[科普中國(guó)]-明輪

定義

明輪是局部沒水的推進(jìn)器，外形略似車輪，其水平軸沿船寬方向置于水線之上，輪之周緣裝有蹼板(或稱槳板)。明輪在操作時(shí)，其蹼板撥水向后，而自身受到水流的反作用力，此反作用力經(jīng)輪軸傳至船體，推船前進(jìn)。

安裝于舷側(cè)的明輪叫邊輪，安裝于船尾的叫尾輪。邊輪增大船寬，對(duì)橫穩(wěn)性有利，但在風(fēng)浪中不易保持航向。尾輪適用于狹窄航道。

明輪曾廣泛用作海船的推進(jìn)器，但由于本身的機(jī)構(gòu)十分笨重，在波濤中不易保持一定的航速和航向，且蹼板易損壞，故目前僅用于部分內(nèi)河船舶。1

歷史19世紀(jì)初期，蒸汽機(jī)被用作艦船動(dòng)力。在海軍進(jìn)人熱動(dòng)力時(shí)代的前40年，明輪推進(jìn)是蒸汽艦船采用的主要推進(jìn)方式，這一時(shí)期的蒸汽船外觀上的兩大特征，便是冒著滾滾黑煙的煙囪和中部2個(gè)巨大的明輪推進(jìn)器。

明輪推進(jìn)器的前身是人力或畜力帶動(dòng)的輪槳，它的歷史長(zhǎng)達(dá)3000年，歐洲地中海地區(qū)和中國(guó)的造船工匠們都各自獨(dú)立設(shè)計(jì)出了輪槳，在公元3世紀(jì)，輪槳戰(zhàn)船組成的水師曾馳騁尼羅河和長(zhǎng)江，幾次著名的古代水戰(zhàn)中，都有輪槳戰(zhàn)船的身影。明輪之所以成為第一種蒸汽動(dòng)力的推進(jìn)裝置，是因?yàn)樗脑O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需要在輪槳的基礎(chǔ)上稍加修改,制造也較為簡(jiǎn)便，符合當(dāng)時(shí)人們的直線思維，但明輪推進(jìn)的缺點(diǎn)也是顯而易見的。明輪占據(jù)了寶貴的舷側(cè)火炮放列面積，推進(jìn)效率也偏低。因?yàn)槊鬏啒~劃水產(chǎn)生的反作用力不能完全轉(zhuǎn)化為艦船的推進(jìn)力。在明輪的前緣，槳葉將海水向后下方推出，在明輪的后緣，槳葉將海水向后上方推出，相當(dāng)大一部分主機(jī)的動(dòng)力被浪費(fèi)于將海水上揚(yáng)或下推的過程中。2

分類明輪根據(jù)布置位置，分為舷側(cè)明輪和船尾明輪，舷側(cè)明輪裝在船舶舷側(cè)部位；船尾明輪裝在船尾。它們都是用蒸汽機(jī)來帶動(dòng)明輪，使其轉(zhuǎn)動(dòng)，推進(jìn)船舶。

明輪根據(jù)槳板形式分為明輪有定蹼式和動(dòng)蹼式兩種。

定蹼式明輪早期的明輪形式主要是定蹼式明輪（Radial Wheel），在明輪上安裝長(zhǎng)方形的蹼板,它們以相同的角度間距均布在輪子的周圍，通過繞中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)擊水，受到水的反作用力帶動(dòng)其前進(jìn)。

它構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，但蹼板入水時(shí)易產(chǎn)生拍水現(xiàn)象，而在出水時(shí)又產(chǎn)生提水現(xiàn)象，因而浪費(fèi)了大部分能量，效率較低所以它的直徑往往做得很大，入水深度一般不超過半徑的1/2。3

動(dòng)蹼式明輪動(dòng)蹼是明輪的槳板以鉸接方式與輪體相連，通過偏心作復(fù)合運(yùn)動(dòng)，動(dòng)蹼式明輪可以借偏心裝置控制蹼板，以調(diào)節(jié)出水和入水的角度，消除了定蹼式明輪缺點(diǎn)，故其效率較高。動(dòng)槳明輪產(chǎn)生的推力略次與定槳明輪。3

工作原理船舶推進(jìn)器可以被看作是一個(gè)能量的轉(zhuǎn)換器，即將船舶動(dòng)力裝置輸出的功通過船舶推進(jìn)器轉(zhuǎn)換成為連續(xù)不斷地克服船舶航行阻力所需要的功。按照其作用原理分類，船舶推進(jìn)器可以被分為直接作用式和反作用式兩種類型。

最典型的直接作用式推進(jìn)器是帆，它通過轉(zhuǎn)換風(fēng)能成為推動(dòng)船舶前進(jìn)的作用力。反作用式的推進(jìn)器即包括了各種現(xiàn)代形式的推進(jìn)器，如螺旋槳，明輪，擺線式推進(jìn)器，噴水推進(jìn)器等，其原理是由于推進(jìn)器對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)方向相反的方向的反作用，導(dǎo)致排出水流的運(yùn)動(dòng)量增加而產(chǎn)生的脈沖力。

明輪的工作原理類似劃槳的原理，起初是在明輪上安裝固定式的長(zhǎng)方形劃水槳板，槳板以同樣的角度分布在輪子的周圍，即定蹼式明輪。定蹼式明輪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且牢固的優(yōu)點(diǎn)，但定蹼明輪必須要有很大的直徑和較低的轉(zhuǎn)速才能達(dá)到較高的效率，當(dāng)定蹼式明輪轉(zhuǎn)速逐漸增大時(shí)，推力和轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)也越大，而在低轉(zhuǎn)速時(shí)則可以產(chǎn)生較平穩(wěn)推力和轉(zhuǎn)矩。動(dòng)蹼式明輪通過蹼板和輪體自身以鉸接的方式相連，再連接偏心環(huán)（EccentricStrop）作復(fù)合運(yùn)動(dòng) 4。通過采用可以活動(dòng)的動(dòng)蹼，蹼板垂直入水、出水的程度比定蹼式明輪高，因此明輪的直徑可以降低定蹼式明輪的 2 倍或更多，動(dòng)蹼對(duì)于相對(duì)較小的明輪直徑和較深的浸深有較高的效率，其效率可以接近于當(dāng)螺旋槳直徑受到吃水和水深限制時(shí)的效率，比定蹼式明輪大約高出 10% 5。然而，對(duì)于使用直徑大的明輪，若相對(duì)浸深并不是太大，此時(shí)通常采用定蹼式明輪以替代動(dòng)蹼式。通常在有吃水限制的航道中采用動(dòng)蹼式明輪，在吃水限制要求不高的航道中采用定蹼式明輪。動(dòng)蹼式明輪蹼板的寬度大約在蹼板長(zhǎng)度的 20-25%之間 6。

由于動(dòng)蹼式明輪借助偏心裝置控制調(diào)節(jié)了蹼板出水和入水的角度，減緩了定蹼式明輪蹼板入水時(shí)的沖擊現(xiàn)象和出水時(shí)的舀水作用，其在較高轉(zhuǎn)速時(shí)仍然可以產(chǎn)生相對(duì)較穩(wěn)定的推力和轉(zhuǎn)矩。

明輪的應(yīng)用使用明輪作為推進(jìn)器的船舶，稱為明輪船。明輪船是船舶發(fā)展史上的一個(gè)重要的階段，它應(yīng)用于各種不同用途與功能的船只上?？偟膩碚f，明輪船可以用于戰(zhàn)爭(zhēng)船艦、商業(yè)貿(mào)易、客貨運(yùn)輸?shù)鹊缺姸喾矫?。明輪船已?jīng)退出歷史舞臺(tái)，主要用于商業(yè)旅游與歷史展覽等。

美國(guó)的克萊蒙特號(hào)明輪船是世界上最早出現(xiàn)的蒸汽機(jī)輪船，它就是一艘明輪船。船舶用上蒸汽機(jī)，出現(xiàn)蒸汽機(jī)輪船是船舶動(dòng)力發(fā)展史上革命性演變。世界上第一艘蒸汽機(jī)輪船是由美國(guó)發(fā)明家富爾頓制造的，他在1802年春天，在法國(guó)建造第一艘蒸汽機(jī)輪船，停泊在塞納河上，一場(chǎng)風(fēng)暴就把它折斷。富爾頓沒有因此止步，他又重建了一艘蒸汽機(jī)輪船，命名為“克萊蒙特”號(hào)。

克萊蒙特號(hào)輪船船長(zhǎng)45.72米，寬9.14米，船上裝有蒸汽機(jī)，用明輪來推進(jìn)。1807年，“克萊蒙特”號(hào)在美國(guó)哈德遜河上試航，獲得成功，它以每小時(shí)6.4公里速度，航行91.4公里。從此，美國(guó)哈德遜河上開辟定期航班，標(biāo)志了蒸汽機(jī)輪船正式投入使用。

到了19世紀(jì)60年代，明輪船被裝著螺旋槳的先進(jìn)蒸汽船淘汰。