舷外机小艇螺旋桨的选配

刘勇

杭州海的动力机械股份有限公司

摘要：舷外机小艇匹配的螺旋桨一般由发动机制造厂提供 ，每一机型有多种规格的螺旋桨供选用。船、机、桨的匹配对艇的操纵性、乘坐舒适性、航行时的快速性能、燃油经济性及发动机的使用寿命等各项性能指标都有重要影响。为便于小艇设计和舷外机使用时选配合适的螺旋桨，根据小艇的满载重量、船长、发动机功率和齿轮箱传动比，可以从发动机公司提供的螺旋桨选配表中查出相应规格的螺旋桨，并对艇的航速作初步估算。由于舷外机的结构限定了螺旋桨直径的选择，因此，螺旋桨规格主要是确定螺旋桨的螺距。由选配表查得的螺旋桨规格没有考虑到船体线型的不同、船底的光顺程度、发动机的安装和船舶的重心位置等因素，一般仅作参考和初步估算。

关键词：螺旋桨；航外机；选配

前言：螺旋桨尺寸只不过是螺旋桨设计中的一个重要参数。船机桨的配合是一个系统设计作业。也就是说要根据船体的主尺度估算出阻力，再根据阻力估算所需要的主机功率，再根据主机的功率推算出所需要的推力，再来确定桨盘面的各个参数，查阅桨图谱插值，从而设计出螺旋桨。在桨的设计中，由于各参数的理论取值与实际值必然会有综合性的误差，螺旋桨不可避免地会产生“轻载”、“重载”现象。不论螺旋桨是“轻载”还是“重载”，都不能充分利用主机功率。相比较而言，螺旋桨“重载”时，主机工作在超负荷恶劣环境下，影响其使用寿命。

1 螺旋桨的材质

首先，随着现代船舶越造越大，民船已经有50万吨级别的，而最大的航母也超过了11万吨，因此螺旋桨其实也越造越大，螺旋桨的直径，已经从过去的1到6米，扩大到最大到了10米以上！这种尺寸的部件，在工业加工上，就已经属于大型和超大型零件，螺旋桨表面曲面多，线条复杂，而要求的工艺指标为精度高于0.1mm，这就造成技术非常普通的民用螺旋桨，也难以用一般的车床、铣床加工成型；至于军用的高精度螺旋桨，就更需要先进的高精度数控机床来加工。

螺旋桨作为推进用的强力受力部件。其内部对强度的要求也高，不能有沙眼、气泡。因此大型螺旋桨的叶片，一般不能用锻压成型，目前工业上能使用的生产方式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使其达到要求。就工业铸造工艺来说，铜的熔点低，铸造简单。热铜液的流动性好，铸件气泡少，光洁度高，因此螺旋桨材料几乎由铜合金垄断，用得最多的是镍铝青铜。

目前船用螺旋桨采用不锈钢铸造也是有的，但是不锈钢件整体铸造技术难度过大。不锈钢的熔点高，所以铸造模具的耐火性也得到提升。工业上有个经验公式，铸造温度每提高100度，成本加一倍。青铜熔点只有800度，而不锈钢熔点高达1700度，温度差了900度，铸造成本翻9倍。而且精密焊接和硬表面抛光的费用都加进去，这成本就贵得多了。所以不锈钢螺旋桨没有大规模普及。

其次，铜合金相比较钢类材料做螺旋桨有其优点：化学活性低，不易氧化，特别是镍铜合金，俗称白铜，几十年不腐，光亮如初。铜离子属于重金属离子，有一定的毒理作用。在海水状态下，藻类，贝类难以存活，附着少，清理方便。切削性能好，同等切削条件下，可以获得的表面精度比钢铁类材料至少高2个等级，无加工硬化现象，对刀具损耗小，容易加工。表面精度，往往决定了噪声大小。螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶地向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器。螺旋桨分为很多种，应用也十分广泛，如飞机、轮船的推进器等。

2 螺旋桨设计中的机浆配备问题及安装方式

2.1配备问题

假设船舶以等速直线航行，航速为V，此时，螺旋桨以设计转速、主机以设计工况功率运行，船机桨匹配良好。在某一时刻， 由于风浪增加，或者船体污底导致船体的阻力增加了，航速必然下降，螺旋桨进速系数J减小。从敞水图谱可看到，螺旋桨的推力系数Kt会增加，Kq会增加，假设在航速V1时达到新的平衡，此时，V1Kt, Kq1> kq，螺旋桨的推力等于船体阻力，但螺旋桨的扭矩要大于设计点的扭矩，这就要求主机供给的扭矩Q1要大于原设计时的扭矩Q，如果主机的扭矩不能增加，螺旋桨就显得过重，处于重载状态，就必然要减小螺旋桨的转速，或者减小螺旋桨的螺距。主机的运行功率小于设计的工作功率。假设船舶吃水减小处于轻载状态，船体阻力减小引起船舶航速增加，V2>V, 螺旋桨的进速系

数J增加，则推力系数Kt2和扭矩系数Kq2减小，主机的运行扭矩小于设计时的扭矩，如果主机不能增加转速则螺旋桨处于轻载状态，主机运行功率小于设计功率。

船舶的运行状态是多变的，只有刚造好的新船在试航时是处于运行的设计点，在绝大多数情况下船舶是处于非设计工况点运行的，所以在螺旋桨的设计时就要考虑实际运行情况以消除偏差。从以上分析可以发现如果船舶无论是否以何种工况运行，螺旋桨都不能把设计点放在主机的100%MCR功率上，因为，如果是以航速作为考核目标，则在船体阻力增加时，螺旋桨扭矩增加，会引起主机平均热负荷增加，导致汽缸盖、排气阀、汽缸等损裂，严重时会导致活塞环磨损严重而漏气，如果主机无法增加额外的扭矩以克服螺旋桨增加的扭矩，主机只能降速运行，主机的功率无法全部发挥。当船舶轻载航行时，螺旋桨扭矩减小，主机无法增加转速来提高扭矩，主机的功率也不能全部发挥，造成主机的功率的浪费。考虑到主机的燃油经济性和螺旋桨的效率，通常会把螺旋桨的设计点放在主机80-90% MCR

功率处，因为在此区域主机的燃烧和燃油消耗是处于最佳状态，当船体的阻力增加时，主机有功率储备增加扭矩，当然，在船舶轻载状态下，主机还是要浪费功率的。

2.2 螺旋桨的安装方式

螺旋桨安装在轴上的方式有两种，一种是有键安装，另一种是无键安装。随着造船技术不断发展，由于螺旋桨与轴无键安装连接的结构，避免了螺旋桨轴上加工键槽而引起轴的应力集中，所以船舶越来越多使用螺旋桨无键安装，逐步替代有键安装。无键液压套合安装螺旋桨的方法，如图所示。将螺旋桨套在艉轴上，装上液压螺母，用油泵泵出的高压油经高压油管由桨毂内控的油槽进入艉轴与螺旋桨的锥面配合处，使桨毂产生弹性变形而被胀开。与此同时，向液压螺母供给高压油，液压螺母产生向前的推力，使螺旋桨向前移动。当螺旋桨被推至规定位置时，先放去桨毂锥孔的高压油，然后再放泄液压螺母内高压油，由于桨毂弹性变形的恢复，使螺旋桨紧配在艉轴上。

3 螺旋桨的选择

3.1 可调螺距螺旋桨

简称调距桨，可按需要调节螺距，充分发挥主机功率；提高推进效率，船倒退时可不改变主机旋转方向。螺距是通过机械或液力操纵桨毂中的机构转动各桨叶来调节的。调距桨对于桨叶负荷变化的适应性较好，在拖船和渔船上应用较多。对于一般运输船舶，可使船机桨处于良好的匹配状态。但调距桨的毂径比普通螺旋桨的大得多，叶根的截面厚而窄，在正常操作条件下，其效率要比普通螺旋桨低，而且价格昂贵，维修保养复杂。

3.2 导管螺旋桨

在普通螺旋桨外缘加装一个机翼形截面的圆形导管而成。此导管又称柯氏导管。导管与船体固接的称固定导管，导管被连接在转动的舵杆上兼起舵叶作用的称可转导管。导管可提高螺旋桨的推进效率，这是因为导管内部流速高、压力低，导管内外的压力差在管壁上形成了附加推力；导管和螺旋桨叶间的间隙很小，限制了桨叶尖的绕流损失；导管可以减少螺旋桨后的尾流收缩，使能量损失减少。但导管螺旋桨的倒车性能较差。固定导管螺旋桨使船舶回转直径增大，可转导管能改善船的回转性能。导管螺旋桨多用于推船。

3.3 串列螺旋桨

将两个或三个普通螺旋桨装于同一轴上，以相同速度同向转动。当螺旋桨直径受限制时，它可加大桨叶面积，吸收较大功率，对减振或避免空泡有利。串列螺旋桨重量较大，桨轴伸出较长，增加了布置及安装上的困难，应用较少。

3.4 对转螺旋桨

将两个普通螺旋桨一前一后分别装于同心的内外两轴上，以等速反方向旋转。因可减小尾流旋转损失，效率比单桨略高，但其轴系构造复杂，大船上还未应用。3.5直叶推进器

由4-8片垂直的桨叶组成。直叶推进器上部呈圆盘形，桨叶沿圆盘周缘均匀安装，圆盘底与船壳板齐平相接，圆盘转动时，叶片除绕主轴转动外，还绕本身的垂直轴系摆动，从而产生不同方向的推力，所以可使船在原地回转，不必用舵转向，船倒退时也不必改变主机转向。但因机构复杂，价格昂贵，桨叶易损坏，仅用于少数港务船或对操纵性能有特殊要求的船上。

4 螺旋桨选择过程中需注意的问题

第一；螺旋桨的选配是在船舶满载工况下进行的，而船舶实际是在不同工况下使用，发动机公司因此建议在小艇上另配一支不同规格的螺旋桨，供船舶空载返港时使用。大多数船主很难做到这一点。为避免轻载时发动机超转速运行，对配有转速表的舷外机，在发动机加速时，应注意发动机不能在高于额定转速的工况下运行；没有配备转速表的舷外机，应适当控制油门的开启度，避免发动机超转速运行。通常发动机电气系统中设置了超转速保护装置。当发动机超过额定转速时，保护装置起作用，使发动机电子点火系统紊乱，引起发动机振动和声光报警此时，应检查螺旋桨螺距是否偏小，是否在全油操作时因轻载而引起发动机超转速。

第二；齿轮箱减速比。小艇的船长、满载重量、发动机功率、齿轮箱减速比是螺旋桨选配的关键因素，其中齿轮箱减速比是比较容易忽略的因素之一对于同一品牌和功率的舷外机，为适应不同的船舶用途，有可能配有不同减速比的齿轮箱，选配时应特别注意。

结语

舷外机匹配的螺旋桨由发动机生产厂提供，在小艇设计或营运过程中，须合理选配：由于受舷外机构造的限制.螺旋桨规格主要是螺距的变化。尽管影响螺旋桨选配的因素很多，在选配螺旋桨时主要应掌握以下原则：在小艇测试或营运时调整小艇的航态至最佳状态，保持船舶最佳性能和发动机的最佳工况，保证在船舶满载，发动机全油门工况下发动机在额定转速范围内运行。另外在小艇营运过

程中应注意，营运条件发生改变，螺旋桨规格可能也须随之改变。

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