推進系統與螺槳轂結構
船舶航行所倚賴的推進系統非常複雜，通常靠產生大量推力的方式驅動船舶。平均而言，大多數遠洋船舶在滿載狀態下，可達10萬至50萬總載重噸（DWT），而小型船隻和遊艇則保持在1萬總載重噸以下。因此，推進系統必須配合各種船舶的重量和類型。
船舶推進系統的工作原理遵循著牛頓第三定律，即「每個動作必定會有大小相等、方向相反的反作用力」。在每艘船的尾端，流體質量會從螺旋槳葉片向後（朝船尾方向）急速噴出，從而產生了方向朝前的反作用力，推動船舶前進。在船舶尾端水線下方一般裝有二至三個大型螺旋槳，藉此提供主推力。每個螺旋槳組通常有3至6個葉片，取決於船舶的類型和尺寸。葉片數量通常多多益善，因為這樣可以减少「空蝕」（cavitation）現象所造成的影響。
一、 何謂「空蝕」？
簡單來說，空蝕指葉片邊緣周圍的水瞬間汽化，由動壓差所造成。這種壓力差則來自葉片後緣的高速運動，造成葉片表面上的水粒子充滿能量。汽化會產生凹痕，加快葉片磨損。當流體質量被推到船舶後方時，汽化也會快速消耗其中的能量，因此即使以最高速行駛，船舶速度也會因此降低。為了減少高速螺旋槳運動時所產生的空蝕效應，可將轉速降低，同時增加葉片數量。因此，系統的速度雖然較低，但大量葉片仍可產生足夠的流體推力，從而使船舶向前行駛。空蝕也會影響螺槳轂，並導致所設計的結構損壞。這可能導致船隻在人員操縱和轉向時，出現不可預測的反應。
船尾螺旋槳組的運動，使用了船體內部大型船舶柴油引擎所提供的動力。大多數船舶在每個推進組上會使用1至2具船舶引擎。柴油引擎以交替膨脹和壓縮循環模式，進行兩行程或四行程的工作。引擎內部的活塞汽缸受力進行振盪運動，而對連接至引擎的曲軸提供動力。曲軸則可提供驅動船隻用的驅動扭矩。
然而，曲軸和船舶螺旋槳轉軸的旋轉運動，又是如何傳遞到船尾末端的葉片上呢？這就是螺槳轂派上用場的時刻。
引擎會將扭矩傳遞到船舶螺旋槳轉軸，再由螺旋槳轉軸將旋轉運動傳遞至所謂的螺槳轂結構上。螺槳轂會透過外殼旋轉，進而提供動力給螺旋槳葉片。螺槳轂是位於船體外部的重要組件，連接螺旋槳葉片。當螺槳轂旋轉時，葉片也會受力在水中轉動。為了傳遞扭矩，螺槳轂穿過艉軸管和周圍的軸承而連接到船舶轉軸上。必須做特殊防備，以確保完全不進水，且不讓必要的流體外漏，例如油和液壓油。
二、 螺槳轂的設計、製造與功能
無論螺旋槳轉軸以何種方式穿出船體，都需要螺槳轂。目前有三種主要的穿出類型：
• 軸轂
• P型支架固定座，以及
• 支架固定座。
軸轂係指將螺槳轂對準艉軸管口而裝配的配置，如此一來，船舶轉軸幾乎整個都在船體內部。
另一方面，建置A型支架和P型支架固定座，是為了懸掛位於艉軸管後方的船身附屬物。與平艉相比，它們在巡洋艦類的船尾上更為常見。船舶轉軸穿過艉軸管，然後穿過由P型或A型支架固定座所支撐起來的支架。轉軸通常延伸至螺槳轂處的支架後方為止。
在不同的配置之間進行選擇時，具體取決於船舶的類型和轉軸露出量的限制。然而，螺槳轂必須根據配置而作適當的建置。在軸轂中，螺槳轂有部分露出而處於外部流體中。因此，它必須在內部做好防水處理，並使用特殊的軸封系統，以防止任何流體通過螺槳轂。此外，螺槳轂必須處於良好的潤滑狀態，以減少艉軸管內的摩擦。對於P型和A型支架的配置，整個螺槳轂都外露在水中。
由於螺旋槳轉軸的延伸長度、振動和懸垂力都將作用在螺槳轂上。因此，必須進行適當的建置，以承受巨大的振動衝擊。至於防水處理，只需防止流體進入內部機構。
根據螺槳轂和葉片的配置，螺旋槳有兩種主要類型：
•整體式螺旋槳，以及
•組合式螺旋槳。
如果將螺旋槳葉片與螺槳轂直接做成一體，則該設計稱為整體式螺旋槳。另一方面，如果將葉片用螺栓固定在螺槳轂上，則稱為組合式螺旋槳。根據船舶類型與分類，各種類型都有其優缺點。與其他類型相比，整體式螺旋槳的製造時間更短，因為葉片和螺槳轂是在一次作業中鑄造而成。結合葉片和螺槳轂時，可將葉片鑄造在一起，或將葉片單獨銲接。由於接頭是整個結構中最脆弱的部分，通常不建議進行鎔銲作業，即便它們會面臨最大的反作用力。
另一方面，鑄造整個螺旋槳組需要很多專業知識。該如何選擇最佳方案，應取決於使用類型和螺旋槳組可能遇到的力量限制。雖然製造整體式螺旋槳所花費的時間相對較少，但在第一次作業中必須鑄造成功，否則可能會導致專案延誤。此外，以適當的方式鑄造出大型螺旋槳，需要高階技術與專業知識，所以成本較高。
在組合式螺旋槳組中，葉片與螺槳轂分開，必須用螺栓固定到位。使用專用緊固件來固定接頭，並經過防水處理，以防止流體匯集在螺槳轂內部。
使用組合式螺旋槳的優點是不需要完全拆卸整個組件，只需移除目標區域。例如，如果單一葉片需要維護，僅需將這只葉片拆下。
另一方面，如果是整體式螺旋槳，則必須整組拆下。有別於銲接製造的整體式螺旋槳，組合式螺旋槳不會將葉片銲接在螺槳轂上，而是以螺栓固定。透過使用適當的緊固件，可稍微增加對振動和其他操作衝擊的抵抗力。然而，如果振動超過操作極限，則緊固件鬆脫的可能性會增加。
使用組合式螺槳轂的另一個優點是可以改變葉片的螺距角，可涵蓋到各種推力。這通常被稱為變距螺旋槳（VPP），在最後一節中將作詳細介紹。螺槳轂在VPP中扮演了主要角色，因為它裝有不可或缺的機具。
鑄造螺槳轂的材料首推適用於大型船舶的銅和青銅合金。小型船舶可能使用鋁、青銅和鎳合金。選擇青銅和銅是因為它們對於生鏽和腐蝕的承受度高，並具有出色的強度和耐用性。
選擇鋁則是因為它非常輕，同時又具有很高的結構強度。實際上，鋁在金屬中是「比強度」（strength-to-weight ratio，又稱強度－重量比）最高的金屬之一，在重型機具的商業製造中，鋁因此極受歡迎。
防止洩漏的軸封和其他密封材料，通常是艉軸管的一部分，但亦可整合至螺槳轂中，以提高效率。密封劑可以根據船舶的構造和結構而變化。
在螺槳轂與船舶螺旋槳轉軸的連接處應使用密封劑，如填料函、端頭密封等。
三、 螺槳轂的維護操作
螺槳轂是一個重要的旋轉組件，需定期維護與保養，以使船舶平穩運作。通常有多種力量作用在螺槳轂上，包括振動力、水下壓力及離心力等。欲接近螺槳轂進行維護操作，必須將船舶移至乾船塢，使龍骨部分露出。然後，使用重型起重機將螺旋槳組固定在適當的位置，同時將其從螺旋槳轉軸上拆下。
如果是整體式螺旋槳，則使用特定升降機連接到螺槳轂上，並漸漸將整組向船尾移動。另一方面，對於組合式螺旋槳而言，如果只對單一螺旋槳葉片進行維修，則螺槳轂和其餘葉片可保留原樣，而重型起重機則只支撐住受影響的葉片。一旦將螺栓斷開連接後，便將葉片移至其他位置。然而，如果需要拆卸整個螺旋槳組，則此拆卸程序便跟整體式螺旋槳組的拆卸作業類似。
螺槳轂所需的一般維修操作，包括了重新研磨螺槳轂表面，使其更加平滑，以達到預期的結構。此外，如果有任何重大瑕疵，則會將該區域作重新鑄造或使用其他合金進行填補。
同時還要對銲接及其整體性進行檢查。維修時間可能需要幾個小時到兩週不等，取決於維護類型和損壞程度。除了對螺槳轂的外部結構，還要對VPP組和螺槳轂的機殼內部機具，以及內部軸封進行檢查。
四、 變距螺旋槳的螺槳轂控制
變距螺旋槳是一種能夠控制螺旋槳葉片螺距角的設計。由於葉片安置在螺槳轂上，因此在操縱螺距角的功能上佔有重要地位。VPP也稱為調距螺旋槳（CPP）。
螺距係指螺旋槳葉片繞其長軸旋轉時，所發生的角度變化。以船舶螺旋槳的案例來說，長軸從沿著葉片最長部分的螺槳轂中心，以徑向而向外延伸。葉片的形狀有兩個截然不同的葉緣 – 前緣與進入的流體粒子相遇，而後緣則對流出的流體質量重新指定方向而流出，藉以增加推力和加速度。透過旋轉葉片，可改變流體從螺旋槳流出的角度，進而改變了船舶的速度和控制。
VPP機具通常安置在船舶螺槳轂內。這是一項高度複雜的技術，在作業過程中需要非常準確。該機具包括了馬達和感應器，其作用是向艦橋報告資訊。
葉片採用組合式螺旋槳組的形式，但安裝在螺槳轂上的專用底座上。除了緊固件外，螺槳轂內還有精密馬達，可以使葉片圍繞其長軸而漸漸展開旋轉，以改變槳距。
使用VPP的方式如下：
1.船長命令改變螺旋槳的螺距，並將資訊傳達給船舶的相關部分。
2.檢查螺槳轂上的感應器，以確保當前設定遠低於允許的限值，並確保螺槳轂的內部空間不會發生溢流。
3.若一切就緒，則開始對螺槳轂內的馬達供電，使葉片與螺槳轂相連的底座漸漸展開旋轉。這些馬達的靈敏度很高，在某些船上可以將螺距改變0.5°。
4.改變到所需的螺距後，感應器會再次傳遞有關螺槳轂和內部機具狀態的必要資訊。
改變螺距也可以透過自主系統進行自動驅動。該自主系統有助於導航、轉向和其他操作。
使用VPP設計的優點是可以大幅提高引擎效率。可以對操作轉速作最佳化，以配合船舶的需求，同時還可以實現更好的加/減速。
另外，可將葉片進行反向旋轉，藉以使船舶實現負螺距，如此一來，該船舶甚至可以在不需要專用引擎的情況下，便能向後（反向）移動。因此，對於大型船舶而言，它的若干優點使其相當具有吸引力。然而，由於成功製造這款螺槳轂需要先進的技術和技能，因此所費不貲。
螺槳轂是VPP設計中最重要的組件，因為它裝有重要的機具設備，否則船舶螺旋槳將無法運作。為了確保系統正常運作，必須進行維護作業。然而，這可能會迫使船舶頻繁靠岸，因為維修螺槳轂的唯一方法，必須要在乾船塢裡，以便接近船舶的龍骨部分，進行維護操作。
資料來源: Marineinsight，08/06/2020
