Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 產生推力的巨輪──螺旋槳

2007年6月13日 星期三

產生推力的巨輪──螺旋槳



有關螺旋槳的歷史可上溯至《天工開物》中的記載,黃帝大戰蚩尤時的戰車上就有這種裝置。唐代李皋在戰船的舷側或艉部裝置了人力槳輪,稱為「槳輪船」或「車輪船」(這是後代「輪船」名詞的由來)。宋代水軍則稱它為「車輪軻」,記載中描述它有「以輪激水,其行如飛」的能力。

據西方歷史記載,是阿基米德首先提出螺旋槳的概念,達文西則在 15 世紀末繪出了螺旋槳的草圖。在美國,富爾頓發明蒸氣船後,初始是利用明輪,到了大約 1850 年,螺旋槳就成為產生船艦推力的主要裝置。直到今天,螺旋槳已是船舶中應用最廣、最重要、也是最有效率的推進裝置。當您驚訝於重達 10 萬噸級的貨櫃船,還能以每小時超過50 公里的速度在大海中航行時,可知它的推手仍舊是螺旋槳?因此稱螺旋槳為產生推力的巨輪,實在不為過。

螺旋槳作動的原理

船用螺旋槳作動的原理是什麼呢?我們可以從兩種不同的觀點來解釋,一種是動量的變化,另一種則是壓力的變化。在動量變化的觀點上,簡單地說,就是螺旋槳藉由加速通過的水,造成水動量增加,產生反作用力而推動船舶。由於動量是質量與速度的乘積,因此您可以想像,不同的質量配合上不同的速度變化,可以造成不同程度的動量變化。

另一方面,由壓力變化的觀點可以更清楚地說明螺旋槳作動的原理。螺旋槳是由一群翼面構建而成,因此它的作動原理與機翼相似。機翼是靠翼面的幾何變化與入流的攻角,使流經翼面上下的流體有不同的速度,而由伯努利定律可知這速度的不同會造成翼面上下表面壓力的不同,因而產生升力。

而構成螺旋槳葉片的翼面,它的運動是由螺旋槳的前進與旋轉所合成的。若不考慮流體與表面間摩擦力的影響,翼面的升力在前進方向的分量就是螺旋槳的推力,而在旋轉方向的分量就是船舶主機須克服的轉矩力。依據伯努利定律,壓力差的大小與合成速度平方的差成正比,因此升力的大小也與合成速度平方的差成正比,也因此螺旋槳旋轉速度愈快,產生的升力愈大,推力也隨著增加,船速因而提升。對大部分的船舶而言,船速大致與旋轉速度成正比,因此由前進與旋轉合成的入流速度也與轉速成正比。

船用螺旋槳有一個特殊的物理現象,就是螺旋槳表面的「空化」。隨著螺旋槳合成入流速度的增加,翼表面的壓力隨著降低,當低至流體的蒸氣壓時,就產生「空化」現象,也就是在這溫度之下流體會汽化。一般說來,水的蒸氣壓在攝氏 15 度與 25 度時大約分別是一大氣壓的 1.7% 與 3.1%,因此「空化」時,翼表面可說是處於很低的壓力。

螺旋槳的空化

空化的現象是船用螺旋槳相當特別的一種物理現象,而空化會因為螺旋槳葉片表面壓力分布的不同而有不同的型態,最常見的可以歸納為以下幾種。

葉尖渦空泡:產生的原因是由於螺旋槳葉尖上下表面壓力差很大,流體由高壓面往低壓面快速繞過,而產生很強的漩渦,這漩渦會隨著螺旋槳的旋轉往後洩出去。漩渦的旋轉速度很快,中心壓力最低,當低於水蒸氣壓時,就產生葉尖渦空泡。對於作戰艦艇,葉尖渦空泡是最早發生的空化現象,發生後會產生很大的噪音,不但使艦艇的行蹤容易被偵測到,而且容易干擾自己的聲納,影響水下作戰。

一般來說,螺旋槳直徑愈大、轉速愈快與入流愈不均勻時,葉尖渦空泡愈早發生,也就是說,螺旋槳葉尖渦空泡強度與螺旋槳葉尖的推力大小有關。而當螺旋槳葉片數增加時,每個葉片所產生的推力自然下降,因此葉尖渦空泡愈不容易發生,這也是為什麼潛艦的螺旋槳大多採用七葉的原因。

片狀空泡:產生的原因是由於攻角太大,葉片上表面導緣產生很低的局部低壓,因此從導緣往下游延伸。這種空泡很穩定而且是透明的,通常不會造成螺旋槳的浸蝕。一般商船由於艉部進入螺旋槳的軸向入流不均勻,最容易產生這類空泡現象。

泡狀空泡:通常只在船速很快、轉速很高且螺旋槳軸向入流均勻時才會發生,因為這時螺旋槳葉片低壓面壓力很低,已有很大的區域低於水的蒸氣壓,流體流經這區域有足夠時間氣化成大汽泡,然後隨著流體流往下游。當進入流體壓力高於蒸氣壓的區域時,汽泡迅速破裂,破裂的時間僅需百萬分之一秒,而且破裂時會產生射流。射流的壓力通常超過一千個大氣壓,因此即使螺旋槳一般都採用抗浸蝕能力很強的鎳鋁青銅合金,仍然很容易在葉片表面造成嚴重的破壤,並產生很大的震波往外傳遞。

螺旋槳產生的空化現象,一般具周期性。因為由船體產生的軸向不均勻入流,在空間上的分布是固定的,當螺旋槳葉片轉至某固定角度時,就會產生相同的空化現象。因此當葉片轉一圈,現象就重複一次,當有N個葉片時,螺旋槳轉一圈,現象自然就重複N次了。

當螺旋槳空化產生時,就表示水中有個體積突然漲大,對流場周圍會產生一個正壓的衝擊。而當螺旋槳轉至低攻角處,空化突然消除時,表示水中有個既存的體積消失,而這會對流場周圍產生一個負壓衝擊。如此正壓負壓交替的作用,使壓力波往外傳送,首當其衝的,當然就是位於螺旋槳附近的船體結構,而這些壓力波就是造成船體振動與噪音的主要來源。

空化的產生會影響螺旋槳的效率,而所造成的浸蝕會損害它的強度,減少它的壽命。在軍事用途上,空化所造成的噪音更嚴重影響到行動的隱密性。因此,空化是目前螺旋槳研發上極重要的一個課題,而研究空化相當重要的實驗設備就是「空蝕水槽」。空蝕水槽常常被稱為 「水洞」,它像風洞一樣,水在口字型的水槽中循環流動,並流經螺旋槳,以模擬螺旋槳在水中的運動。在空蝕水槽中,可以進行螺槳受力的量測、螺槳表面空化的觀測、以及螺旋槳流場的觀測等實驗。

螺旋槳的設計

螺旋槳設計的首要目標,當然是產生足夠的推力以推動船舶,而理想的設計,就是如何以最高效率產生需要的推力。螺旋槳效率的定義,基本上是推力與扭力的比值,因此,設計的第一目標就是在產生需要的推力下,扭力要儘量小。另一方面,由於螺旋槳表面的空化會產生不利的後果,因此必須考量如何避免空化的產生。再者,由於幾何的特性,螺旋槳上的受力分布可分為「徑向」與「弦向」,最佳的設計也可以說是在尋找最理想的「徑向」與「弦向」受力分布。

前面曾提過,螺旋槳每一葉片產生升力的壓力差來自翼面的幾何與入流的攻角,翼面的受力也分解成整體螺旋槳的推力與扭力。為了使螺旋槳的效率高,也就是推力與扭力的比值大,螺旋槳設計的第一步是設計徑向的負荷分布。所謂「最佳負荷分布」,指的就是在產生同樣的推力下,扭力最小的徑向負荷分布。決定了徑向的負荷分布後,接著就是設計不同徑向位置的翼面幾何與攻角。對於船用螺旋槳而言,有一些常用的翼面幾何,而也有所謂「新翼形」的設計。

一旦翼面的幾何決定之後,再來就是攻角的設計。就螺旋槳而言,螺距角是螺旋槳入流角與攻角的總和,因此,攻角的設計就是螺距角的設計。由於螺旋槳上的任一點都是以螺旋形前進,因此「螺距」就是螺旋槳旋轉一圈前進的距離。在設計螺距角時,應該配合翼形,使得翼面能產生在那一徑向位置上需要的推力,同時也需考慮空化的問題。

一般而言,螺旋槳葉片上的壓力分布愈均勻,愈能夠在較大推力的狀況下,避免發生空化現象。而控制壓力分布的因素有兩個︰

第一是進入螺旋槳的軸向入流是否夠均勻,若不均勻,則當螺旋槳葉面轉至軸向入流速度低的區域時,攻角會相對增大,使得葉片的低壓面壓力更低,尤其是導緣處,空化現象便容易產生。而當葉片轉至軸向入流速度高的區域時,則其攻角降低,而使空化現象消除。入流是否均勻與船體形狀有關,尤其是船艉的形狀。

第二個因素則是在不同的軸向入流的狀況下,選取適當的翼形使葉片表面的壓力分布最均勻。在設計精度要求高的螺旋槳,例如軍用螺旋槳,翼形的選擇與設計往往是設計成敗最重要的關鍵。

螺旋槳的設計包含了理論、實驗及數值計算。理論是以流體力學為基礎,實驗是以空蝕水槽為主,至於數值計算,則是應用數值方法模擬理論,以電腦進行計算。事實上,除螺旋槳設計外,與流體力學相關的工程設計,幾乎都是以這三者相輔相成的。

未來的發展

一百多年來,螺旋槳的角色從來沒有減輕過,反而產生了不少的「變形體」。除了常看到的式樣外,不同形式的船用螺旋槳還包括可變螺距螺槳、對轉螺槳、導罩螺槳、莢式螺槳、噴水式螺槳等,它們各具特色與優缺點,但都是產生推力的巨輪。

展望未來,船的發展決定了船用螺槳的發展,而船的發展則受到太多因素的影響。但整體說來,螺旋槳發展的目標不外是產生更大的推力,以推動更大的船或使船前進得更快、更有效率。而在能源日益昂貴的今天,螺旋槳的設計也將更具挑戰,設計者必須努力提升效率,甚至利用巧思,應用幾何的變化,以減少螺旋槳運作時能源的消耗。

B94611016胡寅亮

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