋桨要想实现变距功能必须要有相应的系统和机构的协调动作才能完成