船的形形色色：產生推力的巨輪–螺旋槳
95/08/07
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柯永澤｜
海洋大學船舶系統工程學系教授
辛敬業｜
臺灣海洋大學系統工程暨造船學系
有關螺旋槳的歷史可上溯至《天工開物》中的記載，黃帝大戰蚩尤時的戰車上就有這種裝置。唐代李皋在戰船的舷側或艉部裝置了人力槳輪，稱為「槳輪船」或「車輪船」（這是後代「輪船」名詞的由來）。宋代水軍則稱它為「車輪軻」，記載中描述它有「以輪激水，其行如飛」的能力。
據西方歷史記載，是阿基米德首先提出螺旋槳的概念，達文西則在15世紀末繪出了螺旋槳的草圖。在美國，富爾頓發明蒸氣船後，初始是利用明輪，到了大約1850年，螺旋槳就成為產生船艦推力的主要裝置。直到今天，螺旋槳已是船舶中應用最廣、最重要、也是最有效率的推進裝置。當您驚訝於重達10萬噸級的貨櫃船，還能以每小時超過50公里的速度在大海中航行時，可知它的推手仍舊是螺旋槳？因此稱螺旋槳為產生推力的巨輪，實在不為過。
螺旋槳作動的原理
船用螺旋槳作動的原理是什麼呢？我們可以從兩種不同的觀點來解釋，一種是動量的變化，另一種則是壓力的變化。在動量變化的觀點上，簡單地說，就是螺旋槳藉由加速通過的水，造成水動量增加，產生反作用力而推動船舶。由於動量是質量與速度的乘積，因此您可以想像，不同的質量配合上不同的速度變化，可以造成不同程度的動量變化。
另一方面，由壓力變化的觀點可以更清楚地說明螺旋槳作動的原理。螺旋槳是由一群翼面構建而成，因此它的作動原理與機翼相似。機翼是靠翼面的幾何變化與入流的攻角，使流經翼面上下的流體有不同的速度，而由伯努利定律可知這速度的不同會造成翼面上下表面壓力的不同，因而產生升力。
而構成螺旋槳葉片的翼面，它的運動是由螺旋槳的前進與旋轉所合成的。若不考慮流體與表面間摩擦力的影響，翼面的升力在前進方向的分量就是螺旋槳的推力，而在旋轉方向的分量就是船舶主機須克服的轉矩力。依據伯努利定律，壓力差的大小與合成速度平方的差成正比，因此升力的大小也與合成速度平方的差成正比，也因此螺旋槳旋轉速度愈快，產生的升力愈大，推力也隨著增加，船速因而提升。對大部分的船舶而言，船速大致與旋轉速度成正比，因此由前進與旋轉合成的入流速度也與轉速成正比。
船用螺旋槳有一個特殊的物理現象，就是螺旋槳表面的「空化」。隨著螺旋槳合成入流速度的增加，翼表面的壓力隨著降低，當低至流體的蒸氣壓時，就產生「空化」現象，也就是在這溫度之下流體會汽化。一般說來，水的蒸氣壓在攝氏15度與25度時大約分別是1大氣壓的1.7％與3.1％，因此「空化」時，翼表面可說是處於很低的壓力。
螺旋槳的空化
空化的現象是船用螺旋槳相當特別的一種物理現象，而空化會因為螺旋槳葉片表面壓力分布的不同而有不同的型態，最常見的可以歸納為以下幾種。
葉尖渦空泡 產生的原因是由於螺旋槳葉尖上下表面壓力差很大，流體由高壓面往低壓面快速繞過，而產生很強的漩渦，這漩渦會隨著螺旋槳的旋轉往後洩出去。漩渦的旋轉速度很快，中心壓力最低，當低於水蒸氣壓時，就產生葉尖渦空泡。對於作戰艦艇，葉尖渦空泡是最早發生的空化現象，發生後會產生很大的噪音，不但使艦艇的行蹤容易被偵測到，而且容易干擾自己的聲納，影響水下作戰。
一般來說，螺旋槳直徑愈大、轉速愈快與入流愈不均勻時，葉尖渦空泡愈早發生，也就是說，螺旋槳葉尖渦空泡強度與螺旋槳葉尖的推力大小有關。而當螺旋槳葉片數增加時，每個葉片所產生的推力自然下降，因此葉尖渦空泡愈不容易發生，這也是為什麼潛艦的螺旋槳大多採用七葉的原因。
片狀空泡 產生的原因是由於攻角太大，葉片上表面導緣產生很低的局部低壓，因此從導緣往下游延伸。這種空泡很穩定而且是透明的，通常不會造成螺旋槳的浸蝕。一般商船由於艉部進入螺旋槳的軸向入流不均勻，最容易產生這類空泡現象。
泡狀空泡 通常只在船速很快、轉速很高且螺旋槳軸向入流均勻時才會發生，因為這時螺旋槳葉片低壓面壓力很低，已有很大的區域低於水的蒸氣壓，流體流經這區域有足夠時間氣化成大汽泡，然後隨著流體流往下游。當進入流體壓力高於蒸氣壓的區域時，汽泡迅速破裂，破裂的時間僅需百萬分之一秒，而且破裂時會產生射流。射流的壓力通常超過1千個大氣壓，因此即使螺旋槳一般都採用抗浸蝕能力很強的鎳鋁青銅合金，仍然很容易在葉片表面造成嚴重的破壤，並產生很大的震波往外傳遞。
螺旋槳產生的空化現象，一般具周期性。因為由船體產生的軸向不均勻入流，在空間上的分布是固定的，當螺旋槳葉片轉至某固定角度時，就會產生相同的空化現象。因此當葉片轉一圈，現象就重複一次，當有N個葉片時，螺旋槳轉一圈，現象自然就重複N次了。
當螺旋槳空化產生時，就表示水中有個體積突然漲大，對流場周圍會產生一個正壓的衝擊。而當螺旋槳轉至低攻角處，空化突然消除時，表示水中有個既存的體積消失，而這會對流場周圍產生一個負壓衝擊。如此正壓負壓交替的作用，使壓力波往外傳送，首當其衝的，當然就是位於螺旋槳附近的船體結構，而這些壓力波就是造成船體振動與噪音的主要來源。
空化的產生會影響螺旋槳的效率，而所造成的浸蝕會損害它的強度，減少它的壽命。在軍事用途上，空化所造成的噪音更嚴重影響到行動的隱密性。因此，空化是目前螺旋槳研發上極重要的一個課題，而研究空化相當重要的實驗設備就是「空蝕水槽」。空蝕水槽常常被稱為 「水洞」，它像風洞一樣，水在口字型的水槽中循環流動，並流經螺旋槳，以模擬螺旋槳在水中的運動。在空蝕水槽中，可以進行螺槳受力的量測、螺槳表面空化的觀測、以及螺旋槳流場的觀測等實驗。
螺旋槳的設計
螺旋槳設計的首要目標，當然是產生足夠的推力以推動船舶，而理想的設計，就是如何以最高效率產生需要的推力。螺旋槳效率的定義，基本上是推力與扭力的比值，因此，設計的第一目標就是在產生需要的推力下，扭力要儘量小。另一方面，由於螺旋槳表面的空化會產生不利的後果，因此必須考量如何避免空化的產生。再者，由於幾何的特性，螺旋槳上的受力分布可分為「徑向」與「弦向」，最佳的設計也可以說是在尋找最理想的「徑向」與「弦向」受力分布。
前面曾提過，螺旋槳每一葉片產生升力的壓力差來自翼面的幾何與入流的攻角，翼面的受力也分解成整體螺旋槳的推力與扭力。為了使螺旋槳的效率高，也就是推力與扭力的比值大，螺旋槳設計的第一步是設計徑向的負荷分布。所謂「最佳負荷分布」，指的就是在產生同樣的推力下，扭力最小的徑向負荷分布。決定了徑向的負荷分布後，接著就是設計不同徑向位置的翼面幾何與攻角。對於船用螺旋槳而言，有一些常用的翼面幾何，而也有所謂「新翼形」的設計。
一旦翼面的幾何決定之後，再來就是攻角的設計。就螺旋槳而言，螺距角是螺旋槳入流角與攻角的總和，因此，攻角的設計就是螺距角的設計。由於螺旋槳上的任一點都是以螺旋形前進，因此「螺距」就是螺旋槳旋轉一圈前進的距離。在設計螺距角時，應該配合翼形，使得翼面能產生在那一徑向位置上需要的推力，同時也需考慮空化的問題。
一般而言，螺旋槳葉片上的壓力分布愈均勻，愈能夠在較大推力的狀況下，避免發生空化現象。而控制壓力分布的因素有兩個︰
第一是進入螺旋槳的軸向入流是否夠均勻，若不均勻，則當螺旋槳葉面轉至軸向入流速度低的區域時，攻角會相對增大，使得葉片的低壓面壓力更低，尤其是導緣處，空化現象便容易產生。而當葉片轉至軸向入流速度高的區域時，則其攻角降低，而使空化現象消除。入流是否均勻與船體形狀有關，尤其是船艉的形狀。
第二個因素則是在不同的軸向入流的狀況下，選取適當的翼形使葉片表面的壓力分布最均勻。在設計精度要求高的螺旋槳，例如軍用螺旋槳，翼形的選擇與設計往往是設計成敗最重要的關鍵。
螺旋槳的設計包含了理論、實驗及數值計算。理論是以流體力學為基礎，實驗是以空蝕水槽為主，至於數值計算，則是應用數值方法模擬理論，以電腦進行計算。事實上，除螺旋槳設計外，與流體力學相關的工程設計，幾乎都是以這三者相輔相成的。
未來的發展
一百多年來，螺旋槳的角色從來沒有減輕過，反而產生了不少的「變形體」。除了常看到的式樣外，不同形式的船用螺旋槳還包括可變螺距螺槳、對轉螺槳、導罩螺槳、莢式螺槳、噴水式螺槳等，它們各具特色與優缺點，但都是產生推力的巨輪。
展望未來，船的發展決定了船用螺槳的發展，而船的發展則受到太多因素的影響。但整體說來，螺旋槳發展的目標不外是產生更大的推力，以推動更大的船或使船前進得更快、更有效率。而在能源日益昂貴的今天，螺旋槳的設計也將更具挑戰，設計者必須努力提升效率，甚至利用巧思，應用幾何的變化，以減少螺旋槳運作時能源的消耗。
