CN101734361A - 船舶导流推进系统的混流装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了船舶导流推进系统的混流装置，用于解决船舶导流推进系统的射流问题，主要由射流管、伴流管和混流管这三部分组成，其中射流管的喷口和伴流管的出口与混流管相连通，伴流管的进口在射流管的侧面，射流管的横截面小于混流管的横截面。射流和伴流在混流腔里共同作用和相互混合。通过混流管的出口的水流与通过射流管的喷口的水流相比，不仅速度降低而且流量增大，因而改善了船舶的艉部流场，降低了艉部的兴波阻力，或者是改善了螺旋桨或泵轮前的流场，提高了推进效率，降低了空泡和水击的危害。伴流管的进口外侧的水流所产生的诱导速度及其转化成的诱导压力可以用于进一步改善船舶的艉部流场并降低艉部的兴波阻力。

Description

船舶导流推进系统的混流装置
技术领域
本发明属于船舶推进技术领域，具体地说是一种用于解决船舶推进技术特别是导流推进技术中的射流问题，用以改善船舶及其推进系统的流场，从而降低船舶的兴波阻力和提高船舶的推进效率的混流装置。
背景技术
船舶的用途非常广泛，如运输、渔业、工程、海洋开发以及军事等。这就需要各种各样的高性能的船舶。船舶的主要性能如快速性、操纵性、耐波性以及经济性，主要受到船型和推进系统的影响和制约。在现有技术条件下，船舶的高性能主要是指快速性，而且往往要以牺牲经济性为代价。
现有的船舶推进技术主要是螺旋桨推进和喷水推进两大系列。喷水推进系统的工作过程主要是，水由进水口吸入，经推进泵加压，最后从喷水口喷射而出。因而，这可以说是一种导流推进系统。这些喷射出来的水相对于船舶的速度远远大于船舶伴流特别是艉部伴流的速度。这就形成了一种射流现象。射流所具有的能量最终消散在船舶的尾流中。不仅如此，射流还会使船舶的艉部流场恶化，使兴波阻力增加。
另外，船舶在前进时，艏部增压兴波而艉部减压兴波，如果是后退，情形正好相反。现有的技术是，船舶的艏艉受压面用管道来沟通，用以降低压差，减少兴波阻力；还可以在此管道中设置水泵，用于主动降低压差，进一步减少兴波阻力。广义地说，这也是一种导流推进系统，可以叫作艏艉导流推进系统。由于艏艉压差以及水泵增压的作用，水流通过此管道后就形成了射流现象。这些具有较高能量的射流，如果直接进入船舶的艉部伴流，那么也存在着跟喷水推进系统的射流一样的问题；如果是进入后面的螺旋桨或泵轮，那么这部分能量不仅没有得到回收或利用，而且会导致推进负荷的下降以及推进效率的降低。
这里引进了一个船舶导流推进系统的概念。具体地说，喷水推进系统是一种常规的船舶导流推进系统，也是一种广泛应用的比较成熟的现有技术；而艏艉导流推进系统是一种理想的船舶导流推进系统，也是一种主要处于理论和实验阶段的有待于进一步完善的船舶推进技术。如果艏艉导流推进系统是独立存在的，或者说它的后面没有螺旋桨或泵轮，那么当它本身装有水泵时，这就是一种导流主推进系统；如果它没有水泵，那么它就是一种导流辅助推进系统。艏艉导流推进系统的后面如果有螺旋桨，那么它就是一种导流子推进系统，它和螺旋桨等一起构成了船舶的导流混合推进系统；如果后面有泵轮，那么它也是一种导流子推进系统，它和喷水推进系统一起构成了导流复合推进系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，现有的船舶推进技术特别是导流推进技术存在着射流问题。如果不能回收或利用射流的能量或者降低射流的速度，那么船舶的推进效率或者说导流推进系统效率的提升就遇到了难以突破的瓶颈。
为了解决在现有技术中存在的上述射流问题，本发明是采用下述技术方案来实现的：船舶导流推进系统的混流装置，主要由射流管、伴流管和混流管这三部分组成，其中射流管的喷口和伴流管的出口与混流管相连通，伴流管的进口在射流管的侧面，射流管的横截面小于混流管的横截面。
本发明还具有以下技术特征：
所述射流管的喷口可以是常规的直平端面，由于射流的卷吸作用在直平端面附近产生了真空，使伴流产生了冲击射流的诱导速度，同时也产生了涡旋，混流效果较好；或者射流管的喷口是由外到内的流线端面，即喷口的外管面向内管面呈流线状过渡，也使伴流产生了冲击射流的诱导速度，混流效果稍差一些；喷口的端面可以有连通内外管面的沟槽，用以增加湍流强度从而提高混流效果。
所述伴流管的进口开口于船舶的船底或船舷，在水面以下。这样才能充分地利用船舶的伴流。
所述伴流管的进口是或者近似是长方形或椭圆形，并且其长轴在船舶伴流的方向上。这就能够充分利用船舶伴流的相对速度，降低伴流管的进口的局部阻力。
所述伴流管的进口具有格栅，起过滤作用，以防止异物对管道的阻塞或损害。
所述伴流管的进口部分是喇叭口，呈流线状，向船舶伴流的来流方向偏移和延展。这就能够充分利用船舶伴流的相对速度，并且降低伴流管的局部阻力，使伴流管具有较好的水动力性能。
所述伴流管具有弯管，弯管的出口与混流管的进口相连通。射流管穿过伴流管的弯管的管壁，伴流管和混流管以射流管的喷口为界。伴流管的弯管具有导向和整流作用。船舶的伴流从伴流管的进口进入后，就成了射流的伴流。伴流在流出伴流管的弯管的出口后，就能够在射流管的喷口周围与射流进行充分的接触，提高了混流的效果。
所述伴流管的出口开口于混流管的管壁，射流管穿过混流管的封闭端面或其附近的混流管的管壁。在这种情况下，射流和伴流的接触是不均匀和不充分的，但是伴流对射流有冲击作用，混流效果稍差一些。它的缺点是能量损耗或者压差损失较大，而且混流管的流量较小。
所述混流管的出口部分是喇叭口，呈流线状，使混合水流产生径向的诱导速度，可以用来改善船舶的艉部流场，会得到更好的推进效率。
所述混流管的喇叭口中有分流体，呈流线状，用支架固定在混流管的管壁上。它的支架的横截面也是流线状的，以减小阻力。分流体本身可以是不对称的，它的位置也可以是不对称的，要与喇叭口相配合。它的作用是使混合水流的速度更均匀，使混合水流的流量在其周向进行分配，使混合水流产生径向的引导速度，并在水流倒流时起到格栅的作用。所以说，混流管的喇叭口中的分流体可以使混流的效果更好，使船舶的艉部流场进一步改善。
所述混流管，相对于射流管的中心线在伴流管的进口的对侧方向上偏转，它的偏转角度小于进入混流管的伴流的流向相对于射流管的中心线的角度。这样不仅能够更好地利用伴流所具有的速度和能量，用以减少能量的损耗和改善艉部的流场，而且有利于螺旋桨或泵轮的传动轴等的布置。
所述射流管的喷口的端面向混流管的偏转方向偏斜。这样就使混流作用在这一侧先开始并得到加强，使射流向这一侧偏转，用以减少射流对管壁的冲击，可以达到更好的混流效果。
所述混流管的出口，在其后有螺旋桨或泵轮的时候，整个混流装置的结构和布置要更复杂一些。一般来说，螺旋桨或泵轮都需要传动轴来传动，因而传动轴的走向和布置就要影响到混流装置的结构和布置。如果传动轴通过射流管或者伴流管，那么混流装置的结构将复杂化，所需的动力设备等也难以布置，而且使射流管或者伴流管的局部阻力加大，水动力性能变差。如果传动轴只是通过混流管，那么不仅使混流装置的结构和布置相对简化，而且使混流和减速的效果更好。螺旋桨或泵轮的传动轴及其轴管从混流管的管壁穿过，轴管在混流管的管壁上固定住并密封好，传动轴从混流管的出口伸出，在传动轴的末端安装有螺旋桨或泵轮。传动轴的中心线与混流管的中心线是成一定角度相交的，相交于螺旋桨或泵轮的前面。传动轴的中心线与射流管的中心线往往是平行的，所以它们要离开一定距离；当然，这两条线也可以有一定的交角，但是交角越大效率越差。
所述伴流管可以有多套，分布在射流管的周围。这些伴流管可以有共同的整流部分，整流部分的出口再与混流管的进口相连通，混流效果较好。或者是，这些伴流管直接在射流管的喷口周围与混流管分别连通，混流效果稍差一些。
在上述技术方案中，通过射流管及其喷口而进入混流腔的射流是具有较高能量的水；而通过伴流管的进口进入伴流管的伴流是没有能量或者是有较低能量的水，这部分水经过伴流管的导向和整流作用也进入了混流腔。在混流腔里，经过卷吸、冲击、剪切、粘滞、涡旋以及整流等复杂的相互作用过程，这两部分不同能量的水得到充分混合，其中原来的射流经过能量的传递和消耗已经使其速度大大降低，而原来的伴流由于获得了能量而提高了速度。混合水流的速度是比较均匀的，相对于原来的射流的速度也是比较低的。
上述技术方案的有益效果是，通过混流装置的水流与通过喷口的水流相比，速度降低而流量提高，因而改善了船舶的艉部流场，降低了艉部的兴波阻力；或者是改善了螺旋桨或泵轮前的流场，提高了推进效率，同时也降低了空泡和水击的危害；由于伴流管吸入水流，在伴流管的进口外侧的水流就产生了诱导速度，进而转化成诱导压力，这种诱导速度或诱导压力可以用来进一步改善船舶的艉部流场，降低艉部的兴波阻力。所以说船舶导流推进系统的混流装置对推进效率的提升，不仅体现在增加推力方面，而且体现在改善流场方面。这样一来，通过在船舶导流推进系统中增加上述混流装置就解决了射流现象所导致的推进效率难以大幅度提升的问题。它使在船舶推进过程中所产生的射流现象化害为利，同时减小了兴波的危害以及船舶的尾迹和噪声。
附图说明
图1是喷水推进系统后部的混流装置的纵剖图。
图2是螺旋桨或泵轮前的混流装置的纵剖图。
图中符号代表的意义：1、射流管，1.1、射流管的的喷口，2、伴流管，2.1、伴流管的进口，2.2、伴流管的喇叭口，2.3、伴流管的弯管，3、混流管，3.1混流管的混流部分，3.2混流管的喇叭口，3.3混流管的出口，3.4、混流腔，3.5、分流体，4、螺旋桨或泵轮、5、传动轴，6、轴管。
具体实施
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示，喷水推进系统后部的混流装置主要是由射流管1、伴流管2和混流管3三部分组成的。这相当于把喷水推进系统的喷水管升级为混流装置。其中，这个混流装置的射流管1就相当于原来的喷水管；伴流管2包括伴流管的喇叭口2.2和伴流管的弯管2.3；混流管3包括混流管的混流部分3.1和混流管的喇叭口3.2，在混流管的喇叭口3.2中有分流体3.5及其支架。
在喷水推进系统的推进泵正向启动的瞬间，正压差从推进泵经射流管1传递到混流腔3.4，混流腔3.4里的水在正压差的作用下产生流向混流管的出口3.3的诱导速度，也产生流向伴流管的进口2.1的诱导速度。同时水流从射流管的喷口1.1中涌出，形成了射流。射流加大了从混流腔3.4到混流管的出口3.3的水流速度。在射流的卷吸作用下，在射流管的喷口1.1的周围的混流腔3.4里产生负压差。这个负压差，使射流减速，或者说射流消耗一部分能量而产生了负压差。这个负压差取代了正压差，产生了从伴流管的进口2.1到混流腔3.4的诱导速度。这就形成了射流的伴流。射流和伴流在混流腔3.4里共同作用，达到了较好的混流效果。所以说喷水推进系统后部的混流装置，不仅降低了原来射流的速度，而且提高了推进系统的流量，有利于改善船舶的艉部流场和降低艉部的兴波阻力；在伴流管的进口2.1的外侧产生的诱导速度及诱导压力，也可以用于进一步改善艉部流场和提高推进效率。
在喷水推进系统的推进泵反向启动的时候，负压差从推进泵经射流管1传递到混流腔3.4，混流管的出口3.3附近的水产生流向混流腔3.4的诱导速度，伴流管的进口2.1附近的水也产生流向混流腔3.4的诱导速度。当混流腔3.4里的水从射流管1的的喷口1.1进入时，混流管的出口3.3附近的水就顺畅地流向混流腔3.4；而伴流管的进口2.1附近的水在流入射流管的喷口1.1时，主要因为局部阻力的阻塞作用，流速和流量都要小得多。船舶倒退的速度越来越快，这种差别就越来越大，以至于伴流管2里的水流发生了逆转而有了从混流腔3.4到伴流管的进口2.1的速度。所以说，在船舶倒退时，喷水推进系统后部的混流装置基本上没有恶化艉部的流场，甚至还有了改善。
实施例二
如图2所示，螺旋桨或泵轮前的混流装置主要是由射流管1、伴流管2和混流管3三部分组成的。其中，射流管1就相当于原来的喷水管；伴流管2包括伴流管的喇叭口2.2和伴流管的弯管2.3；混流管3主要是混流管的混流部分3.1。混流管3相对于射流管1的中心线在伴流管的进口2.1的对侧方向偏转，它的偏转角度小于进入混流管3的伴流的流向相对于射流管1的中心线的角度。射流管的喷口1.1的端面向混流管3的偏转方向偏斜。
混流管的出口3.3的后面有螺旋桨或泵轮4。螺旋桨或泵轮4的传动轴5通过混流管3，不仅使混流装置的结构和布置相对简化，而且使混流和减速的效果更好。传动轴5在穿过混流管3的管壁、混流腔3.4和混流管的出口3.3后，再固定连接螺旋桨或泵轮4。传动轴5的中心线与射流管1的中心线是平行的，所以它们要离开一定距离。传动轴5的中心线与混流管3的中心线则是成一定角度相交的，相交于螺旋桨或泵轮4的前面。
传动轴5穿过混流管3的管壁时，存在着一个混流腔3.4的密封问题。其解决办法是，首先将轴管6从混流管3的管壁上穿过，将两者固定住并密封好，然后将传动轴5从轴管6中穿过，传动轴5用轴管6两端的轴承相对于轴管6来定位，轴承的外侧有油封，靠近螺旋桨或者泵轮4一侧的油封的外侧还有水封，油封和水封之间有引流管。轴管6可长可短，长是指轴管6延伸到混流管的出口3.3的外侧，轴管6就需要轴管支架来加固；短是指仅在混流管3的管壁附近有一小段，传动轴5还需要轴支架来定位；不长不短是指轴管6还未伸出混流管的出口3.3，轴管6需要轴管支架来加固而传动轴5需要轴支架来定位。轴管6在混流管外侧的部分较长时，也需要轴管支架来加固。
当螺旋桨或泵轮4正向启动的瞬间，螺旋桨或泵轮4的前面产生负压差。负压差传递到混流腔3.4，使射流管1里的水产生了流向混流腔3.4的诱导速度，也使伴流管的进口2.1附近的水产生了流向混流腔3.4的诱导速度。当射流管的喷口1.1有射流产生时，在其外侧的混流腔3.4里就增加了一些负压差。这些负压差使从伴流管的进口2.1到混流腔3.4的诱导速度进一步增加，形成了更大的伴流。射流和伴流在混流腔3.4里共同作用，达到了较好的混流效果。在螺旋桨或泵轮4前的船舶导流推进系统的混流装置，不仅降低了原来射流的速度，而且提高了推进系统的流量，有利于改善螺旋桨或泵轮4前的流场，提高了推进效率。在伴流管的进口2.1外侧的水流所产生的诱导速度或诱导压力可以用来进一步改善船舶的艉部流场，降低艉部的兴波阻力。
当螺旋桨或者泵轮4反向启动时，螺旋桨或者泵轮4的前面产生正压差。正压差传递到混流腔3.4，使混流腔3.4里的水产生流向伴流管的进口2.1的诱导速度，也产生流向射流管1的诱导速度。混流腔3.4里的水，有些沿着伴流管2从伴流管的进口2.1向斜下流出，同时产生了向斜上的推力；有些进入射流管1，如果再从艏部流出，那么不仅产生了推力，而且改善了艏部的流场，降低了兴波阻力。
由于伴流管的进口1.1距离螺旋桨或泵轮4相对来说比较近，也由于伴流管2的水动力性能比较好，当螺旋桨或泵轮4正向启动或加速的瞬间，伴流管2及其伴流的存在能够有效地降低了螺旋桨或泵轮4前的压降的幅度和速度。这就减少了空泡的发生，也就减小了空泡的危害。当螺旋桨或泵轮4正向减速、停止或反转的瞬间，就会有水击现象发生，只是水击的强度依次加大。由于伴流管2和混流管3比较短，其本身的水击效应就比较弱，而且还可以大大缓解由射流管1及其前面的管道引起的水击效应。所以说，船舶导流推进系统的混流装置对螺旋桨或泵轮4前的流场的改善，不仅体现在推进效率的提高上，而且减小了空泡和水击的危害。

Claims (10)

1.船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：由射流管、伴流管和混流管这三部分组成，其中射流管的喷口和伴流管的出口与混流管相连通，伴流管的进口在射流管的侧面，射流管的横截面小于混流管的横截面。
2.如权利要求1所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：伴流管具有弯管，弯管的出口与混流管的进口相连通，射流管穿过弯管的管壁，伴流管和混流管以射流管的喷口为界。
3.如权利要求1所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：伴流管的出口开口于混流管的管壁，射流管穿过混流管的封闭端面或其附近的混流管的管壁。
4.如权利要求1、2或3所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：射流管的喷口的端面有连通其内外管面的沟槽。
5.如权利要求1、2或3所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：伴流管的进口部分是喇叭口，呈流线状，向船舶前进时的船舶伴流的来流方向偏移和延展。
6.如权利要求1、2或3所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：混流管的出口部分是喇叭口，呈流线状。
7.如权利要求1、2或3所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：相对于射流管的中心线，混流管向伴流管的进口的对侧偏转，它的偏转角度小于伴流在进入混流管时的流向相对于射流管的中心线的角度。
8.如权利要求7所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：射流管的喷口的端面向混流管的偏转方向偏斜。
9.如权利要求7所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：螺旋桨或泵轮的传动轴及其轴管从混流管的管壁穿过，轴管在混流管的管壁上固定住并密封好，传动轴穿过轴管，传动轴用轴承相对于轴管来定位，轴承的外侧有油封以及水封等密封措施，传动轴从混流管的出口伸出，在传动轴的末端安装有螺旋桨或者泵轮。
10.如权利要求6所述的船舶导流推进系统的混流装置，其特征是：在混流管的喇叭口中有分流体，呈流线状，用支架固定在混流管的管壁上。
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