03.03 幾萬噸甚至幾十萬噸油輪(貨船)怎麼只有一個螺旋槳而且還這麼小,這是為什麼?

盜墓空間161286466


首先,大型商船的螺旋槳並不小,只是和碩大的船身相比顯得很小,推動它的是幾萬匹乃至十幾萬匹馬力以上的發動機,傳遞扭矩的軸,也是非常粗大。


大型商用船舶的柴油機有幾層樓高,幾萬匹馬力

其次,水的密度很大,約為海平面空氣密度的775倍,且不可壓縮,也就是說,按體積計算的同樣流量,水的推力是空氣的775倍以上。

反過來,水對螺旋槳施加的力也是極其巨大,螺旋槳槳葉是懸臂結構,我們知道, 懸臂結構的懸臂根部彎矩和懸臂長度的平方成正比,因此,隨著螺旋槳直徑的增大,螺旋槳槳葉根部應力會非常大,故船用螺旋槳不宜太大。

船用柴油機的曲軸

再其次,遠洋商船運輸節點之間距離非常長,對加減速的要求很低。

和飛行器需要有足夠的速度提供升力和足夠的動力爬高不同,船舶是自浮在水面上的,不需要通過動力獲得垂直方向的力。

也和地面交通工具不同,地面交通工具發車頻次高,需要頻繁加減速,地面交通工具速度也高,所以對加減速性能要求高。

因此,船舶並不需要太大的動力儲備,不大的螺旋槳(相對船身)即可滿足動力要求。


商船的經濟航速不高,所以單位噸位動力比地面和空中交通工具小很多

最後,船舶在水上行駛,低速時水的阻力大約和速度成正比關係。但隨著速度增大,阻力會更快地增加,會變成和速度的平方、三次方、甚至更高次方成正比,因此,商船考慮經濟性,行駛速度不高,一般不高於17海里每小時,甚至12海里每小時,維持這個巡航速度,也不需要太大的螺旋槳產生推力。


魚眼貓眼鷹眼


認為油輪或貨輪的螺旋槳“很小”,其實是個典型的認識偏差。現代海輪的直徑往往以米計算,最大的甚至能達到10米以上,雖然說不上是龐然大物體積也絕對不小。之所以海輪的螺旋槳會被認為“很小”,主要原因在於當代海輪的排水量動輒十幾萬乃至幾十萬噸,船體寬度達到十幾米,相比之下螺旋槳自然顯得“小”了。而之所以海輪一般採用單個大型螺旋槳、而不是如同戰艦一樣採用兩個或以上的小型螺旋槳,原因在於兩者的設計要求不同。

水面戰艦在設計上強調航速和機動性,因此需要高轉速(水的密度很大,採用單具大槳時若轉速太快很容易導致螺旋槳變形甚至斷裂)、多軸推進佈局(多軸可以通過兩個或多個螺旋槳轉速的差動實現快速轉向),而採用多軸多槳佈局帶來的代價是機械損耗大、在經濟上不划算,很顯然並不符合海洋運輸的要求。相比之下,海運由於貨物運載量大(以千噸乃至萬噸計)、運輸里程長(單詞運輸航程可達上千公里),因此對於航速要求不高,但很注重燃料消耗問題,這從海輪多采用油耗較低、但功率和加速性一般的柴油機上就可以看得出來。
由於不強調航速,因此海輪的主機轉速也比較低,在帶動大型螺旋槳時不太容易因在水中的阻力而導致對螺旋槳的傷害,因此採用單具大槳更能兼顧經濟性。


軍機圖


很高興能回答這個問題。本人在遠洋船舶的職務是二管輪,主管發電機鍋爐等機械的維護保養工作,至於說為什麼幾萬噸甚至是十幾二十幾萬噸的貨輪只有一個螺旋槳,甚至還那麼小,首先說吧,一艘萬噸級貨輪一般只配備一臺主機,主機功率從幾千千瓦到幾萬千瓦不等,這種主機可靠性強,可以連續運轉兩三個月不停歇,但是這種主機造價也是很高的,尤其是後期維護保養費用也很高昂。所以通常來說貨輪都配備一臺主機,只不過散貨類船舶主機功率與集裝箱等特殊船舶相比較小一些,一般來說18萬噸的散貨船主機功率在8000--10000千瓦左右,平均一天耗油量在45噸左右。因為散貨船舶一般不趕時間,航速在12節左右。集裝箱船對時間要求比較嚴格航速較高在24節左右,其主機功率一般都比較大,2500個20尺標箱的集裝箱船功率一般在22000---25000千瓦左右,耗油量在85噸左右每天。這些主機一般不加煙囪的高度都在十二米以上,重達幾百噸,造價很高,所以一般船舶只配備一臺主機。

還有就是螺旋槳小的問題,其實螺旋槳很大的,只是我們在外面看起來很小,舉例說吧,十幾萬噸的貨船螺旋槳可以達到直徑八米左右,幾十噸重。再者說,船舶航行時間一般都是比較長的,不要求加速多快,更不要求有推背感了,主要考慮的是主機功率,船舶自身的阻力,配合製造出的螺旋槳葉,最終達到最好的搭配,以達到最經濟省油的效果。

當然也有一些民用船舶設計的是雙機雙槳形式的,這種設計主要是集裝箱上比較多見,散貨船還沒見過雙機型的。


REDQUIET


還記得中學地理講航運的特點麼?大宗低速。為啥大宗,因為鐵路限制寬度和長度,航空限制重量。航運船體大,重量、尺寸限制較低。但是導致的結果就是船舶的航速一直不是很快,正常船隻(地效翼船本質上應該歸類於飛機)極限六十節左右即110千米每小時。而大部分使用船運的貨物對於成本要求較緊,而時間相對一般。那麼慢悠悠的開過去如果更為節能,或者說提高航速成本過高,自然會考慮以節約成本為先。而單軸雖然被各國海軍認為不安全,但是動力系統簡單啊。想想主要起到“為航母抗魚雷”作用的佩裡級低成本艦,不就用的單軸麼?而且同等功率下軸數越多,除了建造成本高,也佔用體積、重量更大,軍艦可以為追求高航速而容忍,但是貨輪就需要考慮這些空間節約下來可以增加運力。

另外,多軸還會造成動力系統的損耗,一方面是未必一機一軸的情況下幾個輪機之間相互使用減速齒輪組會有一定損耗(當然多機單軸也有這個問題,不過現代單軸船多為單機單軸)另外各螺旋槳之間也會相互干擾,其形成的氣泡會降低臨近螺旋槳的運轉效率。因此同等動能輸出情況下,多機多軸實際軸馬力

看下圖關於船隻排水量與航速對於船舶功率的影響:

船舶動力系統與航速、載重關係,可以看出與重量的三分之二次方成正比,與速度的三次方成正比,所以現在的船越造越大,但是航速提升不多,也是這個原因。

大型船舶體積龐大,貨輪吃水普遍也很深,而現代貨輪普遍自重較小(當年ULCC 比VLCC大,但是自重太大,世界最大的賈樂維京滿載82萬噸自重就26萬噸,性價比在今日看來比較差)結果空載狀態下螺旋槳會露出水面,但是即便如此漏出的部分也並不很大,實際視覺效果上就好像螺旋槳很小。然而其實都還是直徑好幾米到十餘米的大型螺旋槳。

(空載狀態下的某貨輪)

不過單軸現在也面臨問題就是儘管航速較低的時候問題不嚴重,可是單軸馬力超過5萬軸馬力則動力耗散比較嚴重,氣泡增多,導致推動效率驟減,因此改進螺旋槳曲面形狀十分重要。現代馬士基已經使用單軸超過11萬馬力的貨輪,不過前提是航速依舊不能太快,不然空泡損耗依然嚴重。

(三十年代著名大型豪華郵輪瑪麗王后號的主軸,此船尺寸與當今大型貨輪相當,但是航速要快一倍左右。)

另外大軸還是很貴而且損耗功率大,而且進出港不便,現代遊輪為了便利開始使用電力推進(大部分還不是全電系統)艏側推加上可旋轉茄式螺旋槳,可以自行出入港。

遊輪的可旋轉吊艙式螺旋槳。現代遊輪並不追求航速,普遍最高航速也就22-24節,比大型貨輪略快,尺寸相近,但是吃水普遍較淺。大型貨輪動輒滿載20餘米的吃水深度而大型遊輪長寬相近,吃水只有8-10米。

另外多說一句,所謂球鼻首一般認為只對30節以下航速船舶效果明顯,現代軍艦航速基本在30節左右,其更重要的作用是為聲吶留出空間。而貨輪和遊輪的球鼻艏才是真的為了減小興波阻力。


現代艦船雜誌社


空蝕,聽到這兩個字是不是大家覺得有點兒迷糊,說這玩意兒究竟是什麼?這是一種力的作用,而且這種力的作用有一些恐怖,具體就是指水在空氣之中突然的產生或者是消失都會造成周圍物體的一種磨蝕,這種力是恐怖的。

圖畫上面這幾個巨大的破壞之處就是由這種力所造成的,簡單來講,這個東西一旦物體在水中移動,速度過快的話,這種力的產生也就越大,作用的效果也就越明顯。對於物體的腐蝕性或者是破壞性也就越強。

大家想想,一個巨大的葉狀的螺旋槳,它的直徑越大,那麼他的翼尖到他的傳軸的中心位置距離也就越大,這樣的話,角速度也就越大,速度也就越快,這樣的話,空蝕的效果也就越明顯。

除此以外,螺旋槳的製造技術是要求很高的,必須要整體的塊狀的鑄造!這種鑄造對於整個一個工業的成本以及工業技術的要求是特別高的,直徑每增加一點兒,那麼成本就會成幾何倍的往上面遞增,這樣的話,最後會造成螺旋槳製造的成本太高,船即便是設計出來了也沒有錢去買動力系統。

當然,事實上這些船隻所使用的銅質螺旋槳也並沒有我們想象中的那麼小,只不過相比較於傳芝來講,這個東西看上去有一點點偏小,但是,這些看上去比較小的螺旋槳直徑可以達到幾米,所以說,用來推動整個船隻的航行也是綽綽有餘的。

漩渦鳴人yy


漩渦鳴人yy


油輪最早是用來運輸石油的船舶,後來泛指運輸各種原油的船舶,其體積龐大,遠遠超出了世界上任何一個國家的任何一種軍艦,是人類製造的最大的船舶,其排水量一般為幾萬噸,甚至一些超級油輪,其排水量已經達到了幾十萬噸的級別,然而個頭小的螺旋槳為何能夠推動幾十萬噸的油輪呢?原來我們都被欺騙了,其實不是因為螺旋槳小,而是船太大連,襯托不出螺旋槳的尺寸而已。

其實油輪的螺旋槳和它那龐大的體型比起來,的確讓人在視覺上覺得非常地小,可是那是在對比油輪龐大的體型才會令人覺得很小,而這個“小小的螺旋槳”走近一看卻是幾層樓那麼高的龐然大物,不禁令人感嘆,在遠處能夠想象的出這是一個十幾米的大螺旋槳嗎?

雖然螺旋槳相比起油船的體型極小,但是這樣一個螺旋槳的動力是十幾萬匹馬力的動力來驅動的,所以就不必擔心動力不足。

看著這樣的螺旋槳對比起油輪十分渺小,同樣,這樣的螺旋槳甚至相比起一般艦船,體型上也比不過,這是為什麼呢?原因就是螺旋槳體積過於龐大,在推進油輪的過程中容易在水下變形,所以這個尺寸對於油船的大螺旋槳是非常合適的。那麼為什麼油船隻有一個這樣的螺旋槳呢?

首先我們會知道軍艦小小的體積卻擁有很多螺旋槳,作用是作戰時高速靈活的機動,而需要多個螺旋槳,油輪卻不是用來戰鬥的,而是用來運輸的,沒有必要給油輪提起速度,畢竟那麼大大船開一趟就得話不少錢,所以油輪講究的不是快和機動,而是講究經濟性。

一個螺旋槳,其動力已經足夠油輪在海上航行了,畢竟水的密度那麼大,水對螺旋槳施加的力也更大,大了的螺旋槳反而不好,多裝幾個呢?多裝幾個螺旋槳會大大增加油輪的造價,因為一個螺旋槳的油輪就足夠貴了,多個螺旋槳航行也不符合油輪廉價運輸的特點。


霹靂火防務


相對於汽車輪子與車體本身的比例,大型軍艦,輪船的螺旋槳與軍艦/輪船的比例要小得多!這可能就是提問者所要說的問題。
“擎天柱”的原型卡車,這輪胎相對於車體,尺寸可不小!
正在準備下水的貨輪,相對來說螺旋槳很“小巧”!



其實,問題中所說的現象是一個誤解,汽車主要靠輪胎與地面的摩擦提供驅動力,而同一時刻每個輪胎只有極小一部分與地面相接,作用面其實很小;螺旋槳的每一個漿面都時刻與水保持全面接觸,其作用面就是全面槳葉的面積!因此,從作用面與船體的比例來說,螺旋槳並不小!

“尼米茲號”核動力航母正在更換螺旋槳!你說這個螺旋槳小嗎?!😂

對於軍用艦艇,其航速一般要遠高於民用船舶,以目前最大的軍艦美國“福特級”核動力航母為例,其艦長約332米、甲板寬度約78米、水線以上高度大概50米(約20層樓)、滿載排水量達到了112000噸!如此龐大的船體,在2座A1B反應堆、4具螺旋槳的推動下可以達到32節(約60公里/小時)以上的最大航速,但是其螺旋槳直徑只有6.4米!相對於“福特號”龐大的身軀,其安裝到4具30多噸重的5葉螺旋槳實在是“小巧玲瓏”。與民用船舶相比,由於高航速要求,軍艦的螺旋槳轉速較高,對螺旋槳結構設計、加工工藝和安裝精度等要求極高,一旦出現質量瑕疵,在高轉速下很快就會在水力作用下損壞、甚至發生斷裂!“福特號”6.4米直徑的螺旋槳已是目前軍用螺旋槳對最高技術水平(核潛艇的螺旋槳技術水平更高,但尺寸要小)!


據稱是“福特號”航母上的螺旋槳!
正在建造中的“福特號”航母,直徑6.4米的螺旋槳相對於巨大的艦體,實在“不起眼”!

對於民用船舶,目前大型郵輪、集裝箱貨船的噸位達到了20萬噸以上,歷史上最大的油輪“海上巨人號”的滿載排水量達到了80萬噸以上(已拆解)!民用船舶的最大噸位遠超軍用船舶,其螺旋槳的尺寸也明顯比軍艦的螺旋槳大。去年由中船重工集團為40萬噸礦砂船研發的一型4葉螺旋槳直徑超過11米、總重超過70噸!相對於軍艦,民用船舶航速較低,最大航速一般不超過20節,而且主動力系統一般採用大功率速度柴油機,因此,螺旋槳轉速較慢,對於結構設計、加工工藝等的要求相對要低一些,因此,其結構尺寸可以做到較大!
40萬噸礦砂船的4葉螺旋槳,直徑11.2米、總重72噸!


“泰坦尼克號”豪華郵輪的3個螺旋槳,中間最大的一個直徑約6米!

大型軍艦、民用船舶螺旋槳的設計、製造是現代造船業中的核心技術之一,技術水平高的螺旋槳不僅“經久耐用”,而且可以降低能耗、提高船舶航行性能,對於海軍建設和高附加值船舶製造業來說是必不可少的核心技術!隨著科技的不斷進步,螺旋槳的形式也是“花樣百出”,如對轉式螺旋槳吊艙、無軸泵推、“豎直旋轉”螺旋槳等,也許不久的將來就能夠看到採用無軸泵推的大型軍艦面世!



“豎直旋轉”的螺旋槳,見識一下!
“無軸泵推”船用推進器結構!

(圖片源自網絡,侵刪!未經允許,嚴禁轉載、洗稿!)


威吶解析


平常在大海里航行的油輪看起來很巨大,但是推動油輪前行的卻只有一個螺旋槳。而且還是很小的螺旋槳,這是為什麼呢?

其實貨船的螺旋槳並不小,因為貨船一般體積都很大所以和那麼大的體積相比。一個螺旋槳也相對顯的就小了。螺旋槳是一種推動貨船航行的動力設備。大型船舶的螺旋槳直徑一般就在1-10米左右,而且大型船舶的螺旋槳數量也不是一個,通常都在兩個以上。

其次水對螺旋槳施加的力是極其大的,隨著螺旋槳直徑的增大螺旋槳槳葉的根部應力也會變大。所以貨船的螺旋槳也不宜太大,除此之外貨船是自己浮在水面上的,不需要通過動力獲得垂直方向的力。因此貨船並不需要太大的動力儲備,相對船身而言不大的螺旋槳便可以滿足動力需求。

而且貨船航行速度一般都不高,一般都在15海里一小時,貨船為了考慮經濟實用維持這個巡航速度,自然而然也不需要太大的螺旋槳產生動力了。


愛問愛答


幾萬噸幾十萬噸的輪船屬於自身重量,和動力的概念不同,和所需動力的概念也不同,輪船的特點是浮力抵消自身重力,無論多大的自重的船都抵消,所有小船大船之間從縱向角度沒多大區別。

而所需推動力,就受到不同運載方式的明顯差異的影響,陸地上,由於重力是被車輪支撐,最終是剛性的,是剛性變形和抵抗剛性變形,以及克服剛性變形前進的事情。

在自身重力上升的時候,剛性變形急劇增加,因為沒有材料能無限度抵抗壓力,必然有壓潰極限,這個過程中,又伴隨剛性變形的強度不斷地線性,非線性加大,從而導致克服剛性變形的前進動力迅速加大,並且有很明顯的極限。

你高速路面能承受10萬噸的壓力嗎?你鋼軌能承受20萬噸壓力嗎?這是一面,接觸路面的充氣或者不充氣的車輪也一樣變形,這裡先簡單的將車軸變形,軸承變形等走行系剛性變形算到車輪變形裡面去,而前進是必須克服這路面和車輪雙方的剛性變形,才能推動起來。所以陸上運輸推進成本很高。

而輪船由於浮力抵消重力,而不是剛性變形抵消,並且前進是潤滑良好的水中滑行,徹底改變了需要克服剛性變形的巨大能耗和壓潰強度限制,只需要提供微小的客服液體,空氣阻力的動能即可。

打個比方是,陸上運輸屬於不斷開山,每走一步開2座山,並且隨著重力增加,形成幾何量級增加的開山高度,它剛性變形急劇增大,挖個小坑和挖珠穆朗瑪峰要的勁能一樣嗎?安倍爬出沙坑能跟爬過珠峰勁一樣嗎?雖然可能都吃奶的勁。

水中運輸是刀切豆腐,所需能量的數量級相差是極其巨大的,屬於吃豆腐,不是吃奶。😋

那麼再想大船小船,無論大船小船都在液體中滑動,其摩擦力本身都不大,大刀切豆腐,小刀切豆腐有什麼差別?大刀遇到的阻力大一個量級?顯然不是的

所以只要適度增加動力,以增強大船啟動,克服慣性的能力,以及克服水中滑動阻力即可,不需要增加多大的動力。


楓林沙洲


與活塞式或渦槳飛機的螺旋槳相比,船舶的推進螺旋槳都是曲面形狀,線條複雜,要求的工藝指標為精度高於0.1毫米,難以用車床銑床加工,零件內部強度要求也高,不能有氣泡。目前工業上製造螺旋槳的方法一般以高精度的鑄造為主,一次澆鑄成型,然後用機械打磨拋光表面。此外,船舶用的推進螺旋槳葉片要比飛機的螺旋槳寬度大得多,轉速也小得多。

船舶的螺旋槳材料基本都是銅合金,用的最多的是鎳鋁青銅。雖然不鏽鋼鑄件的耐腐蝕疲勞強度和抗空泡剝蝕性能是銅合金的幾倍甚至十幾倍,能夠顯著提高螺旋槳的壽命,特別是汙染的海水中,不鏽鋼更具優勢。但是不鏽鋼件整體鑄造技術難度太大,鑄造成本是銅合金的數倍甚至十多倍。如果再將精密焊接、硬表面拋光等費用加上,不鏽鋼螺旋槳的成本就更是貴的令人咋舌得。相比之下,銅的熔點低、鑄造簡單、流動性好、鑄件氣泡少、表面光潔度高、成本較低,所以壟斷了螺旋槳材料。


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