螺旋槳 12：船上的螺旋槳(一)
做了這麼多期的螺旋槳系列也差不多終於要完結了。 作為壓軸的最後兩篇，我們就來看看螺旋槳放在船上是什麼樣子？
我想我們印象中飛機的螺旋槳和船舶的螺旋槳雖然都叫螺旋槳，卻無論從外型到配置到用法特性等都風格迥異， 似乎除了名稱一樣之外就根本是兩個世界的東西。 然而實際上無論是船上的螺旋槳還是飛機上的螺旋槳，都遵守著同樣的流體力學原理， 甚至連雷諾數的差異都不是很明顯，也就是說本系列針對航空螺旋槳所分析的全部內容基本也都能套用到水中螺旋槳上面。 那又是什麼造成了現實上船用螺旋槳與航空螺旋槳之間如此巨大的差異呢？ 顯然肯定也是因為應用場景特性上的差異所造成的分化結果。 那麼本系列的最後部份就來探討在船舶和航空之中，那些導致螺旋槳應用如此差異巨大的因素。 不過因為篇幅的緣故，本篇只探討船舶上對於螺旋槳的配置使用部份，至於螺旋槳本身的造型差異則留待下一篇說明。
水中應用環境
螺旋槳放在船上面在水裡打轉，和放在飛機上在空氣中打轉，其使用的環境特性本身就存在相當大的差異性， 這也是造成兩種用途的應用型態產生差異的根本性原因。 其中船用螺旋槳螺旋槳對於結構強固度以及整體的耐用性和機械可靠性，都有著相比於航空螺旋槳更高的要求。 (這是種相對的比較關係，並不是說航空螺旋槳對這些部份就沒有要求！)
首先飛機上的螺旋槳可能從來就沒考慮過異物入侵的問題，然而對於船舶來說異物的侵害卻是不可能不考量的部份。 海草、繩網、海底砂石、水中生物與漂浮物等等侵入並與螺旋槳發生碰撞都是極有可能會發生的日常遭遇， 這讓船舶的螺旋槳從設計上就不能不多加考量在結構強度與耐用性上面的性能屬性， 甚至於有些螺旋槳還會在靠近軸心的位置設計安裝有防纏繞的切割裝置。 其次是船用的螺旋槳對於維修與更換的成本相當高昂，以至於需要螺旋槳乃至整個傳動系統俱備相當的耐用性和可靠度。 比如當飛機每次降落回到地面時，就可以對螺旋槳等動力系統的各個部件進行檢查、維修、或更換等行為； 然而換成船舶，這可得把船拉上乾塢才能夠處理了，這讓整體需要花費的時間和各種成本那是相當的高昂， 特別是噸位愈大的船舶愈是如此！ 最後是船舶的動力需求相比航空飛機的動力需求更加寬鬆且餘裕大。 不像飛機光是能夠維持飛行就需要俱備基本要求的推力供應，船舶則就算動力沒了也依舊能夠漂浮在水上； 動力系統如果性能稍弱點那也就是整船的推進性能稍差點，不至於像飛機可能會面臨連飛都飛不起來的問題。
綜合以上原因，船舶，特別是一定噸位以上的船舶，對於螺旋槳的結構強度、耐用性、和可靠度更加看重， 反倒對於些許的冗於重量增加等副作用相較之下則沒有那麼在乎！
變螺距或定螺距
不同於變距螺旋槳 [1] 在飛機上的廣泛應用， 現代大概只除了超輕型航空器以及遙控航模等受限於成本和法規的因素而使用定距螺旋槳之外， 基本上幾乎所有以螺旋槳為動力的飛機使用的都是變距螺旋槳(衡速螺旋槳也屬於變距螺旋槳的分類)， 然而在船上使用的螺旋槳卻可能大部份都是定距螺旋槳，特別是愈大型的船舶愈是如此！
首先船用螺旋槳並非沒有可變距的產品可以選用(如圖 Figure 2)， 而是大多時候在各種綜和考量之下決定採用不可變距螺旋槳。 首先當然是變距螺旋槳的成本高，然而更加重要的原因還是因為可靠性以及維護保養的成本所致。 如同前一節所說明的那樣，船舶對於螺旋槳的可靠性那是相當看重，特別是噸位愈大的愈是看重。 因此那些採用變距螺旋槳的船舶大多是噸位較小的中小型船舶，而大型以上船舶則更加傾向於採用固定槳距的螺旋槳。 當然這之間並不存在絕對的分界點，主要還是在於船舶設計者與使用者對成本和風險的承受能力所決策， 因此民用船舶通常可能只有如拖船等小型船舶才會使用變距螺旋槳，而百噸以上船舶則幾乎使用定距螺旋槳； 然而在軍用艦艇的領域，則連萬噸船舶都存在採用變距螺旋槳的案例！
Figure 1. 定距螺旋因為結構簡單且強固的原因而常被船舶裝配使用 [2]
Figure 2. 注意螺旋槳葉根部圓形的可轉動機構，說明這艘船裝配的是可變距螺旋槳 [3]
採用變距螺旋槳的好處就是可以靈活調配螺旋槳狀態， 使得在各航速和各主機(「主機」是通常在航海領域對船上主發動機或引擎的稱呼) 轉速之下都能配置最佳的螺旋槳組態， 甚至可以在不停機並倒轉主機的情況下實現船舶向後倒推等靈活操作， 這些優點在往期都曾解釋過 [1]。 然而大多中大型船舶因為成本和可靠性考量而更加傾向採用定距螺旋槳， 這就導致螺旋槳往往只能針對某個航速做出最佳的設計(通常就是船隻的經濟巡航航速)， 而在其它的船速區間則無法完全發揮螺旋槳應有的設計性能。 特別是在低航速或停航狀態下想要加速時並不能一下子就讓主機全功率輸出， 因為過高的發動機負載可能會導致損壞或壽命減損，因此只能隨著航速的提升來逐漸升高動力輸出。
前拉或後推
我曾解試過飛機上的螺旋槳放前面或放後面有什麼不一樣 [4] ， 其中大多數飛機會採用前拉式動力佈局，但愛用後推式佈局的飛機也同樣存在。 然而到了船舶上，我們卻大概從未見過採用前拉式的螺旋槳佈局，而幾乎所有的船舶都總是採用後推佈局， 這是為什麼呢？
首先是在水中存在許多異物侵擾的機會，而若將螺旋槳放在前方，則螺旋槳將首當其衝直接面對這些異物的撞擊； 相反若將螺旋槳佈置在船尾，則在一般正常航行狀態下，螺旋槳可說是被整個船身擋在前面保護著的， 任何異物通常得先經過船身這道檻。 再來是前拉螺旋槳加速過的氣流或水流會直接吹襲後方的機體或船體， 而飛機上的螺旋槳通常尺寸比例較大， 槳盤加速的氣流還有相當大的部份並不會直接與機體產生摩擦，使造成的動力損失還在可控的合理範圍內； 然而到了船舶上，船舶螺旋槳的尺寸相較於船體的尺寸那是相當的小， 若採用前拉式動力佈局則會導致螺旋槳吹出的水流幾乎都會和在其後方的船體產生摩擦消耗， 如圖(Figure 3)所示。
Figure 3. 因為船隻的螺旋槳相比船身尺寸小的太多，若將螺旋槳安置於船首(圖左)，則大部份加速水流都將被船身摩擦消耗掉；反之將螺旋槳安置於船尾，則摩擦損耗大大減小，推進效率高！(圖右)
最後是因為船體並不是完全浸沒在水中，而是只有下半部份在水裡， 使得除非對船首形狀進行特殊的針對性設計， 否則在大部份的一般情況下當船隻向前航行時，船首會因為不對稱的水作用力的關係而產生上翹的傾向， 如圖(Figure 4)所示。 這會導致若採用前拉式螺旋槳佈局，則可能在船隻提速航行的時候會發生部份螺旋槳被抬出水面， 導致推進力下降，以及螺旋槳易受侵蝕損壞的問題。 相對於船首的上翹，船尾更加傾向於下沈，使佈置在船尾的螺旋槳更加傾向於沈沒在水下， 這對推進效率有著相當正面的影響作用。
綜和以上全部考量，會發現將螺旋槳佈置在船尾幾乎就是唯一正確的選擇！
Figure 4. 船隻在高速航行的時候，因為船首排水的壓力，而使船首產生上翹的傾向
尺寸限制
前面提到船上的螺旋槳因為尺寸相對過小而因此不適合放在船頭做前拉， 那不知道讀者們會不會想問一個問題：「那為什麼船舶螺旋槳就不能造更大點呢？」
從純流體力學的理論來看，螺旋槳的尺寸一般來說那是愈大愈好， 有關這部份我在前篇曾經分析探討過 [5] ， 然而實務上往往因為某些限制使得螺旋槳並不能夠肆無忌憚的想造多大就造多大。 例如在飛機上，螺旋槳的尺寸限制通常在於螺旋槳的離地高度， 飛機需要在停放時、滑行時、和正常起飛降落的姿態下都不能讓螺旋槳觸及地面， 而這便成為限制飛機螺旋槳尺寸的主要因素。 那麼在船上，通常是什麼在限制螺旋槳的尺寸呢？答案是船舶的吃水深度！
一般正常的情況下我們都不希望螺旋槳有一部份突破水面接觸空氣， 因為螺旋槳混合攪打水和空氣的情況不只會導致推進效率減損，還會加劇螺旋槳被衝擊侵蝕的程度。 因此一般螺旋槳需要完全沒入水中運作， 再考量到在不同船隻搖晃程度以及不同海況和波浪的情況下都要儘量保持螺旋槳沒入水中， 則螺旋槳的頂端距離正常水線之間還要保有一定的保險距離(如圖 Figure 5 所示)。 說完了頂端，那螺旋槳最低的下端可以低到哪個位置呢？ 一般通常保守的情況下，螺旋槳的最低處不能比船底還要低(如圖 Figure 5、Figure 7 所示)， 這主要是為了給螺旋槳不觸海底的一個保險設計。 當船隻航行到淺水地區發生擱淺，或與水底岩石碰撞的時候， 你是希望螺旋槳能首當其衝直接攪打這些東西呢？還是希望船底能幫螺旋槳擋一擋呢？ 顯然讓這些岩石等異物觸碰到轉動中的螺旋槳所可能造成的損壞會更加複雜棘手， 因此兩害相權取其輕之下，讓螺旋槳不要深過船體深度， 讓船底擋在螺旋槳之前先與岩石異物發生碰撞顯然就是更加明智的設計。
當然若你希望得到更好的推進效果，並且能夠承受隨之而來的風險，那也不是不能把螺旋槳埋的更深一些。 例如下圖(Figure 6)驅逐艦的螺旋槳底部就明顯比船底還要再更深！ 這種願意提高損壞風險的動力佈置大多出現在講究性能的高速軍用艦艇上，或者就是那些小型的輕型船隻， 畢竟小船若真的不小心玩壞了，可能一兩個人就可以將整艘船扛起來拉到岸上修理。 然而綜合所有整體考量來看，船隻的螺旋槳尺寸上限基本就是相關於船體的吃水深度。
Figure 5. 現代貨櫃船的螺旋槳，其頂部與吃水線(船身上紅與黑的交界線)距離較大，其主要是考量到空船狀態吃水較淺的情況；而其頂部幾乎就是貼著船體底部線條再內縮一點點的程度。
Figure 6. 這艘驅逐艦的螺旋槳採用了比較激進些的佈置方式，可見螺旋槳約有一半的盤面是超出船底延伸線(圖中亮綠色標註線)的！
Figure 7. 這是一艘戰列艦的螺旋槳特寫，可見其雖然作為戰鬥軍艦但螺旋槳的佈置還是相當保守的，螺旋槳底部全部都沒有超過船底的深度。
總結
螺旋槳無論是在空氣中工作或是在水中工作，都遵循一樣的基本流體力學規律，並且可使用一樣的分析演算法進行分析。 不過因為應用場域的特性以及限制條件的不同，船用的螺旋槳和飛機的螺旋槳竟能演化出截然不同的型態。 因為維修更換的成本高昂，船用的螺旋槳更加看重耐用性和可靠性，且對於導致重量上的小幅度增加並不特別敏感。 船用螺旋槳基本全都傾向使用後推式佈局，與大量愛用前拉式佈局的航空生態大異其趣， 而限制螺旋槳尺寸的主要因素則為船隻的吃水深度。
本文撇除了螺旋槳本身在造型上的差異而只探討螺旋槳在佈置使用上的異同之處， 下一篇則將就本篇所略過的這部份內容進行探究。