可变螺距螺旋桨

可变螺距螺旋桨

一、概述

船舶推进螺旋桨的早期是桨壳与桨叶铸成同一整体，螺旋桨的螺距角是固定不变的。1908年SEFELE 公司研究并制造了首台可变螺距螺旋桨，它的桨叶与桨壳分开制造，桨叶用螺钉安装到桨壳上并能在桨壳上旋转。这就是今天我们使用的可变螺距螺旋桨，简称变距桨，又称调距桨。

可变螺距螺旋桨的优良性能早在20世纪初就被人们所认识，但由于当时的生产和科学技术水平的限制，并没有得到推广应用，直到上个世纪70年代中期才得到迅速发展。现在，从特种船舶、军用舰艇到一般的远洋货轮，从中、小功率到几万千瓦大功率的变距桨都已见使用，今后变距桨必须还会获得更大的发展。

(下图) 为变距桨装置在船舶中的配置情况示意图。

与普通定距桨相比，变距桨的主要优点可归纳如下：

1. 可简化主机乃至整个动力装置的结构。采用变距桨的柴油主机可以省去一套倒车机构，或者使汽轮机主机省去倒车级，且可提高倒车的功率。此外，由于变距桨为主机的恒速运转提供了条件，所以可用主机来直接驱动发电机，因而可以省掉发电柴油机。

2. 提高了主机和尾轴管轴承的使用寿命。据测算，通常柴油机每起动一次

的汽缸磨损量相当于额定功率下工作8小时的磨损量。而采用变距桨的主机，其起动次数只有原来的几十分之一。

就尾轴管轴来说，变距桨经定距桨重量大，且力臂长，因此，承受负荷较大。但是实践表明，变距桨的尾轴管轴承却更为经久耐用。这是因为轴承中加剧磨损的主要原因在于油膜的状态，是否出现干摩擦或半干摩擦。在定距桨的船舶上，由于经常地起动、换向、停车，因而经常地对油膜起破坏作用。

3. 改善了船舶的操纵性能。有利于实现驾驶自动化。由于液压传动技术的运用，使变距桨易于实现遥控，如需改变航速，只需要通过遥控装置来改变螺距角，便可实现从零到最大航速之间的无级调速，并在主机不停车亦无需换向的情况下，可以很容易地实现倒航。这一性能，为提高船舶的自动化程度和实现无人机舱提供了极为有利的条件。

4. 提高了船舶的机动性。如第一章柴油机特性中所述，采用定距桨的柴油主机，其最低航速因受柴油机最低稳定转速的限制（一般为6-7节①）如果要使船舶以超低速航行，就必须使主机断续地起动、停止，而一旦螺旋桨停转，就会失去舵效，影响船舶操纵。在大型船舶通过复杂航道，或进出港时，通常是需要超低速航行的，且又要有良好的舵效和机动性。采用变距桨，则可以在主机不停车的情况下实现任意的超低速航行，而且在必要时还可以使桨交替地以正车或倒车工作来保证舵效。此外，采用变距桨也改善了船舶的停船性能。据估算，一艘65000吨，功率为18000马力的油轮，由17.6节到全停车，采用定距桨需要12分钟，而采用变距桨仅需要6分50秒，停船距离也大大缩短。

5. 提高了船舶的营运经济性。虽然，船模试验池中的事实表明，变距桨的推进效率比定距桨的要低1%-3%左右，其原因是变距桨的毂径和桨叶根部尺度都比较大，这些因素影响到螺旋桨的效率。但上述试验结果都是在设计工况下取得的，在研究船舶营运的经济效益时，航运部门更感兴趣的是总的经济价值。有关资料说明，在风平浪静时，装变距桨的船比装定距桨的船要快0.1节左右，在恶劣的海面情况下，甚至要快1-2节。此外，变距桨能使主机维持在最佳工况下运行，有利于充分发挥主机的功率和降低单位功率的耗油量。

最后尚需指出，由于高速柴油机和某些中速柴油机通常都是不能换向的，因此变距桨的发展为上述机型在船舶上的应用创造了条件。

变距桨还可用作船舶的首侧推装置，以提高船舶的机动性和操纵性。 但是，从结构上来说，变距桨较定距桨复杂，并涉及到液压技术、自动控制、密封和材料等技术问题，这些还有待于进一步的研究解决。

可变螺距螺旋桨有三叶桨和四叶桨。一般桨的直径在2.3米以下为三叶桨，直径在2.3米以上为四叶桨；在结构上SE 型调距桨的叶片与叶根曲柄盘制

成一体，KS 型调距桨的桨叶用螺钉与曲柄盘联接。在变距机构动力油缸的设置上，有的设置在桨壳内，有的设置在轴系中。本文主要介绍的是引进KAMEWA 技术，由国内生产制造的KS 型四叶调距桨，其主要结构特点是油缸设置在齿轮箱输出端，叶片与曲柄盘分开制造。

二、变距桨系统的组成及工作原理

可变螺距螺旋桨（如图2所示）是由桨叶1、桨毂2、尾轴3、配油环4、变距油缸5、螺距反馈杆6、推拉杆7、中间轴8、变距活塞9、变距滑座

，

，

。

（下图）为变距桨桨毂内部结构的立体图。

可变螺距螺旋桨要想实现变距功能必须要有相应的系统和机构的协调动作才能完成，这些系统和机构主要有：控制系统、液压系统、配油机构、变距机构和执行机构五大部分组成，现综述如下。

如图2所示，由三位四通过比例阀V3作为该系统的主自动控制阀，由二位三通手动阀V4、二位四通液动阀V1和三位四通电磁阀V2组成应急遥控系统。由棱阀C4获得主油泵伺服控制油路，溢流阀Y1起安全阀作用，其调定压力大于实际工作压力的10%左右。溢流阀Y2为实际最高工作压力的调整压力。继电器G1为主泵的启动控制，压力继电器G2为低压报警控制。

由伺服变量泵B1或B2输出的压力油经单向阀C1或C2，通过粗滤器进入

比例方向阀V3。假定DT1断电，DT2通电，则比例方向阀的右位工作，压力油经过液动阀V1进入B 腔，A 腔的油液经液动阀V1、比例方向阀V3直接回油箱组成回路。变距油缸5克服外负载向左移动视为顺车（即正螺距），船舶向前行驶。当DT1通电，DT2断电时，比例方向阀的左位工作，压力油经过液动阀V1进入A 腔，B 腔的油液经液动阀V1、比例方向阀V3直接回油箱组成回路，变距油缸5克服外负载向右移动视为倒车（即负螺距），船舶向后行驶。当变距油缸的活塞至螺距位置时，船舶处在停航状态。手动泵B3为应急泵，只是在主泵发生故障的情况下才使用。

整个控制系统是通过反馈杆6、螺距显示出装置等电气与比例方向阀V3一起组成闭环自动控制，当发出某一指令时经过两条通道：

一

，

以上可以看出，控制系统是整个变距工作的司令部，它根据需要发出变距指令，该指令以电信号发出，液压系统接受该指令信号后，系统中的三位四通电磁阀动作，实现油路的切换，以驱动变距机构动作。压力油进行配油机构的正车油路或倒车油路并通过内油管进入变距机构的伺服油缸，油缸内活塞在压力油的作用下向艏或向艉运动，由于空心轴内的推拉杆与活塞及桨壳内的滑板均为刚性连接，活塞的运动使得推拉杆做相应运动，推拉杆端的滑板的前后运动使得其凹槽内的滑块做横向运动，装配在滑板凹槽中的曲柄销在桨壳轴承的限制下只能绕曲柄盘中心做圆周运动，从而使得螺钉与曲柄盘联成一体的桨叶旋转，实现了改变螺角的指令。由于螺旋桨在水下，桨叶的旋转无法观察，于是在配油机构内还设有螺距显示及螺距反馈装置。螺距显示装置可以直读螺距角的大小，便于轮机人员观察和管理。螺距反馈装置是将螺距角变化的大小通过推拉杆位移数值转化为电信号馈送到控制系统的控制回路，在桨叶转角满足指令要求后，变距信号消失，电磁阀线圈断电，滑阀回至中位，停止向伺服油缸供油，桨叶稳定在需要的螺距角位置。

变距机构转动桨叶，改变其螺距，可以使船舶在各种工况下获得主机——螺旋桨——船体的最佳配合，可以使船舶获得从零航速到最大航速的任一航速，也可以使推进主机在各种不同工况下均能发出全部效率。通过改变螺距，在主机转向不变的情况下，可以实现船舶的有效制动和良好的机动航行性能。

螺距控制机构下图) 为液压式螺距控制机构原理图。

当驾驶台通过遥控装置发出变距指令信号时，例如，将图中A 点向右拉动，由于开始时伺服油缸两腔油压处于平衡状态的原因，B 点不动，于是C 点右移，使伺服滑阀5右侧D 口油路打开，压力油供入伺服油缸9的右腔；与此同时，伺服滑阀5左侧E 口油路也打开，油缸9左腔的油液经E 口油路排油至油箱。于是推动活塞10向左移动，继而通过活塞杆1（推拉杆）驱动桨叶的转动，实现变螺距。在活塞左移的同时，经信号杆2输出反馈信号并经滑套8拉动杆3上的B 点左移。同理，在A 点不动的情况下，C 点左移，致使伺服滑阀6回中位，关闭D 、E 油口，油路均不通，锁定桨叶的螺距角，为了改善伺服油缸的锁定功能，在油路中可设置液控单向阀的装置。

三、结构特点及安装要求

（一）桨壳

桨壳的结构特点可参见(变距桨桨毂内部结构的立体图) 和下图。

由图中可以看出，桨壳是一个整体式铸件，叶根轴承座与桨壳是一个整体，叶根轴承座具有较大的承压面积，它可保持在适当的承压负荷下长期可靠的工作。

带有曲柄销的曲柄盘设在桨壳内叶根轴承座下面，桨叶与曲柄盘之间用高强度不锈钢螺钉联接，叶根平面轴承和叶根径向轴承随桨叶的水动力、力矩和离心力，因此在安装桨叶时应特别注意。

桨壳、桨叶、曲柄盘、轴承环的装配关系以及密封环配置情况如(下图) 所示。

1. 首先桨叶应予以清洁，对密封环的静止侧面涂密封胶，对密封环的滑动面涂少许耐海水腐蚀的润滑脂。

2. 在叶根螺钉的螺纹部分涂抹上二硫化钼，在螺钉平面部分涂上密封胶。

3. 在以上工作完成后，将清洁吹干的桨叶按照叶位及螺距标记落位，桨叶落位正确后拧紧叶根螺钉，在第一次拧紧全部螺钉后，再次拧紧螺钉，直至扳紧力矩满足技术文件要求为止。有些厂家生产的变距桨尚需在拧紧螺钉后再继续拧转一定角度，如下图中的“C”值。叶根螺钉拧紧后，为了防止其松脱，应在螺钉尾端焊接不锈钢丝，如(下图) 中的件1。

4. 曲柄盘与桨叶的转动是通过转叶机构来完成的。这一机构在桨壳内主要由滑板滑块组成。滑板与轴内的推拉杆焊接成一个整体，在桨壳内由导架支承。

滑板与滑块间配合精度很高，如（下图）所示。从零件的加工到部件装配都应严格按图施工，因为这会影响到曲柄销、滑块、滑板运动的灵活和变距的精度。

1. 滑块与凹槽的配合间隙为：0.012-0.062mm

2. 图中：︱e – f ︳＜ 0.02mm

（二）变距机构

变距机构的结构见(下图) 。

变距机构是可调桨系统的主要部件之一。图中所示是其中的一种。根据不同的船舶和不同的轴系布置，有的变距机构设置在中间轴上，有的变距机构设置在螺旋桨轴上。因为变距机构首端法兰与齿轮输出法兰联接，对于有中间轴的船舶，变距机构通常设置在最前面的一根中间轴的首端，这种变距机构的伺服油缸的尾端也设计成法兰形式，油缸与中间轴用螺钉联接，而对于没有中间轴的短轴系船舶，变距机构只能设在螺旋桨轴上。由于螺旋桨轴需要由船尾通过艉柱及管系穿就船内，它的伺服油缸不能做成法兰与艉轴联接，只能做成如（上图）所示的压装式。

变距机构的伺服油缸缸体5通过锥形衬套6压装在轴17上。在压装伺服油缸时，先将锥形衬套6按轴上的标记放置到位，再将液压螺帽1拧到锥形衬套6上，然后将液压油管分别接到油缸体5的两个油口4上和液压螺帽1的油口上，先向油口4压油，后向液压螺帽压油，依次交替进行，液压活塞前进一段距离之后，卸去油压将液压螺帽向前拧进，直到满足要求为止。活塞13用活塞螺钉14固定在活塞螺母10上，活塞螺母拧紧在推拉杆18上。油缸内活塞的运动依靠配油机构送来的油液压力。当桨叶的螺距角为零时，活塞处于油缸中部的设计位置，这一设计螺距位置与桨叶在桨壳上的钢印标记相一致，由零件的加工制造和部件的装配予以保证，船

厂一般只需按设备随供的资料进行安装，毋须调整。活塞的前端是油管，螺纹联接形式的油管是外螺纹，活塞中心部位有一内螺纹，油管拧入螺孔后在螺纹端部现场配定位螺钉，该螺钉规格、钻孔部位及钻深，设备承制厂均有详图提供。在活塞中加工有一条斜向孔与油管螺纹孔相通，这是压力油通道，它将来自油管的压力油导入活塞后部的油缸中，推动活塞向航艏移动，使桨叶向减小正车螺距角方向及至倒车螺距角方向转动。 螺距角与桨叶角是两个不同的概念。

（三）配油机构

配油机构、螺距显示及螺距反馈机构见（下图）。

配油机构与变距机构均有齿轮箱连接。配油机构安装在齿轮箱的输入端。齿轮箱的功率输出轴是空心轴，中空部分有两个作用，其一是供内油管通过，内油管在其中前后运动；其二就是空心轴内壁与内油管外壁构成

配合并用螺钉2固紧在轴上，配油轴承3与配油轴1相配合。配油器将液压系统来的压力油按操纵指令经过配油轴承导入配油轴相应的油孔，使得油管中部侧面钻有孔，配油轴与内油管间配油密封的衬套，这就使得内油管随活塞在从最大正车螺距至最大倒车螺距范围内移动时，配油轴承和配油轴的正车油路始终相通。由于配油轴承和配油轴之间无想到运动，所以配油轴承的倒车压力油孔始终与配油轴外侧油孔相通。

内油管的首端部铰接一摆动杆4，油管的前后运动带动摆动杆4做相同运动，摆动杆的运动带动销轴5在衬套内转动，销轴的转动又带动联接在销轴上的指针转动，显示出螺旋桨叶片的螺距角。

起做轴向运动的，压力油通过随旋转销一起转动的摇臂式油道进入油管，

（四）夹壳联轴器的安装

1. 轴线对中

对于有中间轴的推进轴系，其螺旋桨轴与中间轴是通过夹壳联轴器联接的。在夹壳联轴器安装前，应按随机资料要求，对轴线予以校中，使螺旋桨首端与中间轴尾端相对位置正确，轴线的位移值和端面的开口值控制在公差范围之内（见下图）。

2. 壳联轴节安装

在安装夹壳联轴节时应注意测录“A”、“B”之值，如下图（a ）所示，使其相等并在沿轴线方向的全长上一致，然后按下图（b ）上所标示的顺序拧紧螺栓。

（五）液压系统安装调试

液压系统见图2。

液压系统是变距螺旋桨的动力源。如前所述，它按控制指令将压力油送入配油机构的正车油路或倒车油路，并将回油导入油箱。系统中两台泵组可以互为备用。在一般情况下，控制主要由比例方向控制阀V3执行。当V3发生故障时可起用由二位三通手动阀V4、二位四通液动阀V1和三位上通电磁阀V2组成应急遥控系统。而当油路系统的主回路出现故障时，可以用手摇B3和备用软管通过应急装置将桨叶推至最大正车位，使其成为定螺距桨工作，不过此时转速必须降低，具体数值应按随机资料执行。

1. 对系统管路的要求

对于液压系统的施工应严格按工艺执行。管子必须用无缝钢管，钢管下料应该锯断，不得氧割，去除毛刺后再用氩弧焊焊接法兰或螺纹接头。内场的强度试压为设计压力为1.5倍压力值，在按规定进行酸洗、保养后方可上船安装。系统安装完工后应以1.25倍设计压力进行密性试验。

2. 清洗要求

以上工序完成后再进行系统冲洗。冲洗介质应该是系统用油，滤器的滤芯应为工装滤芯，精度一般在20微米至30微米，冲洗泵的流量应满足雷诺数大于或等于4000。冲洗介质的温度以40-50℃为宜，冲洗应连续进行，中途应检查滤网或滤芯，最后以油样的化验结果为准。

（六）调试

可变螺距桨在安装完毕或在坞内修理时，均要做试操试验，其内容主要有；

1. 变距机构是否灵活可靠，有无异声。

2. 桨叶上的零螺距刻度、机窗内的桨角指示器及驾驶台零位是否一致。

3. 根据说明书的具体要求，拆下溢流阀Y1、Y2后（见图2），单独进行调整。例如Y2设定最高工作压力为6.5Mpa ，则Y1为7.5-8.5Mpa 。

4. 装复后首先要放掉系统中的空气，若一时放不尽，则需经过反复操纵，使之达到理想状态才可交付使用。