马格努斯效应在船舶上的应用

马格努斯效应在船舶上的马格努斯效应在船舶上的应用应用马格努斯效应的定义：当一个旋转物体的旋转角速度与物体飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相互垂直的方向上将产生一个横向力，在这个横向力作用下物体飞行轨迹发生偏转的现象称作马格努斯效应。马格努斯效应简介早在本世纪20年代，就有人开始考虑将马格努斯效应应用在船舶上，但是进展不大，70年代石油危机以后，人们又重新对其在船舶上的应用产生了兴趣，主要有以下几个方面：马格努斯效应在现代船舶上的应用1.转柱舵2.风筒推进装置3.减摇装置4.马格努斯螺旋桨5.发电机1.转柱舵转柱舵是根据马格努斯效应而设计的一种新型舵。它由一个具有圆形端板的圆筒取代普通舵的舵叶,如图所示。船舶在航行中,当圆筒在原动机的带动下旋转时,圆筒将受到马格努斯效应力的作用,船舶在这个力的作用下转向。圆筒倒转时,力的作用方向相反转柱舵具有以下优点：性能上：转柱舵比普通舵具有更好的流体动力特性。现有资料表明,当圆筒的圆周速度为来流速度的4倍时,其升力与阻力之比约为9:1;而对普通舵来说,在满舵时,其升力与阻力之比不到2,1。因此,转柱舱不会象普通舵那样在大舫角下增加船舶力。由于转柱舵的转船力矩与水流的一次方成正比,而普通舵的转船力矩与水流的二次方成正比,因此转柱舵与普通舵相比,在低速下更有效。普通舵倒肮时操纵性都会变坏。而转柱舵倒航时,其流体的动力特性变化不大,因而其操纵 性仍然 十分有效。结构上:转 柱舵 的外形 为圆 柱休,水流对 其 作用力 的 方 向通过 圆 柱的 轴线,受 力情况 比 普通舵要 好。同时 其强度 和 刚 度方面都 优于普 通舵,制造和 维修也 较方 便。控 制上:转柱舵 的 转向和 转速 可 以 由变速 电机或 液压 马达来控 制和 驱动,这样不 仅提高 了 操舵 装 置的 可靠 性,而且也不存 在一 般操舵 装置 的舵 角 校正 问题和跑 舵、锁 舵 等常见问题。另外,转 柱舵原 动机仅 需克服 轴承 的摩擦 力和 圆 柱体表 面与液体 间 的 粘性摩 擦力,共功 率要 小于 普通舵 的 舵机 功 率。2.风筒推进装置马格 努斯效 应首先 在推 进装置方 面得 到 了实际 应用。1 9 2 4年,一 名叫弗莱 特纳(Antonl Fette r)的 德 国企业 家将两 个 直 径 为3米,高1 3 米的 圆 柱体装在 4 6 0 吨的“巴考”(Bueka u)号 上,取 代原 船上 的帆,以 4.4千 瓦 的发动机带动圆柱体 旋 转,借助风 在旋 转的 圆筒上产生 的推 力,成功 地从 汉堡 横渡大西 洋 到达 纽 约。图 所 示是 2 0 年 代 另一艘 名叫“巴 拉 巴 拉”Barba ra)号 的船,上 面装 有三个 圆 筒。风筒推 进装置 除了 能节省能源外还 具有单位推力 投 资低,结构简单,易 于 操作和 控制 等优点,引起 了 世界 各国 的重视。法 国、德 国、苏联、瑞 典和 美国在这 方面 已 取得 了 很大 的进展。3.减摇装置 通 常的减摇装 置是通 过 两 侧的 减摇鳍 片起作 用 的。减摇鳍 片 的横 截面一般是 机翼形,当水 流流 过鳍片 时对 鳍片 产生一个 升力,两 侧 的升 力共 同对船 产生一 个恢复力矩,克服 由于风浪对船 产生的倾 斜力矩,达到减 摇 目 的。马格努斯减 摇装 置用旋 转的圆 柱体 代替通常 的鳍 片。当圆柱体旋 转时,由于马格 努斯 效应 易产生 恢 复力 矩,如 图 所示。马格 努斯 减摇 装 置的 优点是 制造 简单,效率 高,对船 舶产生的 阻力小 和 容易 收放。比 不 仅可 以 降 低造价,而且可 以 提高效 率。目前 的 计算表 明这种 马 格努斯螺 旋桨要 比 常规 螺旋 桨产生 的推 力大一倍。如果 这种计算 在实船上证 明 是正确 的，那 么主 机功 率可 减 小一 半,节能 效益十分显 著。4.马格努斯螺旋桨马格努斯螺 旋桨1 9 1 2年 己 有专利。图 表示 了马 格努斯螺 旋桨与导 流管结 合 的 一 种 装置。它用 旋转 的 圆 柱体来 代替常规 的 螺旋桨 叶片,利用导 流管 内的齿条 和主机 传 动 轴驱 动圆柱体。实验表 明:这种螺 旋桨与常 规螺旋桨 相示 了马 格努斯螺 旋桨与导 流管结 合 的 一 种 装置。它用 旋转 的 圆 柱体来 代替常规 的 螺旋桨 叶片,利用导 流管 内的齿条 和主机 传 动 轴驱 动圆柱体。实验表 明:这种螺 旋桨与常 规螺旋桨 相比 不 仅可 以 降 低造价,而且可 以 提高效 率。目前 的 计算表 明这种 马 格努斯螺 旋桨要 比 常规 螺旋桨产生 的推 力大一倍。如果 这种计算 在实船上证 明 是正确 的,那 么主 机功 率可 减 小一 半,节能 效益十分显 著。5.发电机马格努斯 效应发 电机 有 两种基本类 型:水轴式 和垂 直轴式。水平 轴式是 弗莱 特 纳 在2 0 年代 中期发 明 的,并且取 得 了一定 的成功。图是伯 格(Bo r g)提 出 的一种 水下 垂直轴式发电机,这种 装置可 以 利用潮 水或水流 发电。马 格努斯效应 的 发现 虽然 已有100 多 年,但真 正深入 地开 展 其应 用研 究只是近 十 几 年 的事。由于 马格努斯效 应有其独特 的 优点,积 极开 展对 其应用 的研究和 试验必 将有 助于 推 动船舶工业 的发展。总结