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新式船舶节能螺旋桨专利技术:
> 1． 项目简介：该发明的船舶螺旋桨是应用在船外机上的一种先进推进装置，它是把原有螺旋桨的桨叶做成筒状桨叶及桨轴采用空心结构，应用（空毂降阻，含水推进）原理而制造的一种新式节能螺旋桨，具有重量轻，尺寸小，低噪音，桨叶可互换，寿命长，推进效率高等优点。它不仅在船外机上应用还可广泛用在潜艇，拖船等各种船舶上，具有广阔的应用前景。（专利号：ZL 2004 2 0004883 .5）
> 2． 经济效益分析：我国江河湖泊众多，中小型船舶数量巨大，仅船外机上应用就可在各地大范围推广，经济效益潜力巨大是船舶螺旋桨的更新换代产品。
> 3． 联系方式地址：黑龙江省齐齐哈尔市铁锋区中华东路曙光大街曙光16号楼69门102室.邮编：161002 电话：0452--8679547 （专利权人有论文发表：见《船舶工业技术经济信息》2005年第10期《向大侧斜螺旋桨发起的挑战--船舶螺旋桨"空毂降阻，含水推进"理论及其应用》电子信箱：
wuhongjun1969@sohu.com 《向大侧斜螺旋桨发起的挑战
——船舶螺旋桨“空毂降阻”、“含水推进”理论及其应用》
论文作者：吴宏军 {该文已经在<<船舶工业经济信息>>05.10期上发表 电话:0452--8679547
从19世纪中叶以后，船舶螺旋桨得到广泛应用到现在，在这一历史时期里各国的科学家和工程师为了民用或军用船舶的各种需要对螺旋桨进行了深入的研究和积极的改进，使其各种性能更趋合理和完美。虽然在这期间，尤其是近几十年来各国也研究发展应用了一些特种推进器，（如：节能风帆、喷水推进器等）但还不能与结构简单、维护方便的螺旋桨相比，故螺旋桨在船舶推进领域得到十分广泛的应用，占据极为重要的地位。但目前使用的螺旋桨，还是存在着一些缺点，诸如不能充分地吸收主机功率、叶片易折断、重量大、噪声高等问题。所以各国科学家和工程技术人员一直在努力追求如何提高螺旋桨的推进效率、降低噪声等方面做积极有益的探索。
传统的螺旋桨研究，运用传统的螺旋桨推进理论：如早期的动量理论、叶元体理论，由于流体力学机翼理论的应用又将上述两种理论发展成为环流理论等。
这里，我不想对目前螺旋桨的研究理论进行更多的详细阐述，而是对我们所研究的螺旋桨“空毂降阻”、“含水推进”理论做一下介绍，因为这种新的理论与原有的理论不相互矛盾，它是原有理论的进一步发展和延伸。那么什么是“空毂降阻”、“含水推进”理论呢？
我首先讲一下“空毂降阻”，在讲“空毂降阻”之前，我们有必要对目前船用螺旋桨做一下分析：螺旋桨一般由桨叶、桨毂构成，螺旋桨与尾轴连接部分称为桨毂，它起着支承桨叶和传递扭矩的作用。有的人一直认为桨毂部分（包括毂帽）对螺旋桨本身来说阻力很小，甚至没有阻力，实际上是错误的。因为桨毂部分是是直接而不是间接地消耗了螺旋桨所做的一部分功，虽然桨毂处有毂帽进行整流。也就是说螺旋桨吸收主机功率后需要克服自身的阻力（桨毂部分的阻力），然后再克服整个船体在流体中所形成的各种阻力来推动船体前进的（这里主要针对船外机用螺旋桨和回转推进器等而言）。
螺旋桨升力线理论把螺旋桨的叶片比作旋转运动的机翼，有人认为桨毂虽能阻挡同一叶片压力面和吸力面之间的压力中和，但根部处叶片间很靠近，一叶压力面将与相邻的叶片之吸力面而发生压力的中和，此处环量为零。（引自《船舶推进》214页，王国强、盛振邦编著）通过以上分析我们认为桨毂部分是不产生推力的,它对螺旋桨形成一种阻力，其中心的压力很低，易产生涡空泡，使螺旋桨噪声增大，并影响推进效率。
我们从理想推进器理论得出的推力做进一步分析：根据理想推进器理论推理应用动量定理得出的推进器推力为：T i = mua =ρA0 (V A +ua1)ua 式中T i 为推力，m为单位时间内流过推进器盘面面积为A0的流体质量,ρ为流体密度，V A为流速,单位时间内水流获得的动量增值为:ρA0(V A +ua1) u a 。(参阅《船舶推进》15页，王国强、盛振邦编著)。我们认为T i = mua =ρA0 (V A +ua1)ua它比实际推进器（螺旋桨）相比产生的推力大得多。首先它忽略了水流经盘面A0 时桨毂(包括毂帽部分)所占的面积，因为单位时间内流过盘面的流体质量由于桨毂部分的阻挡要减少，设桨毂的面积为d0，即应为：m =ρ(A0－d0)( V A+ua1),其次经过推进器的水流要克服其中心部分即桨毂面积d0的阻力，所以其实际产生的推力应为T i= ［ρ(A0－d0)( V A+ua1) u a］－d z ，式中A0－d0为盘面积减去桨毂面积，设d z为桨毂的阻力（这里也暂不考虑滑脱比）。经过以上分析桨毂的阻力确实影响了螺旋桨本身的推进效率。
那么到底什么是“空毂降阻”呢？我先讲一下机械加工方面的例子：我们在工厂里工作中发现，当用一根直径很大的钻头在一块金属表面上直接钻孔时感觉很费力，甚至钻不动或因此产生晃动，偏离中心打滑。我们想出了一个方法，用直径大于或等于大钻头横刃部分尺寸的小钻头先钻孔，然后再用大钻头钻，这样很省力而且效率很高，为什么呢？大家知道，钻头中心横刃部分是起稳定作用的，在钻孔过程中它只起很小的切削作用，而主要起切削的是两个切削刃。钻孔时由于横刃和两个切削刃之间在圆周上切削速度的不同，横刃跟两个切削刃相比效率很低，这样钻孔时横刃就给钻头向金属内部前进构成了阻力，我们用大于或等于大钻头横刃部分尺寸的小钻头先钻，消除了横刃产生的阻力，这就是上述方法钻孔省力的原因。那么上述钻孔省力的方法跟我们船用螺旋桨又有什么关系呢？我们知道物质有三态变化，即气态、液态和固态。飞机上的螺旋桨桨叶细长，是工作在密度稀薄的气态环境中的，船用螺旋桨桨叶短而宽，是为适应液态（海水、江水）的环境而设计的，而钻头相当于在固体（金属、塑料等）里工作的“螺旋桨”。不言而喻，船用螺旋桨的桨叶相当于钻头的切削刃，桨毂及其毂帽部分相当于钻头的横刃，它们只是工作的环境介质不同而已。我们将上述钻孔省力的方法运用到船用螺旋桨上可以吗？（经模型试验）答案是肯定的、可行的。在实际中怎样才能做到呢？（以船外机用螺旋桨为例），我们把螺旋桨桨毂与其相连的桨轴按一定比例在强度允许范围内，去掉毂帽做成两端均不封闭的空心结构，使之成为空心桨毂，螺旋桨旋转时水流可以从与螺旋桨前进相反的方向流进桨毂，并从后端流出,使毂内、外水压接近，阻止毂涡的形成，减小空泡、降低噪声、减小了桨毂部分的阻力,从而提高了螺旋桨的推进效率，这种原理即为“空毂降阻”理论。
那么什么是“含水推进”理论呢？目前船舶螺旋桨尤其是应用的大侧斜螺旋桨，其推进效率很高，但有几个缺点就是直径大、重量大、螺旋桨逆转（倒车）时比正转推进效率低。由于大侧斜螺旋桨多数都采用了5-7叶的叶片数，为防止产生偏心，考虑离心力、激振力等诸多问题，因此要求加工尺寸的精度较高，角度限制非常严格，由于叶数的增多根据理论在叶根处，叶片间会发生互相干扰，转数一提高效率反而下降，为了提高推进效率，所以不能也不可能采用高的转速。一些桨叶叶数较多的螺旋桨为防止叶根处发生相互干扰和强度等方面的需要不得不采取较大的桨毂。叶片数的增加、桨毂的增大显然增加了螺旋桨自身的重量，对主机及传动支承的轴承不利。
螺旋桨直径增大，根据理论可以获得较高的效率。大直径的螺旋桨对于货船、客船等一些深水区的船舶是有利的，而对于浅水区的船舶并不适合，因为直径大的螺旋桨一但触及水中坚硬的障碍物会损坏。对于军用舰艇来说，直径过大会使推进系统更易遭到鱼雷等武器的攻击，使舰艇丧失机动能力和战斗力。那到底什么是“含水推进”理论呢？我们看一看目前船用螺旋桨和飞机用的螺旋桨相比只是外径尺寸与桨叶面积、叶切面厚度等不同而已，桨叶形状都是叶片式的，飞机螺旋桨的桨叶细长是适合以空气为推力介质流体的，水比空气的密度大，那么船用螺旋桨的桨叶则完全适合以水为推力介质的流体吗？
我们分析一下，看一看船用螺旋桨的叶切面我们应该发现，桨叶跟水是以叶面、叶背之间的面接触。当螺旋桨旋转时根据理论在实际中产生“滑脱”，所谓“滑脱”简言之就是螺旋桨按一定的螺距和转数在水中实际前进的距离要比理论上所前进的距离要短。“滑脱”现象会降低螺旋桨的推进效率。我们研究认为螺旋桨没有很好的利用其桨叶后面的立体空间，就是说它没有利用这一立体空间里用以产生推力介质流体的能量场，这个能量场被白白地浪费掉了。
现在的某些鱼雷武器和一些特种船舶的推进装置应用的是对转螺旋桨，当前一螺旋桨旋转产生推力并产生周向诱导速度形成尾流及其“滑脱”现象的产生使其推力被损耗一部分，而紧跟其后面的螺旋桨则以与前一螺旋桨相反的旋转方向旋转，使损耗的推力得到补偿，从而获得比一般螺旋桨更大的推力，所以这种推进装置效率很高，这种推进装置实质上就是后一螺旋桨利用了前一螺旋桨桨叶后面的立体空间，这是个很好的实用例子。（当然在鱼雷上应用对转螺旋桨主要考虑的是航向偏离问题，这只是其中的一个原因）。但有一个问题就是它的轴系构造极为复杂，且要求很好的润滑和密封装置，而且还得需两具螺旋桨不仅增加重量还给制造和维修带来麻烦。那么我们用什么更好的方法来充分利用螺旋桨后面的立体空间达到提高推进效率的目的呢？
在我国古时候，应用了一种叫做“筒车”的灌溉农田的机具。其水轮用木或竹制做，直立于河边，底部浸入水中，受水流冲击而转动。轮周系有竹制或木制的盛水筒，筒在水中盛水后，随轮转至上方，水自动倾入特备的槽内，流入农田。历史悠久，唐刘禹锡《机汲记》中已有记载（参阅词海）。筒车之所以能够转动，是因为其轮周的盛水筒等与水面有一定的角度，受水流的冲击而产生驱动力使水轮旋转。我们一直在想能不能把这种方法应用到螺旋桨上用以利用桨叶后面的立体空间呢？经十余年的研究和模型试验结果表明方法是可行的。在实际中我们按照原来桨叶的螺距把桨叶做成一段两端都不封闭的圆筒形，使之成为筒状桨叶（圆筒形状），当螺旋桨旋转时，水流从筒状桨叶的前端流进，从后端流出，水的流入量与流出量相等，内外水压接近，涡空泡明显减少，噪声也降低，同时也减小了“滑脱”，使推进效率得到提高。（我们把螺旋桨桨叶改成筒状桨叶就是为了充分利用原桨叶后面在圆周方向上的整个立体空间）这种原理即为“含水推进”理论。
应用“空毂降阻”、“含水推进”理论两个原理的螺旋桨，不仅推进效率高、噪声低、转数低，同时还具有如下几个特点：1、重量轻、强度高。由于其桨叶采用筒状结构，叶片可以做得很薄，另外，它跟大侧斜螺旋桨相比桨叶数量少，在一些小船上甚至上只采用两个桨叶即可发挥比原有螺旋桨同等或更大的推力，因此重量得以减轻，同时筒状桨叶采用特殊结构在圆周的方向上受力均匀、耐压力增强，因此具有很好的强度。2、桨叶可互换、寿命长。由于其采用特殊的结构和安装方法，当螺旋桨上任意桨叶受到损坏时，可实现用备用桨叶更换，不像普通螺旋桨那样，一个桨叶损坏整个螺旋桨就会报废，因此它具有更长的使用寿命。3、可实现调距、直径小。用“空毂降阻”、“含水推进”原理制造的螺旋桨，也可以像普通螺旋桨那样通过变距机构实现调整螺距，以适应各种场合更好地吸收主机功率，实现各种推力的目的。由于其直径小，更适合于浅水区作业的船舶。
“空毂降阻”、“含水推进”理论在船舶推进领域具有广阔的应用前景。我国江河、湖泊、岛屿众多，又有很长的海岸线，中小型船舶居多，而大多数的小艇如：巡逻快艇、海关缉私艇、交通运输艇、大吨位船舶上使用的救生艇等，都是以船外机为动力源。“空毂降阻”、“含水推进”理论的两个原理，可以很好地结合起来，在船外机上得到普及应用。也可以根据各种船型的不同，应用其中的一个原理实现提高推进效率，因此具有很强的应用灵活性。它还可以应用到拖轮、大型船舶侧推器和回转推进器上，以适应螺旋桨各种不同载荷的要求，它不像大侧斜螺旋桨那样有很大的侧斜角，同时正转和反转所发出的推力相当，在回转推进器上应用能使船舶更加机动灵活。在潜艇、扫雷舰和鱼雷上应用将使噪声降低，增加隐蔽性。综上所述“空毂降阻”、“含水推进”理论向大侧斜螺旋桨发起了挑战，具有重要的民用和军用价值，它必将在船舶推进领域引起一场新的变革。