轮船螺旋桨如何推动船只前行？-中国船舶网

可以把螺旋桨想象成“在水里旋转的机翼”，或者说是轮船的“脚”，它通过旋转产生推力,推动船前进。

核心工作原理：伯努利原理与牛顿第三定律

螺旋桨的工作原理结合了两个核心的物理定律：

（图片来源网络，侵删）

牛顿第三定律（作用力与反作用力）
- 简单理解：螺旋桨旋转时，会把水向后推，根据“作用力与反作用力”原理，向后推水（作用力）的同时，水会给螺旋桨一个大小相等、方向相反的力（反作用力），这个反作用力就是推动轮船前进的推力。
- 类比：就像人划船，桨向后划水,水就把船向前推。
伯努利原理（升力产生原理）
- 核心思想：流体（空气或水）流速越快,压强越小。
- 螺旋桨叶片的形状：螺旋桨的叶片（桨叶）的截面形状和飞机机翼的截面非常相似，都是翼型，桨叶的一面是凸起的（工作面）,另一面相对平坦。
- 升力产生：当螺旋桨旋转时，桨叶在水中运动，由于翼型的设计，水流过桨叶凸面的路径比流过平面的路径更长，因此流速更快，压强更小，这样，桨叶的凸面就形成了一个低压区，而平面的另一侧则是相对的高压区，这个压力差就产生了一个垂直于桨叶旋转平面的“升力”。
- 推力形成：在螺旋桨旋转时，这个“升力”的方向是斜向前的，我们可以将这个力分解为两个分力：
  - 一个是轴向分力：沿着船艏（船头）方向，这就是我们需要的推力。
  - 另一个是旋转分力：它会使螺旋桨有“空转”的趋势,但这个力被发动机克服了。

螺旋桨的推力主要来源于压力差（伯努利原理），而其根本作用力遵循牛顿第三定律，两者共同作用,最高效地将旋转运动转化为前进的动力。

一个典型的螺旋桨主要由以下几部分构成：

（图片来源网络，侵删）

直径：螺旋桨旋转时，桨尖所画出的圆的直径，直径越大，理论上在相同转速下推力越大，效率也越高,但直径受船尾吃水深度和船体尺寸的限制。
螺距：这是螺旋桨一个极其重要的概念。
- 定义：想象一下，螺旋桨就像一个螺丝钉，如果它在固体中旋转一圈，沿轴线前进的距离，就是它的“理论螺距”。
- 固定螺距：螺距是固定不变的,桨叶的扭曲角度是恒定的。
- 可调螺距：桨叶可以通过机械机构在桨毂内转动，从而改变桨叶的安装角度，实现螺距的无级调节，这使得轮船可以在不同工况下（如满载、空载、拖带）都保持最佳发动机转速和效率,应用非常广泛。
盘面比：所有桨叶在旋转平面上投影面积的总和与螺旋桨盘面积（πD²/4）之比。
- 高盘面比：叶片宽而短，适合推重船或破冰船，能产生更大推力,但效率稍低。
- 低盘面比：叶片窄而长，效率高,适合高速客船或军舰。
材料：
- 锰铁黄铜：最传统的材料，强度好、抗腐蚀、抗空泡性能优越,但重且成本高。
- 不锈钢：强度极高，更轻，效率更高，适合高速艇和军舰，但韧性较差,在撞击或严重空泡下容易损坏。
- 复合材料（如尼龙、玻璃纤维）：重量轻、无磁性、抗空泡腐蚀,常用于小型游艇和军用舰艇。

为了满足不同需求,工程师们设计了各种特殊螺旋桨：

导管螺旋桨：在螺旋桨外部增加一个机翼形状的导管（套筒）。
- 优点：导管可以约束水流，提高螺旋桨的效率（特别是对于推重船），还能起到保护作用，广泛应用于拖轮、渡轮、拖网渔船。
对转螺旋桨：在船尾安装两排旋转方向相反的螺旋桨。
- 优点：效率高，能有效消除螺旋桨旋转引起的扭矩，提高航向稳定性，常见于高性能军舰、潜艇和破冰船。
可调螺距螺旋桨：如前所述，可以改变螺距，适应不同工况,是现代商船和军舰的标配。
吊舱推进器：将电机和螺旋桨集成在一个可以360度旋转的吊舱里，吊舱吊挂在船尾下方。
- 优点：操纵性极佳（原地360度转向），节省舱内空间，布置灵活，噪音低，是邮轮、科考船和现代军舰（如英国“伊丽莎白女王”级航母）的首选。

螺旋桨在水中高速旋转,会遇到一些棘手的问题：

空泡现象：
- 成因：当桨叶表面的水流速度极快时，局部压强会降低到水的饱和蒸汽压以下，导致水汽化,形成充满水蒸气的气泡。
- 危害：这些气泡流到高压区时会迅速破裂，产生微射流，像无数个小水锤一样冲击桨叶表面，导致材料剥蚀和损坏，同时还会产生噪音和振动。
- 应对：优化桨叶设计（如采用侧斜、纵斜）、使用更抗空泡腐蚀的材料（如不锈钢）。
振动与噪音：
（图片来源网络，侵删）
- 成因：除了空泡，螺旋桨在不均匀的船尾伴流中工作，桨叶周期性地通过高伴流区和低伴流区，会产生周期性的力,导致船体振动和噪音。
- 危害：影响船上人员的舒适度，长期振动会损坏船体结构和设备，对于军舰来说,噪音还会暴露自身位置。
- 应对：采用侧斜和纵斜的桨叶设计，可以平滑桨叶上的载荷分布,有效抑制振动。