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問你一個問題,你知道船只尾部的螺旋槳是幾個葉片嗎?三個?四個?
其實這個問題并沒有一個統一的答案,因為不同的艦船,螺旋槳葉片的數量是不同的,即便是同一種艦船,船尾螺旋槳葉片的數量也并沒有一個統一的標準。那么,一艘船的螺旋槳到底要裝幾個葉片,是根據什么決定的呢?在解答這個問題之前,先讓我們來思考一個基本的問題,那就是螺旋槳是如何推動船只前進的?這個問題看似很好回答,當然是依靠向后退水所產生的作用力與反作用力了。不過這只是正確答案的一部分,還有另一部分,就是伯努利原理。
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根據伯努利原理,流體的運動速度越快,壓強就越小,反之運動速度越慢,壓強就越大。
飛機能夠飛上天就是利用了這一原理,通過對飛機機翼上下表面形狀的設計,在機翼上下表面制造出空氣流速差異,從而產生壓力差,這便是升力的來源。空氣是流體,水當然也是流體,所以船只的螺旋槳也利用了相同的原理。螺旋槳本身存在著一定的曲率,這使得螺旋槳在轉動時,前面的水流速度快,后面的水流速度慢。
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于是,螺旋槳前面低壓區的水就會被吸入到螺旋槳后面的高壓區,再高速噴出之后,便產生了推動船只前進的反作用力。
由此可見,船只前進的速度就是由螺旋槳轉動產生的推力大小決定的,那么推力又是由誰決定的呢?是由螺旋槳轉動速度決定的,轉動速度越快,前后壓差就越大,產生的推力自然也就越大。但是,發動機的功率是有限的,所以螺旋槳的轉速自然也是有限的。如此說來,只需要制造更大功率的發動機不就可以提升船只的速度了嗎?沒有這么簡單。
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隨著螺旋槳轉得越來越快,螺旋槳后前方的壓力會越來越低,于是水的沸點也就會越來越低,以致最終螺旋槳前方的水會開始沸騰。
沸騰會產生大量的氣泡,這些氣泡隨后會破裂釋放出大量的能量,對螺旋槳造成破壞,久而久之螺旋槳就會損壞,這就是空泡現象。由此可見,螺旋槳是不能轉得太快的。不能提高轉速,如何提升推力呢?自然就是增加葉片的數量。多了一個葉片,就多了一份推力,船只的速度自然也就更快了。
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不過船用螺旋槳的葉片也不是越多越好。
首先一個原因就是效率低,相同轉速下,裝兩個葉片的推力并不能達到一個葉片的兩倍,如果繼續增加葉片,推力的增加量還會繼續降低。這是因為前一個葉片擾動的水流還沒有恢復,下一個葉片就到了,所以推水的效率也就會下降,葉片的數量越多,下一個葉片到來的速度就越快,效率也就越低。另一個原因是推力不會憑空產生,它本質上依靠的是發動機的功率,所以在發動機功率相同的情況下,葉片越多,螺旋槳的轉速就越慢。最后,葉片多也會增加額外的阻力。
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綜上所述,螺旋槳葉片的增加,有好處也有壞處,因此到底要裝幾個葉片,必須根據使用需求來決定。
比如潛艇后方的葉片數量就很多,可以達到七八片,這是因為對于潛艇來說,隱蔽就是首要考慮因素,而采用多葉片、低轉速的策略,就可以最大限度減少航行時的噪音。對于大型游輪和貨輪來說,噪音什么的都不是問題,速度就是第一考慮要素,所以螺旋槳的葉片數量大多維持在三到四個。
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