CN102467600A - 跨速度域螺桨的设计方法 - Google Patents

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辛敬业
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Abstract

本发明提供一种跨速度域螺桨的设计方法，该方法主要包含有(A)建立跨速度域螺桨的基本造型、(B)环流分布最佳化、(C)调整跨速度域螺桨造型、(D)分析推力与扭力及(E)完成跨速度域螺桨之设计的步骤，当依上述步骤所修正该跨速度域螺桨运用于该升力线程序、升力面设计程序与边界元素法程序所输入的设计需求参数，使该跨速度域螺桨在一般船舶最常航行的速度域中，能降低因不同速度域所产生的空化现象对于性能的影响，进而使该跨速度域螺桨于不同速度域时，不会产生效率降低过大且能维持高效率的使用。

Description

跨速度域螺桨的设计方法
技术领域
本发明与船舶的螺桨设计方法相关，特别是指一种适用于多速度域的先进翼型设计方法与结构。
现有技术
现有船舶推进器螺桨是以NACA系列、KCA系列或超空化(Supercavitating)等系列螺桨为主，请参阅图1所示，其选用NACA系列的螺桨，透过黏性流分析与空化模块的分析，请同时参阅图2所示，可发现NACA系列螺桨其面积比为1.0时，于速度域为20节时其效率为0.72，当速度域提升到40节时其效率确只有0.5，因此，可发现现有NACA系列螺桨于跨速度域时，其螺桨会因为空化现象而使其效率会急速下降，并可发现NACA等现有螺桨仅在于某些速度域中发挥最佳的效能，一旦超过范围时，其效能则会大幅下降。
发明内容
现有船用推进器螺桨于30节以下时，多采用NACA系列或KCA系列的螺桨，而30节以上时，则多采用超空化系列螺桨为主，但现在一般船舶最常航行的速度为20～40节为主，如采用NACA系列或KCA系列的螺桨且航速超过30节时，则其螺桨的效能不仅会因为空化现象的产生而大大降低效能，同时螺桨表面也会因为空化现象同时所产生的许多破裂气泡，而造成船体的震动，因此，如何将超空化系列螺桨设计为可适用于用低速度与高速度域的螺桨，实为有待改善之处。
本发明提供一种跨速度域螺桨的设计方法，该方法主要包含有：
(A)建立跨速度域螺桨的基本造型
每一跨速度域螺桨由多个叶片所构成，每一叶片并具有一上表面压力面与一下表面压力面，该跨速度域螺桨并依主机马力、转速、船速及螺桨直径建立其环境参数，并依此环境参数及所给定的不同半径的弦长比例、展开面积比(EAR)与选定形成该跨速度域螺桨其翼形的基本断面，并依跨速度域螺桨其翼形而建立该跨速度域螺桨的基本造型；
(B)环流分布最佳化
依设计需求将相关参数输入升力线程序，并依该升力线程序进行环流最佳化分布计算，计算该跨速度螺桨其上表面压力面与下表面压力面的负荷分布，使该跨速度域螺桨获得环流分布最佳化；
(C)调整跨速度域螺桨造型
将选定的跨速度域螺桨的基本造型与环流分布最佳化的参数输入升力面设计程序，并依升力面设计程序而获得调整后的跨速度域螺桨造型、螺距比与拱弦比；
(D)分析推力与扭力及
将步骤(C)所获得修正后的跨速度域螺桨造型先依螺桨边界元素法分析程序计算，并再依步骤(C)的螺距比与拱弦比进行耦合设计，再获得耦合设计修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力；
(E)完成跨速度域螺桨之设计的步骤，当依上述步骤所修正的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力符合预定设定值时，则完成跨速度域螺桨的设计，若修正的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力不符合预定设定值时，则重新进行步骤(B)至步骤(D)。并修正该跨速度域螺桨运用于该升力线程序、升力面设计程序与边界元素法程序所输入的设计需求参数；
其中，步骤(B)环流分布最佳化时的设计需求是选自由螺桨扭力与螺桨推力的设计需求组群中至少一种设计需求组群所获得；
其中，该步骤(E)还进一步使重新调整步骤(B)至步骤(D)中，该跨速度域螺桨运用于该升力线程序、升力面设计程序与边界元素法程序所输入的设计需求参数。
本发明所提供一种跨速度域螺桨的设计方法，使该跨速度域螺桨在一般船舶最常航行的速度域中，该跨速度域螺桨能降低因不同速度域所产生空化现象的影响，并同时减少每一叶片上、下表面压力面所附着的气泡于其表面产生破裂，进而使该跨速度域螺桨于不同速度域时，不会产生效率降低过大且能维持高效率的使用。
附图说明
图1是现有NACA螺桨的立体示意图。
图2是现有NACA螺桨于40节时的压力分布与空化示意图。
图3是本发明的跨速度域螺桨的设计方法流程图。
图4是本发明的跨速度域螺桨的立体示意图。
图5是本发明的跨速度域螺桨于40节时的压力分布与空化示意图。
图6是本发明的跨速度域螺桨的黏性流空化分析示意图。
图7本发明的跨速度域螺桨与现有螺桨于不同速度域时的效率比较图。
图8是本发明的跨速度域螺桨与现有螺桨于20节与40节时，其螺桨负荷与效率图。
具体实施方式
首先，请参阅图3至图4所示，本发明为一种跨速度域螺桨的设计方法，其所设计的跨速度域螺桨可运用于多个速度域，并使该跨速度域螺桨于不同速度域时，可减少其空化现象产生的影响与效率的急速下降，其中，该跨速度域螺桨的设计方法主要包含有下列步骤：
(A)建立跨速度域螺桨的基本造型
每一跨速度域螺桨由多个叶片所构成，每一叶片并具有一上表面压力面与一下表面压力面，该跨速度域螺桨并依主机马力、转速、船速及螺桨直径建立其环境参数，并依此环境参数及所给定的不同半径的弦长比例、展开面积比(EAR)与选定形成该跨速度域螺桨其翼形的基本断面，而建立跨速度域螺桨的基本造型；
(B)环流分布最佳化
依设计需求将相关参数输入升力线程序，该升力线程序并依进行环流最佳化分布计算，计算该跨速度螺桨其上表面压力而与下表面压力面的负荷分布，并使该跨速度域螺桨获得环流分布最佳化，其中，该设计需求是选自螺桨扭力或螺桨推力所组成的组群中至少一种设计需求组群所获得；
(C)调整跨速度域螺桨造型
将选定的跨速度域螺桨的基本造型与环流分布最佳化的参数输入升力面设计程序，并依升力面设计程序而获得调整后的跨速度域螺桨造型、螺距比与拱弦比；
(D)分析推力与扭力
将步骤(C)所获得修正后的跨速度域螺桨造型先依螺桨边界元素法分析程序计算，并再依步骤(C)的螺距比与拱弦比进行耦合设计，再获得耦合设计修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力；
(E)完成跨速度域螺桨的设计
若修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力符合预定设定值时，则完成跨速度域螺桨的设计，若修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力不符合预定设定值时，则重新进行步骤(B)至步骤(D)，并修正该跨速度域螺桨运用于该升力线程序与升力面设计程序所输入的设计需求参数；
由此，使该跨速度域螺桨在一般船舶最常航行的速度域中，该跨速度域螺桨能降低因不同速度域所产生空化现象的影响，并同时减少每一叶片上、下表面压力面所附着的气泡于其表面产生破裂，进而使该跨速度域螺桨于不同速度域时，不会产生效率降低过大且该跨速度域螺桨能维持高效率的使用。
为供进一步了解本发明构造特征、运用技术手段及所预期达成的功效，兹将本发明使用方式加以叙述，相信当可由此而对本发明有更深入且具体的了解，如下所述：
请配合参阅图3及图8所示，该跨速度域螺桨先依步骤(A)输入主机马力、转速、船速及螺桨直径等环境参数，本发明较佳实施例的跨速度域螺桨为具有4个叶片，而每一叶片的直径并为1公尺长，而对应该转速与船速相关的前进系数为1.14，KQ系数为0.0509，所应用的速度域为20节至40节，其中，该跨速度域螺桨并不怕空化现象所导致的推力突降，因此，具面积可以做的更小，本发明其跨速度域螺桨的面积比为0.667，再依步骤(B)将设计需求中的螺桨扭力与螺桨推力的参数输入升力线程序进行环流分布最佳化计算，并依步骤(C)的升力面设计程序而获得调整后的跨速度域螺桨造型、螺距比与拱弦比，并于步骤(D)分析该调整后的跨速度域螺桨造型依螺桨边界元素分析程序而获得其螺桨推力与螺桨扭力，当该螺桨推力与螺桨扭力符合预定设定值时，则完成跨速度域螺桨的设计，若不符合预定设定值等，则重新进行步骤(B)至步骤(D)，并修正该跨速度域螺桨运用于该升力线程序、升力面设计程序与边界元素法程序所输入的设计需求参数。
请同时参阅图4至图5所示，依该跨速度域螺桨的设计方法所产生的跨速度域螺桨，透过考虑空化模块的黏性流分析可以发现，当其速度域在20节时其效率为0.72，但当其速度域在40节时其效率为0.6，并同时比较图2与图5左上所示的压力分布可知，该跨速度域螺桨推力并未因为其速度域由20节提升为40节时，而使该跨速度域螺桨产生推力急速降低的现象。
当空化现象产生时其所产生的空泡会从吸力面的导缘开始产生，且因为并没有贴着螺桨表面，而导致阻力过大造成推力与效率的降低，请参阅图6所示，本发明的跨速度域螺桨于步骤(C)与(D)是对其螺距比与拱弦比进行耦合设计，本发明可以发现该跨速度域螺桨的空泡是从吸面的导缘开始，并且贴着该跨速度域螺桨的表面，而减少其阻力，并符合超空化螺桨该有的现象，并参考图7的比较图可知，该跨速度域螺桨于不同速度域时，其效率为相当平均，并不会因为不同速度域而产生推力明显不足与效率低的现象，同时再参考图8所示可知，其为跨速度域螺桨与现有螺桨于速度域为20节与40节时，其螺桨负荷与效率图，由图中可知，于低速度域即船速为20节时，该现有螺桨与跨速度域螺桨的效率不分轩轾，但随着速度的增加便会看到现有螺桨的效率大幅的下降，而该跨速度域螺桨则是呈现相对缓和的下降幅度。
兹，再将本发明的特征及其可达成的预期功效陈述如下：
1、本发明一种跨速度域螺桨的设计方法，其中，使该跨速度域螺桨在一般船舶最常航行的速度域中，该跨速度域螺桨能降低因不同速度域所产生空化现象对于性能的影响。
2、本发明一种跨速度域螺桨的设计方法，其中，该跨速度域螺桨于不同速度域时，不会产生效率降低过大且能维持高效率的使用。
综上所述，本发明在同类产品中实有其极佳的进步实用性，同时遍查国内外关于此类结构的技术数据，文献中亦未发现有相同或近似的构造存在在先，是以，本发明实已具备发明专利要求，依法提出申请。
以上所述，仅为本发明的一较佳可行实施例而已，故举凡应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效结构变化，理应包含在本发明的专利范围内。

Claims (3)

1.一种跨速度域螺桨的设计方法，其特征在于，所设计的跨速度域螺桨可运用于多个不同速度域，并使该跨速度域螺桨于不同速度域时，其中，该跨速度域螺桨的设计方法主要包含有下列步骤：
(A)建立跨速度域螺桨的基本造型
每一跨速度域螺桨由多个叶片所构成，每一叶片并具有一上表面压力面与一下表面压力面，该跨速度域螺桨并依主机马力、转速、船速及螺桨直径建立其环境参数，并依此环境参数及所给定的不同半径的弦长比例、展开面积比(EAR)与选定形成该跨速度域螺桨其翼形的基本断面，并依跨速度域螺桨其翼形而建立该跨速度域螺桨的基本造型；
(B)环流分布最佳化
依设计需求将相关参数输入升力线程序，并依该升力线程序进行环流最佳化分布计算，计算该跨速度螺桨其上表面压力面与下表面压力面的负荷分布，使该跨速度域螺桨获得环流分布最佳化；
(C)调整跨速度域螺桨造型
将选定的跨速度域螺桨的基本造型与环流分布最佳化的参数输入升力面设计程序，并依升力而设计程序而获得调整后的跨速度域螺桨造型、螺距比与拱弦比；
(D)分析推力与扭力
将步骤(C)所获得修正后的跨速度域螺桨造型先依螺桨边界元素法分析程序计算，并再依步骤(C)的螺距比与拱弦比进行耦合设计，再获得耦合设计修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力；
(E)完成跨速度域螺桨的设计
若修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力符合预定设定值时，则完成跨速度域螺桨的设计，若修正后的跨速度域螺桨其螺桨推力及螺桨扭力不符合预定设定值时，则重新进行步骤(B)至步骤(D)。
2.依权利要求1所述跨速度域螺桨的设计方法，其特征在于，步骤(B)环流分布最佳化时的设计需求选自由螺桨扭力与螺桨推力的设计需求组群中至少一种设计需求组群所获得。
3.依权利要求1所述的一种跨速度域螺桨的设计方法，其特征在于，该步骤(E)还进一步使重新调整步骤(B)至步骤(D)中，该跨速度域螺桨运用于该升力线程序、升力面设计程序与边界元素法程序所输入的设计需求参数。
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