表面桨推进装置

第二节　表面桨推进装置

表面推进装置采用割划水面式螺旋桨（俗称“表面桨”）。其特点为螺旋桨浸水部分仅为螺旋桨直径的40%～60%，螺旋桨轴的上部出现在水面上，当螺旋桨转动时，桨叶就像一把刀那样切割水面，产生推力，所以称为割划水面桨。

表面桨适合采用超空泡螺旋桨，解决了常规螺旋桨在高速时普遍存在的空泡问题，如设计得当，其敞水效率可望达到70%以上。滑行状态时，由于桨轴在水面上，避免了桨轴和附体对来流的干扰，消除了占总阻力30%以上的附体阻力，使艇的阻力大大减小。再则，桨轴的倾角小，通常为4°～7°，比斜轴桨小得多，推力的分量损失小。表面桨驱动具有良好的浅水机动性、节省燃料，结构紧凑、重量轻、耐腐蚀、性能可靠、维修简单等特点。

表面桨多用在高速艇上，而高速艇在航行过程中，其吃水和纵倾角会发生变化，导致表面桨的浸沉深度发生变化。当表面桨的浸深增加，超过设计浸深时，桨叶负荷增加，导致桨轴扭矩增加，主机就会超负荷；当桨的浸深减小时，主机就会因负荷变轻而超速。这种种现象都导致机和桨的负荷不相匹配，所以要通过调节表面桨浸深的方法来调节负荷。

表面推进装置根据其浸深调节方式可区分为微调式、固定式、可调式3种。

现代早期的表面驱动装置将螺旋桨轴露出艇艉板底部，螺旋桨安装在固定的螺旋桨轴上，所以只有螺旋桨底部的叶片处于艉板下的水流中。该系统第一次是被一家意大利高速艇制造商采用，然后其他船厂也相继采用，最显著的是第一艘Atlantic Challenger号。这种简易装置存在的问题是随着艇航速的增加，航行吃水和航行姿态改变，桨的浸深不能调节导致桨的负荷与主机不能匹配。

Arneson Drive表面驱动装置是一个突破。该系统将螺旋桨合适地安装于艉板的后部，置于一带有万向接头的轴上（图7-14）。这样就能从高度及侧面调整螺旋桨以提供纵倾调节及操舵转向系统。今天的Arneson Drive系统经过多次反复改进，从减速齿轮箱到螺旋桨的调节控制装置，形成一个完整的系统。美国双环（Twin Disc）公司是该产品的制造和销售商，现在它能制造输出功率达3 676kW的产品。这是世界上第一个能使驱动轴的角度适应纵倾调节的解决方案，从而使表面桨的浸水深度得到控制。

图7-14　Arneson Drive表面驱动装置

由ZF公司经销的Trimax Drive表面驱动装置（图7-15）相对来说比较简单，Trimax Drive是意大利FB Design公司开发的，像Arneson一样最初是用于近海赛艇上。表面桨经由万向接头与齿轮减速器连接，但它的倾斜角度调节范围很有限，只有当艇拉上来时才可调整轴的倾斜角度，一旦调整好了，轴夹住定位，在航行中就不能改变了。早期的形式是设计成螺栓固定单元，与舵构成一个组合体，舵装在螺旋桨后方；最新的设计是将空气导入螺旋桨上部叶片，采用通气方式来调节表面桨叶片的负荷。当艇的速度较低时，艇体还没有起飞，此时表面桨浸深较大，负荷过重，发动机排气系统被用来帮助螺旋桨通风。通入桨上部的空气减轻了表面桨的负荷。当艇的速度逐渐提高后，艇体进入滑行状态，此时桨轴露出水面，表面桨只留下下半部在水中工作，形成表面割划桨。

图7-15　Trimax表面驱动装置（图片来源：ZF公司产品样本）

近年来，ZF又推出了MiniRex Surface-drive表面驱动装置（图7-16），MiniRex表面驱动装置安装在艇的尾板上，通过四根液压油缸使驱动轴的角度能够上下左右调节。一方面，使表面桨的浸深达到最佳状态；另一方面，实现艇的航向控制。

图7-16　MiniRex表面驱动装置（图片来源：ZF公司产品样本）

另一种能调节纵倾的表面驱动装置SDS是由法国Helice公司开发的。它的浸深调节原理与MiniRex相似，将所有的控制液压系统均置于艉板内，支撑螺旋桨轴外部的臂与轴分离。所不同的是SDS采用可变螺距表面桨，可变螺距表面桨的诱人之处在于低速航行时螺旋桨全浸在水中，通过调节螺距来减轻表面桨的高负载。这样，艇在加速过程中十分平稳，且螺旋桨始终保持较高的效率。但将可变螺距螺旋桨连接于一纵倾驱动系统将大大增加系统的复杂性，故就目前而言不是一种实际的选择。现在找到了另一种替代可调桨的方法，即用双速比齿轮箱来驱动固定螺距表面桨。这样，艇起飞前采用大的速比，有利于艇的加速起飞。当艇体起飞后，改用小的速比，桨的转速加快，与艇的高速度相匹配，桨的效率达到最佳的设计状态。

有些生产表面驱动装置的制造商经常将铲形舵挂在螺旋桨后，新西兰的Seafury Surface Drive公司的艇尾推进装置（图7-17）就是其中之一。它是一种安装于艇艉板的组合件。所有运行部件均在艇艉板外。两个液压缸通过固定于艇艉板上的连接支架提供纵倾调节。这种连同倾斜艇艉板一起出售的集成装置的价格为通常用于商船上水喷射推进器价格的一半。

图7-17　Seafury表面推进装置

表面驱动装置在当今市场用得最多的是高速巡逻艇，但现在也有几家主要的船厂将该系统用于其休闲艇上。游艇采用它是因为这种驱动装置能使艇达到更高的速度水平。当小艇的速度要求达到30kn以上时，表面驱动装置逐渐体现其优越性。表面桨都属于超空泡螺旋桨，它在低速时的工作效率极差。因此不宜在中低速游艇上使用。