CN102046461B - 海下交通工具的十字形尾部控制表面 - Google Patents

Abstract

本发明的海下交通工具的十字形尾部控制表面包括水平突出部(1)和竖直上下突出部(2)，即稳定翼，所述水平和竖直上下突出部具有固定前部和可动尾部，其中半环(6)安装在水平稳定翼(1)和上部竖直稳定翼(2)的固定前部上，所述半环(6)具有翼状横截面和沿半环(6)的周边的可变横截面操纵角，所述翼状横截面具有可变弦长，其中所述操纵角根据入射流的局部冲击角选择，并且在稳定翼(1，2)上安装所述半环(6)的位置处的半径等于安装半环(6)的区域中的海下交通工具外壳(3)的半径的1.2-1.3倍。

Description

海下交通工具的十字形尾部控制表面

技术领域

本发明大体上涉及造船领域并且涉及海下交通工具(以下简称UV)的尾部控制表面的结构设计，所述表面用于维持海下交通工具的稳定性和可控性。

背景技术

现在，出于改善在例如巡洋舰上的生活条件的目的，对船舶的振动和噪声水平的要求变得更加严格，并且提高了各种设备的操作可靠性，所述设备包括在渔船和调查船、舰船以及海下交通工具上的水底传播声音的设备，其导致了减少噪音发出的各种方法的发展。

已知运行推进装置例如单轴海下交通工具的螺旋桨的空穴现象和振动声学特性的水平由发生于尾部处的流速场的不均匀性决定。在螺旋桨处的入射流是空间非均匀的并且由于紊流脉动的存在导致不稳定(参见Yu.L.LEVKOVSKY编著的书“螺旋桨噪音”，UDC：629.5.015.6，由A.N.Krylov院士命名的TsNII，第67页，圣彼得堡，2005)。如果尾部端具有接近轴向对称的轮廓，考虑具有来自源的伴随着增长距离的潜在扰动的相当快速衰减，位于螺旋桨盘中的液体流动速率场结构将主要依赖于由粘性效应施加影响的程度。后者要么与特定的位于外壳边界层内的特定发展以及来自于位于突出外壳部分的边界层内的流动能量损耗的粘性液压轨迹相关，要么与位于形成海下交通工具的构造结构元件上的流动导致的自由涡流系统的形成相关。

涡流系统可以作为外壳和特别是那些以冲击角暴露于流动中的突出部分的动作以及在外壳和突出部分上彼此相互作用的边界层的局部空间间隔情形下的结果而形成。在由强正压梯度导致的边界层分离的影响之下，彼此标记为相反的成对的涡流是最重要的，并且表现出支撑马蹄形涡流的自由分支，所述马蹄形涡流出现在邻接外壳的位置的突出部分的前部之前。该间隔区域内的流动参数和支撑涡流的强度主要由横向尺寸以及阻碍物、这里是突出部的形式决定。

与速度场的不均匀度相关的问题可以基于使用特殊附加的涡流生成装置通过生成人工涡流的额外的系统校正涡流扰动来解决，额外附加涡流生成装置用于确保在重新生成的涡流系统以及由初始外壳轮廓和突出部生成的涡流系统之间的相互作用。这导致在尾部区域内(在螺旋桨盘的平面内)平滑化所产生的速度场的圆周不均匀性的程度决定了推进器运行的条件。

众所周知，涡流发生器是小长度的小翼，其以一定的冲击角设置在UV的外壳的表面上(参见：作者为P.Chzhen“流分离的控制”，米尔出版社，莫斯科，1979，第200-304页)。位于螺旋桨盘内的速度场不均匀结构的这种处理方法的缺点(其中该结构最初由外壳轮廓和遵循其他普通设计条件的突出部的结合决定)是由其损伤的高可能性导致的已安装的涡流发生器的不良操作可靠性，其中所述损伤由其连接到外壳的悬臂以及由其特定的几何形状和设计决定的其自身的声发射衰减的必要性导致。

粘性的轨迹总是导致位于包括螺旋桨盘在内的其定位位置处的纵向速度的减小，并且自由纵向涡流随后继续靠近外壳表面在流动方向延伸很大的距离。纵向马蹄形涡流的出现引起接近潜在扰动的横向扰动，并且具有位于主纵向流动的动作的复杂机理。已经出现的马蹄形涡流的动作的机理以边界层到直接沿着纵向速度最高梯度线的扰动的高灵敏度为基础，并且在于位于衰减的外壳边界层的邻近壁区域和流动速率仅仅略微不同于外部潜在的流动的外壳周边之间定向的质量传递。这里边界层实现将甚至非常弱的横向涡流扰动转化为纵向速度轮廓的相对强的变化的有效变换器的功能，其在速度区域内变得更强烈，在速度区域内扰动直接从边界层周边到外壳表面。当涡流从远离其起点的位置移动到尾部时所述效应变得更强并且所述效应在位于海下交通工具的尾部内的厚边界层内最强。作为所有轨迹和自由涡流(其通过外壳和在多个突出部之间从外壳和多个突出部移动到螺旋桨)的相互作用的结果，纵向速度场的真实不均匀性结构是相当复杂的(A.I.Korotky，V.M.Kotlovich，N.A.Koltsova，V.A.Tyushkevich“海下交通工具定位范围的推进器内的介质和脉动速度场的优化问题”，俄国舰队和海军以及造船300周年纪念国际会议学报，A部，A2分部，流体力学，第2卷，第A2-11-1页至A2-11-11页，圣彼得堡，以A.N.Krylov院士命名的TsNII，1996)。位于螺旋桨盘内的速度场的圆周不均匀性由具有设计和操作性质的因素的整个集合引起，这导致不可避免的来自于轴向对称流的偏差。

不同类型的控制表面是已知的。最普通的是十字形控制表面，主要具有突出部分-稳定翼位于正交平面内。该类型的控制表面用于核潜艇“Nautilus(美国)、Skipjack(美国)、971设计核潜艇(苏联)”。其出现在技术军事文选“Taifun”，第2期，2002，“潜水艇构造发展中的趋势”，作者B.F.Dronov，技术科学院候选人，SPMBM“Malakhit”。

一些已知类型的尾部控制表面也出现在教育辅助刊物“潜水艇的构造”，其由圣彼得堡州船舶技术大学出版，1997，作者为B.F.Dronov，A.M.Antonov等，第16、17、23、45页，图9a)。对俄罗斯UV来说最普通的是十字形控制表面。在以上教育辅助刊物第45页图9a中出现的控制表面是形成于UV外壳上并位于正交平面内的尾部突出部。这些突出部满足流体动力学的要求并且目的是确保可控性以及所需的UV的动态稳定性。在设计上，其实现是由于在UV尾部端设置稳定翼，该稳定翼稳定了由外壳产生的翼阻尼倾覆力矩。

稳定翼被制成翼状形式，其被设置在尾部的最远端。在所述教育辅助刊物第45页图9a中出现的尾部控制表面被认为是最接近的类似技术方案。UV外壳的所有突出部是导致发生于UV螺旋桨处的流速场不均匀性的涡流源。

尾部控制表面也是发生于螺旋桨处的流动不均匀性和涡流扰动的根源，这增大了噪声的发出以及空穴现象的水平和振动声学特征。

发明内容

本发明的目的是为了通过降低发生于尾部控制表面和UV螺旋桨处的流速场的圆周不均匀性来降低尾部控制表面和整个UV的噪声发出以及空穴现象和振动声学特性的水平。

根据本发明，该目的通过将半环(涡流发生器)增加至包括水平和竖直的上下突出部-稳定翼的已知尾部控制表面实现，所述水平和竖直的上下突出部包括固定前部和可动尾部，所述水平和竖直的上下突出部为尾部水平和竖直舵，所述半环(涡流发生器)具有翼状横截面和沿着半环周边的可变横截面设置角(安装角)，并设置在水平稳定翼和竖直稳定翼的固定前部上，所述翼状横截面具有可变弦长。半环设置角根据入射流的冲击角选择，并且位于稳定翼上的所述半环的设置位置的半径对应于在半环设置区域中的海下交通工具外壳的半径的1.2-1.3倍，所术区域对应于最大程度的入射流不均匀性区域。

此外，半环由金属制成为中空铸焊制品，其中其空腔填充有复合材料。

此外，该半环制造成两个金属部件、即上部件和下部件的形式，上部件和下部件利用紧固件连接，并且在上部件和下部件之间布置有具有大约0.5毫米厚的消振薄膜。

除了用于当在无限液体中移动时确保稳定性和可控性的在海下交通工具中使用的尾部控制表面的主要功能外，所提出的技术方案还执行额外的平衡在尾部控制表面和螺旋桨处发生的流速场的最初不均匀性的功能，其中在尾部控制表面和螺旋桨处的所述不均匀性的出现归因于尾部控制表面的突出部分的影响以及归因于由来自于最大的突出部、即可伸缩装置的防护件的马蹄形涡流引起的流动不均匀性最大分量的影响。其实现是由于通过半环产生的与来自于稳定翼和UV外壳的其他突出部的主涡流相反的附加、人造涡流系统，这确保了速度场的平衡并使尾部控制表面和整个UV的噪声水平和振动声学背景降低。

将半环形成为其空腔内填充有复合材料的中空铸焊制品能够减小由尾部控制表面产生的噪声发出和振动。

将半环制造成在他们之间具有消振薄膜的相互连接的上下部分的形式能够减小尾部控制表面的噪声水平和振动强度。

附图说明

进一步参考附图解释本发明，其中：

图1示出了具有十字形尾部控制表面的单轴UV的尾部端的总体图，并有条件地示出了来自于可伸缩装置的防护件的马蹄形涡流。

图2是沿图1中的箭头A观察的视图。

图3是图1的A-A横截面(半环-环形翼的金属结构的第一实施例)。

图4是图1的A-A横截面(半环-环形翼的金属结构的第二实施例)。

具体实施方式

单轴UV的尾部控制表面包括水平突出部1以及竖直上下突出部2-稳定翼，其在螺旋桨4之前形成于海下交通工具的外壳3的尾部部分上。稳定翼1和2具有固定前部和可动尾部。用于可伸缩装置的防护件5被形成于UV外壳3的尾部部分中。图1有条件地示出了由用于可伸缩装置的防护件5产生的马蹄形涡流。具有带有可变弦长的翼状形式(图3)的横截面和沿半环周边的可变设置角α_设置的半环6(涡流发生器)设置在尾部水平和竖直舵(未示出)的固定部上。半环的半径且因此其在稳定翼上的固定位置的半径对应于设置半环的区域中的海下交通工具外壳的半径的1.2-1.3倍，在所述区域处可观察到入射流的最大不均匀性。半环横截面的设置角α_设置根据入射流的局部冲击角选择。

为了降低受到以不同漂移角和冲击角入射的非均匀流的影响的半环6的振动活性，半环6结构的两个不同实施例被提出。

根据第一实施例(图3)，半环结构的基础是形成内腔8的铸焊中空金属制品7，为了减小平衡流动不均匀性的半环6的振动活性，内腔8填充有复合材料9。

根据第二实施例(图4)的半环结构由两个金属部件、即上部件10和下部件11构成。半环的两个部件利用栓12连接，所述栓12穿过具有大约0.5毫米的厚度的中间消振薄膜13。

使用穿过所述消振薄膜的紧固件，半环6的端部附接到尾部控制表面的竖直和水平稳定翼1和2的固定前部上。

半环6通过产生涡流确保入射到尾部控制表面和螺旋桨4的入射流的结构的校正，因此有助于降低不均匀性并且因此减小噪声和振动声学背景，其中半环6产生的涡流与由用于位于UV外壳3上的可伸缩防护件5的存在引起的马蹄形涡流4(图1)相互作用。

同时，由于其在所述入射流中的出现，稳定翼1、2的固定前部上的半环6的结构的固定确保了牵引阻力增长的最大程度的减小。而且，位于尾部水平和竖直舵(未示出)之前的平衡流动不均匀性的半环6的配置确保了处于先前水平(在设置作为涡流生成装置的半环之前)的控制和操作特性的维持。

本发明使用用于平衡在单轴海下交通工具的螺旋桨盘中速度场的不均匀性的半环型装置。由于速度场的不均匀性的最大分量取决于来自外壳3和通过用于可伸缩装置的防护件5(图1)呈现在海下交通工具中的最大突出部之间的界面的马蹄形涡流的存在，所述马蹄形涡流作仅作用在螺旋桨盘的上半部分的速度场上。因此，半环6设置在尾部控制表面的上半部分中。

如有必要控制螺旋桨盘的下半部分中的速度场的不均匀性，类似的半环装置可以设置在尾部十字形控制表面的水平稳定翼和下竖直稳定翼上，并且关于该区域中的初始不均匀性的特定特征的这种装置的几何形状应当被发展。

半环6的轮廓和几何参数的圆周分布基于实验性的流体动力学的发展被选择，以用于各种特定情况。

半环6的半径R(其相对于外壳设定半环位置)这样选择，以使得半环被设置在马蹄形涡流4的中心区域内(图1)，该半径R对应于在设置半环以及入射流的最大不均匀性可以观察到的区域处的海下交通工具的半径的1.2-1.3倍。

由角坐标9设定的用于半环横截面的设置角α_设置根据相应的入射流的冲击角确定。

当该装置伴随着半环6(涡流发生器)的使用工作时，产生附加的涡流系统，其同时与由尾部控制表面自身和外壳的其他突出部分(防护件5)产生的最初涡流系统相互作用，从而导致平衡了速度场并因此减小了尾部十字形表面和整个UV的噪声发出和振动。

半环在竖直和水平控制表面的前部区域中的配置有助于用于校正速度场的目的的效率最大值的获得，其不仅用于减小由最大突出部分、即可伸缩装置的防护件的影响而引起的流动不均匀性，而且用于通过形成在半环的周边上的附加、人造涡流系统的产生减小来自于尾部控制表面的马蹄形涡流和粘性轨迹的影响。

执行涡流产生装置功能的半环的参数和几何形状由其相对于外壳和控制表面的位置、设置角(安装角)、横截面弦长、轮廓曲率以及固定其与海下交通工具的轴线之间的距离的半环直径确定。半环(半环翼)的经向或子午线横截面的轮廓以入射到半环上的流体流的冲击角定位。半环横截面的曲率确保前缘上的无冲击流动。

出于由海下交通工具的整个构造的组成以及由在模拟实验期间获得的其草案的发展质量确定的最初流动不均匀性，半环结构要素(横截面的形状、轮廓弦长和设置角)以及半环相对于UV外壳的位置(该位置由半环直径设定)针对各种特定情况被独立地选择。执行涡流产生装置功能的半环的特定特征在于其结构参数(设置角、横截面弦长、横截面轮廓曲率、由半环直径设定的相对于壳体的位置)值的可变性，因为考虑到类似于任何突出部的存在的控制表面的影响导致速度场的不均匀性的增加的必要性。

已经提出的用于UV的具有平衡入射流的速度场的不均匀性的半环的尾部控制表面的技术方案确保了螺旋桨盘内的速度场不均匀性的降低，该速度场在围绕可伸缩装置防护件和尾部控制表面的流体流的影响下形成，其中所述半环设置在稳定翼上并具有可变的结构参数值。螺旋桨盘内的速度场不均度的减小有助于螺旋桨制动的脉动的减少并确保在第一叶片速度下其声发射水平降低至4-5分贝。此外，由于不需要用于将半环(涡流发生器)附接到外壳上的特殊支撑件，拖拽阻力的增长以及相应的交通工具速度的损失将是可忽略的。

Claims (3)

1.一种海下交通工具的尾部十字形控制表面，包括水平突出部稳定翼（1）和竖直上下突出部稳定翼（2），所述水平和竖直上下突出部具有固定前部和固定尾部，其特征在于，半环（6）被设置在水平稳定翼和上竖直稳定翼的固定前部上，其中所述半环具有翼状横截面和沿半环周边的可变横截面设置角，所述翼状横截面具有可变弦长，半环设置角根据入射流的局部冲击角选择，并且位于稳定翼（1，2）上的所述半环（6）的设置位置的半径对应于半环（6）的设置区域中的海下交通工具外壳的半径的1.2-1.3倍。

2.如权利要求1所述的海下交通工具的尾部十字形控制表面，其特征在于，所述半环（6）由金属制成为中空铸焊制品（7，8），并且其空腔填充有复合材料（9）。

3.如权利要求1所述的海下交通工具的尾部十字形控制表面，其特征在于，所述半环（6）制成为两个金属部件：上部件（10）和下部件（11），所述上部件和所述下部件通过栓（12）连接，并且在所述上部件（10）和所述下部件（11）之间设有消振薄膜（13），所述薄膜具有大约0.5毫米的厚度。

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