CN1019961C - 船舶大径深比推进流场艉型及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种流场船艉，该船艉不同于普通船艉而是一种把艉型和螺旋桨、船舵结合考虑以使其形状能产生适合螺旋桨工作的流场，在增大桨盘面后仍能有效工作，并能增大来流以提高螺旋桨工作效率。该流场艉型特别适用于线吃水船只，可与导管螺旋桨或非导管螺旋桨配合使用，无需增加船舶主机功率即可改进航行能力。

Description

本发明涉及船舶流场艉型，适用于沿海海域，长江、湖泊及各内河水域的机动船舶和各种渔业船舶，特别适合于浅水域的浅吃水及超线吃水的中、重负荷，单、双螺旋桨推进的船舶。

现有浅水域用各种浅吃水船舶的艉型是从减小阻力的角度去孤立地设计成形，而螺旋桨则孤立地从提高其敞水效率来分析选择参数，二者分别单独处理后再考虑二者的影响，预测其基本性能，即认为螺旋桨在船艉流场中单独工作，船艉流场只是单船与单桨流场的简单迭加。因此，现有船舶艉型孤立地从减少船舶阻力的角度考虑而完全忽略了对推进的影响，而按螺旋桨敞水状况，决定的参数又忽略船体形状的存在。这就导致推进效率不高，船舶操纵能力变差，特别是浅水域浅吃水的船舶尤为严重。而我国天然河流水深的流域有限，沿海水域大部分也系浅水水域，因此提高浅吃水机动船舶的推进能力和操纵功能，突破常规的设计方法具有特别重大的意义。国外曾采用平直型或流线型，国内多采用流线型，但都不能提出根本性的突破。因此，本发明针对浅水域浅吃水及超浅吃水机动船舶推进与操纵中存在的低效率等种种问题，提出将船艉型与推进、操纵的要求作为整体进行设计以提高速度和推进力，而不是以增大主机的容量来达到此目的。并且使船艉的形状能造成有利于螺旋桨充分发挥效率，有利于改善船舶操纵性能，使得在最不利的情况下螺旋桨叶片部分露出水面时，由于船艉造成的有利流场该船舶的推进和操纵性也能大为改善。这是因为采用本发明提出的船艉形成的流场能在桨盘前方形 成较强的收缩流束，使盘面增大了的螺旋桨在较轻负荷的情况下也能吸入水流，排除滞溜在艉部隧道中的（水面以上的）空气，充分保证螺旋桨工作时需要的水流，从而达到使船艉型适应螺旋桨推进与操纵的需要，本发明提出的船艉型可能会增大阻力，但它造成的与螺旋桨相匹配的流场将改善操纵功能并大幅度提高推进效率，其总收益远大于阻力的增加。

本发明提出的船舶艉型是将船艉型与推进、操纵结合考虑设计成形的，并使设计的船艉型所形成的流场的速度与压力分布使之满足以增大螺旋桨盘面积、增大尾流截面积、造成均匀伴流等途径以提高推进效率的船舶推进器动量理论的要求。以使螺旋桨露出水面时仍能高效地运转。船艉形状设计成能在螺旋桨前方造成一种流束，起收缩水流的作用以增加桨前来流速度，并且艉型所造成的流束尽量使其旋转有利于对螺旋桨周向诱导速度的利用。在螺旋桨后方继续形成连续的去流流束，去流角应尽量小，对封闭式艉端去流角在14°以下，为减少去流角本发明可用于开式艉端，即艉端不封闭，而在艉端设一铰接的流线型活动罩板，在其结合艉端部采用橡胶垫片，以延长去流段减少去流角，同时要特别防止空气吸入。

本发明提出的船舶艉型的形状是能使所形成的流束产生较大的而且尽量均匀伴流。

本发明提出的船舶艉型不是单从减少阻力为目的而确定其形状，而是一种把艉型和螺旋桨、船舵结合考虑以使形成的船艉流场的速度和压力分布满足船的推进器动量理论中推进效率表达式中以增大桨盘面积A，增大来流V而提高推进效率η的理论要求的艉型。

所述推进效率表达式为：

${\eta }_{\mathrm{A\; i}}=\frac{2}{\mathrm{1\; +}\sqrt{\mathrm{1\; +\; \sigma \; ＇\; T}}}$

其中

η_Ai-理想推进效率;

T_i-推力;

ρ-水密度;

A_o-螺旋桨盘面积;

V_A-桨前方来流。

在以往的船舶设计中不能实现在增大桨盘面积A时，又使来流V增大。而本发明把螺旋桨动量原理引入船舶艉型设计后，得到的大径深比推进流场艉型则产生了这样的结果。

本发明提出的船舶艉型基本形式是这样的：艉型纵向各部位的横剖面的轮廓形状呈近似拱形，在螺旋桨所在区域具有园孤形顶端，随着前后远离螺旋桨处的艉型横剖面形状的顶端园孤渐趋平缓，拱形高度也随之下降，各横剖面轮廓形状的两侧光滑地与平直的船侧面过渡连接，各横剖面轮廓形状的拱形跨度是不同的，桨面前方较宽，渐近桨盘面而逐渐减小，从桨盘面处向后方又逐渐增大，艉型纵剖面轮廓形状为能起半导流管作用并能形成向船艉收缩旋转的流束的隧道状。

也就是说，本发明提出一种船舶新艉型的设计方法，其特征是，该设计方法为艉型设计与螺旋浆、舵流体特性相结合，通过螺旋浆处来流和去流场控制，形成船艉部流线收缩与预旋，以加大螺旋浆前方来流速度，同时增大螺旋浆盘面积，特别是，增大螺旋浆盘面积使螺旋浆超出船舶吃水线以上（D/T≤1.4，D-螺旋浆直径，T-船舶吃水）仍保持高推进效率。

本发明还提出一种船舶新艉型，其特征是，该艉型的基本形式为：由船艉端至船底线隧道状拱起的起升点的长度L₁的范围为船舶水线长度L_WL的30%-60%之间，起升角θ₁为13°-25°，其隧道最大拱高处（即螺旋浆所处位置）距船艉端长度L₂为一至二个螺旋浆直径，从最大拱高处向艉端平缓过渡，去流角θ₂≤14°，在船艉端处，闭式艉端在船舶吃水线以下的沉深量△d′≥0.1米，开式艉端在船舶吃水线以上的高出量△d≥0.05米。

船舶艉部横剖面形状为既能在螺旋浆前方使水流收缩以形成均匀预于流束，又能在螺旋浆后方使流束适度均匀扩散的不对称拱型，在螺旋浆处，船艉横、纵剖面的高度最大，最高点为船舶吃水线以下至船舶吃水线以上，选取高度值能控制该部位流体存量与流进流出量并使螺旋浆直径与船舶吃水比D/T≤1.4，船艉横剖面船侧部位下沉以使螺旋浆前方不吸入空气，其下沉值△ds≥0.2米。

3.根据权利要求2所述船舶艉型，其特征是，该船舶艉型可为开式隧道状艉型，为保持正倒航能力，在艉端加装特制龟盖型罩板。

图1是本发明提出的双螺旋桨流场艉型纵剖面轮廓形状示意图;

图2是相对图1的各纵向位置所作的流场艉型横剖面轮廓形状示意图;

图3是本发明提出的单螺旋桨流场艉型纵剖面轮廓形状示意图;

图4是相对图3的各纵向位置所作的流场艉型横剖面轮廓形状示意图;

图5为现有三角线型艉型的纵剖面轮廓形状示意图;

图6是相对图5中各纵向位置所作的现有三角线型艉型的横剖面轮廓形状示意图;

图7为现有折角线艉型的纵剖面轮廓形状示意图;

图8是相对图7中各纵向位置所作的现有折角线艉型的横剖面轮廓形状示意图。

图中A为开式艉端，B为闭式艉端，C为螺旋桨，E为艉端点，h_T为隧道顶线高度，β为分水踵角。结合附图1、2和3、4以及图5、6和7、8，可以看出本发明提出的流场艉型与现有艉型的区别。

本发明提出的船舶艉型的舯后纵向起升角θ₁为20°左右，该角度越小越好。舯后纵向起升角处与船侧向艉部的倾斜均应平缓过渡，避免界层分离产生涡流。这不仅是流场的需要亦是保证充分供给螺旋桨吸流的需要。

本发明提出的船舶艉型其艉端部为能沉入船舶吃水线以下的距离△d′＝0.1米或0.1米以下或能高出船舶吃水线以上的距离△d＝0.05米或0.05米以上两种形式，船侧沉深的边缘△ds＝0.2米以上而沿海水域船舶则应在0.4米以上，这样才能保证不吸入空气。

本发明提出的船舶艉型对于双螺旋桨的，其分水踵β由底部向上方倾斜应为15°左右。

本发明提出的大径深比流场艉型的基本参数范围与符号含意表述如下：（如图1、2和图3、4）

大径深比隧道长度L₁;

船舶水线长度L_WL;

螺旋桨中心线到艉端距离L₂;L₂′;

隧道起升角θ₁;

向艉去流角θ₂;

艉端部沉深△d′;

艉端部高出△d;

艉部船侧沉深△ds;

隧道顶线高度h_T;

船舶吃水d;

螺旋桨直径D。

上述各参数的范围如下：

L₁/L_WL＝0.3-0.6;

D/d＝1.0-1.4;

L₂′＝1D-2D（对于闭式艉端）;

L₂＝1D-1.5D（对于开式艉端）;

θ₁＝13°-25°;

θ₂≤14°;△ds≥0.2米;

△d′对闭式艉端为沉入船舶吃水量应为0.1米，或0.1米以下;

△d对开式艉端为高出船舶吃水量应为0.05米或0.05米以上;

本发明提出的流场艉型可为艉端点露出水面高度△d的开式隧道状或艉端点浸入水面下深度△d′的闭式隧道状，开式隧道状艉型的船舶在倒航时艉部装有艉罩板。

湖北省航运公司鄂航319号推轮采用的本发明提出的流场艉型具体参数如下：

L_WL＝23米，船宽B＝8.0米，D＝1.9米

D＝2.0米，功率Ne＝2×136千瓦

船艉参数：

L₁/L_WL＝0.596，θ₁＝17.5°

θ₂＝11°，L₂′＝3.2米

△d′＝0.1米，△ds＝0.20米

h_T＝2.30米

实船正系柱拉力为7.53吨，倒系柱拉力为6.43吨，推航速度11.26公里/时，推载货量2229吨。

湖南省航运局湘航4208号推轮为导管螺旋桨，采用本发明提出的流场艉型具体参数如下：

L_WL＝23米，船宽B＝7.0米，D＝1.3-1.5米

D＝1.61米，功率Ne＝2×100千瓦

船艉参数：

L₁/L_WL＝0.457，θ₁＝17.3°

θ₂＝6°，L₂＝2.35米

△d＝0.2米-0（系开式船艉），△ds＝0.24米

h_T＝1.74米

实船系柱拉力5.9吨，推航速度10.5公里/时，推载货量1500吨。

四川省航运局川犍12号船系非导流管螺旋桨，采用本发明提出的流场艉型具体参数如下：

L_WL＝26米，船宽B＝5.2米，D＝1.25米

D＝1.5米，功率Ne＝2×110千瓦

船艉参数：

L₁/L_WL＝0.385，θ₁＝14.7°

θ₂＝13°，L₂′＝2.15米

△d′＝0.1米，△ds＝0.2米

h_T＝1.57米

实船正系柱拉力4.3吨，设计航速15公里/时。

拖航速度12.66公里/时，拖力3.1吨，自由航速20.7公里/时。

采用本发明提出的流场艉型，当使用导流管螺旋桨与各类舵组合而用作顶推船队时，与现有普通航队比较其千吨公里运输成本降低40%以上，千吨公里燃料消耗降低40% 以上，就单机推轮而论，航行推力可提高10-25%。当使用非导流管螺旋桨与各类舵组合时，与采用普通船艉比较千吨公里运输成本降低8-15%，千吨公里燃料消耗降低10-17%。舵行时单船推力提高7-17%。

本发明提出的流场船艉与重、中负荷、螺旋桨直径受限制的普通机动船艉的船舶比较，予计千吨公里成本可降低8%，千吨公里燃料消耗可降低10%左右，航行推力可提高5-10%。

Claims (3)

1、一种船舶大径深比推进流场艉型的设计方法，其特征是，该设计方法为艉型设计与螺旋浆、舵流体特性相结合，通过螺旋桨处来流和去流场控制，形成船艉部流线收缩与预旋，以加大螺旋桨前方来流速度，同时增大螺旋浆盘面积，特别是，增大螺旋浆盘面积使螺旋浆超出船舶吃水线以上(D/T≤1.4，D-螺旋浆直径，T-船舶吃水)仍保持高推进效率。

2、一种船舶大径深比推进流场艉型，其特征是，该艉型的基本形式为：由船艉端至船底线隧道状拱起的起升点的长度L₁的范围为船舶水线长度L_WL的30%-60%之间，起升角θ₁为13°-25°，其隧道最大拱高处（即螺旋浆所处位置）距船艉端长度L₂为一至二个螺旋浆直径，从最大拱高处向艉端平缓过渡，去流角θ₂≤14°，在船艉端处，闭式艉端在船舶吃水线以下的沉深量△d′≥0.1米，开式艉端在船舶吃水线以上的高出量△d≥0.05米。

船舶艉部横剖面形状为既能在螺旋浆前方使水流收缩以形成均匀预于流束，又能在螺旋桨后方使流束适度均匀扩散的不对称拱型，在螺旋浆处，船艉横、纵剖面的高度最大，最高点为船舶吃水线以下至船舶吃水线以上，选取高度值能控制该部位流体存量与流进流出量并使螺旋浆直径与船舶吃水比D/T≤1.4，船艉横剖面船侧部位下沉以使螺旋浆前方不吸入空气，其下沉值△ds≥0.2米。

3、根据权利要求2所述的一种船舶大径深比推进流场艉型，其特征是，该船舶艉型可为开式隧道状艉型，为保持正倒航能力，在艉端加装特制龟盖型罩板。

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