CN102712353A - 带有导管的推进器及具备该推进器的船舶 - Google Patents

Abstract

本发明使具备在螺旋桨（4）周围的翼形截面的导管（5）的截面形状，在前端部外周具备由标准翼形向外侧以圆弧状截面膨出的膨出部（6），以此抑制高速航行时的导管前端部的外表面上的压力变化，该导管（5）具有前端方向展开的展开角（α），以此在低速作业时发挥规定的曳引力，从而提供能够在低速作业时确保稳定的曳引力，在高速航行时防止导管外表面的剥离涡流而提高推进效率的带有导管的推进器。

Description

带有导管的推进器及具备该推进器的船舶

技术领域

本发明涉及船舶所具备的带有导管的推进器和具备该推进器的船舶。

背景技术

以往，作为船舶用推进器具有在螺旋桨的周围设置有导管的带有导管的推进器。该带有导管的推进器例如形成将设置于船体船尾部的船内的原动机的输出从贯通从船底面向下方突出设置的支柱（strut）的内部的纵旋转轴通过设置于支柱下部的齿轮箱（pod）内的锥齿轮传递至横旋转轴，用该横旋转轴驱动螺旋桨的结构。并且，通过在螺旋桨的周围设置具有翼形截面或者是环状的导管，从而在拖轮等的需要大的曳引力的船舶中可以产生大的推进力。

此外，这样的推进器形成能够使螺旋桨通过设置于船体的旋转驱动用的原动机绕纵轴地以360°中的任意方向旋转的结构，从而可以调节推力的方向。另外，作为螺旋桨，根据使用条件等而采用定距螺旋桨、可变距螺旋桨中的任意一个。

图8是用截面示出导管的一般的带有导管的推进器100的侧视图，在齿轮箱101的后部设置有螺旋桨102，在该螺旋桨102的周围设置有以环状形成的翼形截面的导管103。如图9所示，作为该导管103的翼形截面，一般的是外侧为直线形，内侧为膨出的形状，而如后文所述通过伯努利的定理产生升力。并且，导管103形成为前部以规定角度展开。该翼形截面的导管103是，截面形状的最前端称为“前边缘104”，最后端称为“后边缘105”，包含前边缘104的前端部分称为“前端部”，包含后边缘105的后端部分称为“后端部”。并且，连接前边缘104和后边缘105的直线部分称为“鼻尾线106（翼弦线）”，通过截面形状的厚度方向的中心的中心线称为“中弧线107（弧形曲线）”。此外，导管轴心X（螺旋桨中心轴）和鼻尾线形成的角度称为“导管展开角α”（在图中，以与导管轴心X平行的线示出）。

作为与这种带有导管的推进器相关的现有技术，例如有通过导管（导流管）内的螺旋桨的形状改良以及相对于导管的螺旋桨的配置来谋求提高推进效率的船舶用推进装置（例如参照专利文献1）。

并且，作为其他现有技术，也有通过使配置于螺旋桨周围的导流管的截面形状形成为内侧显著膨出的形状，以此想要谋求系柱状态下的推力的提高和航行时的推进效率的提高的射流喷射器（例如，参照专利文献2）。

现有技术文献：

专利文献1：日本专利申请公开第2009-1212号公报；

专利文献2：日本专利申请公开第2006-306304号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，作为采用上述带有导管的推进器的一般的船舶有上述拖轮，该拖轮中有在狭窄的港口内等上推或者拉大型船而使其靠岸的主要进行低速作业的港口拖轮和引导大型油轮等的前方以确保安全的护航拖轮等。港口拖轮是例如以在13节左右以下的低速作业中的运用为前提而设计的，护航拖轮是例如以15节以上的高速航行中的运用为前提而设计的。

而且，以往，这样的港口拖轮、护航拖轮是作为分别具有适合的性能的拖轮各自地存在，但是近年来有着作为这样的港口拖轮和护航拖轮能够两用的拖轮的需求。

另一方面，如图10所示，作为港口拖轮进行低速作业时的上述带有导管的推进器100是在基本上停止的状态（系柱状态）下产生推力，因此具有通过螺旋桨102向后方流过的水流111和从导管103的外表面沿着内表面流过的水流110。水流110是从导管103的外表面后部上的滞点SP通过导管103的前边缘104流向导管103的内表面。因此，主要进行这样的低速作业的带有导管的推进器100是通过恰当地设置导管103的中弧线107（图9），并使该导管103的展开角α相对于水流111的流入方向形成最适合的角度，以此根据上述伯努利的定理导管103的内表面前端部变成负压，并通过该导管103产生升力L。

而且，通过该升力L的导管轴心X方向的分力Lx和螺旋桨102的推力得到大的曳引力T（系柱推力）。

但是，如图11所示，作为护航拖轮在高速航行时的上述带有导管的推进器100是水流110的滞点SP成为导管103的前边缘104，该水流的一部分从该滞点SP沿着导管103的外表面流向后方。

而且，想要将上述以低速作业下的运用为前提设计的港口拖轮运用在高速航行时，在设计成能够得到上述大的曳引力T的翼形截面的导管103上，如上述图8所示，导管外表面的水流发生紊流而产生剥离涡流112，并且因导管103引起的阻力会增加而降低推进效率。

另外，在上述专利文献1中记载的船舶用推进装置是关于配置在导管内侧的螺旋桨的形状和配置的改良，因此对于如上述的进行低速作业和高速航行的船舶并不能得到充分的推进效率。又，在上述专利文献2中记载的推进装置中，虽然通过使导管的内表面形成显著膨出的形状来谋求推力的提高，但是并不能抑制高速航行时的导管外表面上的剥离涡流，从而使推进效率下降。

解决问题的手段：

因此，本发明的目的是提供可以谋求稳定地确保低速作业时的曳引力和抑制高速航行时的导管外表面的剥离涡流以提高推进效率的带有导管的推进器和具备该推进器的船舶。

为了达到上述目的，根据本发明的带有导管的推进器是在螺旋桨的周围具备翼形截面的导管的带有导管的推进器；其中，所述导管的截面形状是，在前端部外周具备由标准翼形向外侧以圆弧状截面膨出的膨出部，以此抑制高速航行时的导管前端部的外表面上的压力变化；该导管具有前边缘方向展开的展开角，以此在低速作业时发挥规定的曳引力。在该说明书及权利要求中的“标准翼形”是指在带有导管的推进器中一般被采用的“19A翼形”。

借助于此，通过导管的前端部外周上具备的膨出部，可以抑制高速航行时从导管前边缘沿着外表面的水流的急剧的压力变化，因此可以抑制在导管外表面的前端部上的剥离涡流的发生，可以谋求提高推进效率。此外，通过导管的前边缘方向展开的展开角，可以确保低速作业时的曳引力。

又，较佳地是所述膨出部形成为从所述导管的前边缘以平滑的曲线向外侧膨出，从最大膨出部分以平滑的曲线与导管外表面连接并向导管的后边缘延伸。这样构成，可以使水流从导管外表面的膨出部向导管后边缘以平滑的流线流过。

此外，较佳地是所述膨出部形成以相对于导管全长的比率，最大膨出部分的轴方向位置为从导管前边缘向后方超过2.5%、30%以下的范围，且最大膨出部分的半径方向位置为从导管前边缘向外侧超过2.8%、10%以下的范围的结构；所述导管的展开角为连接所述导管前边缘和导管后边缘的鼻尾线相对于导管轴心形成超过8°、12°以下的范围的角度。这样构成，可以在低速作业时得到稳定的曳引力，同时可以谋求在高速航行时提高推进效率。

又，更较佳地是所述最大膨出部分的轴方向位置是以相对于导管全长的比率，从导管前边缘向后方为10%以上、25%以下的范围，且所述最大膨出部分的半径方向位置是从导管前边缘向外侧为4%以上、8%以下的范围；所述导管的展开角为鼻尾线相对于导管轴心形成超过8°、10°以下的范围的角度。这样构成，可以在两方面实现更加稳定的曳引力和更加稳定的推进效率的提高，同时可以构成抑制重量增加的带有导管的推进器。

另一方面，根据本发明的船舶具备上述任意的带有导管的推进器，该带有导管的推进器设置在船体的后部。这样，可以构成在低速作业时发挥稳定的曳引力，同时在高速航行时抑制导管外表面的剥离涡流的发生的推进效率好的船舶。

发明的效果：

根据本发明，可以提供在低速作业时可以稳定地发挥曳引力，同时高速航行时能够以高的推进效率航行，因此可以低速作业和高速航行两用的带有导管的推进器。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施形态的带有导管的推进器的图，是以截面示出导管的侧视图；

图2是示出在根据本发明的带有导管的推进器中将导管截面的外侧膨出部分位置在轴方向和半径方向作为参数进行变化时的阻力系数Cd的变化倾向的图；

图3是示出图1所示的带有导管的推进器高速航行时的水流的侧视图；

图4是示出比较例的通过二维CFD计算的高速航行时的流线分布的图；

图5是示出实施例的通过二维CFD计算的高速航行时的流线分布的图；

图6是示出为了比较验证图1所示的带有导管的推进器和现有的带有导管的推进器的性能，而通过水槽试验得到的各自的推进性能特性曲线的图；

图7是为了比较验证图1所示的带有导管的推进器和现有的带有导管的推进器的性能，而示出船速与所需马力的关系的图；

图8是示出现有的带有导管的推进器高速航行时的水流的侧视图；

图9是图8所示的带有导管的推进器的导管截面图；

图10是作用于带有导管的推进器低速作业时的导管的水流的说明图；

图11是作用于带有导管的推进器高速航行时的导管的水流的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一个实施形态。以下实施形态中的“标准翼形”是在这种导管中因工作性优异而通常采用的“19A翼形”。

如图1所示，带有导管的推进器1为，在从齿轮箱2中突出的横旋转轴3上设置有螺旋桨4，并在该螺旋桨4的周围设置有环状的导管5。该导管5是形成为翼形截面（图中截面，省略阴影线），相对于导管轴心X（螺旋桨4的轴心）在整个圆周上形成为相同的截面形状。

而且，在上述导管5的前端部的外周上具备由标准翼形向外侧以圆弧状截面膨出的膨出部6。该膨出部6形成为从导管5的前边缘7以平滑的曲线向外侧膨出，并从最大膨出部分8以平滑的曲线与导管外表面9连接并向导管的后边缘10延伸。

上述膨出部6形成为最大膨出部分8的轴向位置A是以相对于上述导管5的全长Ld的比率从导管前边缘7向后方超过2.5%、30%以下的范围，且半径方向位置B是从导管前边缘7向外周方向超过2.8%、10%以下的范围的结构。

该最大膨出部分8的轴方向位置A以相对于导管全长Ld的比率从前边缘7向后方不超过2.5%时，导管外表面的前边缘部变成向外表面尖突的形状，从前方流入的水流在最大膨出部分8处引起水流的剥离而产生剥离涡流，成为阻力。该轴方向位置A超过30%时，从最大膨出部分8向后边缘部的导管外表面的倾斜变成急倾斜，并产生剥离涡流，成为阻力。此外，有可能导致导管的重量增加。

并且，最大膨出部分8的半径方向位置B以相对于导管全长Ld的比率从前边缘7向外周方向不超过2.8%时，导管前边缘部附近变成尖突的形状，前边缘部附近的压力分布向外表面急剧变化，产生水流的剥离，成为阻力。该半径方向位置B超过10%时，导管外表面的突出量变大，同时变成向导管后边缘的急倾斜，从前方流入的水流在最大膨出部分8处引起水流的剥离而产生剥离涡流，成为阻力。

此外，较佳的是上述最大膨出部分8的轴方向位置A是从导管前边缘7向后方为10%以上、25%以下的范围，且半径方向位置B是从导管前边缘7向外周方向为4%以上、8%以下的范围。通过选择该范围，阻力系数Cd更加变小，同时抑制带有导管的推进器1的重量的增加，可抑制原动机的大型化及船体的变更等大幅度的成本的上升。

如图2所示，使该膨出部6的最大膨出部分8成为上述轴方向位置A和半径方向位置B的范围的依据是基于在上述位置范围内导管的阻力系数Cd有着大致变成最小的倾向。图2是针对与图1的导管截面形状相类似的二维翼的使用二维边界层理论计算程序推定计算阻力系数Cd的图，并示出使流入迎角成为一定值，膨出部6的最大膨出部分8的轴方向位置A和半径方向位置B作为参数变更时的阻力系数Cd的变化的图。图中的虚线示出将半径方向位置B固定在某位置上的各阻力系数Cd曲线的包络线，在该示例中，对于最大膨出部分8的位置，将半径方向的位置B设定为以相对于导管全长Ld的比率从前边缘7向外方为5%的位置时，使轴方向位置A成为以相对于导管全长Ld的比率从前边缘7向后方为15%的位置，以此可以使阻力系数Cd最小，从该图中可以知道上述最大膨出部分8的轴方向位置A和半径方向位置B的最合适的组合范围。

另一方面，通过在这样的导管5的前端部外表面具备膨出部6而使外周面膨出时，导管截面的中弧线11发生变化而最大弧度比减小，以此弯曲度减小，从而通过导管内表面而产生的升力减小。于是，通过使连接导管前边缘7和导管后边缘10的鼻尾线12的相对于导管轴心X的迎角，即导管5的展开角α变大，能够补充其升力的减少的量地使升力增加。即，能够补充弯曲度的减少的量地使展开角α变大，以此增加曳引力，从而补充因最大弧度比的减少而引起的曳引力的减少量。

作为该导管5的展开角α，使鼻尾线12相对于导管轴心X变成超过8°、12°以下的范围。当导管5的展开角α不超过8°时，在低速时不能得到大的曳引力。并且，相反地展开角α超过12°时，在高速航行时导管5引起失速现象而成为大的阻力。这样，作为导管5的展开角α设定为能够实现因高速航行时的膨出部6而引起的导管5的前边缘部外表面上的压力以及流速变化的抑制和低速作业时的导管5的曳引力的发挥的两方面的角度。

而且，通过如上述那样在导管5的外周设置膨出部6的同时设定导管5的展开角α，如图3所示，抑制在高速航行时导管5的前端部外表面附近的剥离涡流的发生，以谋求通过导管5的阻力降低的推进效率的提高，同时可以稳定地发挥低速作业时的曳引力。

于是，根据上述带有导管的推进器1，能够实现低速作业时的曳引力的确保和高速航行时的推进效率的提高的两方面，例如，可以利用为可以作为港口拖轮使用，同时也可以作为护航拖轮使用的船舶的推进器。

又，上述膨出部6的位置及大小（膨出量）和导管5的展开角α是最好在考虑旋转阻力的增加、因重量增加导致的旋转动力的增加、制造成本等的基础上决定，最好通过这些能够抑制生产成本的增加等。

此外，根据如以上的带有导管的推进器1，例如与现有的标准翼形截面的带有导管的推进器相比较时，如以下说明可以谋求约4%左右的推进效率的提高。

实施例

作为实施例，以下示出通过CFD（Computational Fluid Dynamics：计算流体力学）计算比较验证由导管5和导管103的截面形状的差异引起的影响的结果。作为计算条件，用二维计算模拟了高速航行时的实际船只状态。图4中示出导管103的流线分布，图5中示出导管5的流线分布。在这些图中，水流是从右向左流过。在图4中示出在导管前边缘部外表面附近上，流线过度集中，引起水流的剥离的可能性。另一方面，在图5中示出在同样的位置上流线的集中变得缓和而水流变得平滑，不易引起水流的剥离。

接着，作为性能验证实施例，图6中示出实施了带有导管的推进器的单独性能水槽试验的结果。水槽试验是在长200m、宽13m、深6.5m的试验水槽中，制作与实际机械的约1/8.5的尺度比的带有导管的推进器相同的模型，除了将导管替换为5和103以外，共用螺旋桨、支柱等。在水槽试验中的测量项目是前进速度Va、整个推进器的推力Tt、螺旋桨转矩Q、螺旋桨转速n。

图6中所示的实线是导管5，虚线是导管103。又，图6的横轴J示出螺旋桨前进系数（=Va/（nD））、纵轴的Ktt示出整个推力系数（Tt/（ρn²D⁴））、Kq示出螺旋桨转矩系数（=Q/（ρn²D⁵））、ηo示出整个推进器的单独效率（=KttJ/（2πKq））。其中，ρ是清水密度，D是螺旋桨直径。

根据图6，螺旋桨前进系数J在约0.5以下时两个导管的特性大致相同，但是与高速航行时等价的螺旋桨前进系数J超过约0.5时，具备导管5的推进器的整个推力系数Ktt大于具备导管103的推进器的推力系数。即，可知由于导管的阻力减小，结果单独效率ηo为具备导管5的推进器大于具备导管103的推进器。即，可知在高速航行时具备导管5的推进器具有更高的推进效率。

接着，将使用图6的推进性能特性曲线，用相同船体、以相同航行条件，推定实际船只的推进所需马力，并比较验证的结果在图7中示出。横轴是船速Vs，纵轴是所需马力Pd。实线是作为本发明的实施例的具备导管5的推进器的结果，虚线是作为比较的现有的具备一般的导管103的推进器的结果。

如图所示，具备导管5的推进器与具备导管103的推进器相比较，输出相同船速所需的马力减少约4%～5%左右，可以谋求提高约4%～5%左右的推进效率。

从这样的结果可知，一方面通过在导管前端部分上的外周具备膨出部6，可以谋求提高高速航行时的推进效率，另一方面通过将导管5的展开角α设定为能够补充因设置膨出部6而引起的弯曲度的减少的角度，可以谋求稳定地确保低速作业时的曳引力。

另外，在上述实施形态中的标准翼形是一个示例，一般的翼形截面时可以发挥同样的作用效果，翼形截面并不限于上述实施形态。

又，上述实施形态示出一个示例，在不影响本发明的主旨的范围内可以进行各种变更，本发明并不限于上述实施形态。

工业应用性：

根据本发明的带有导管的推进器可以利用于期望两方面实现作为低速作业时期望得到稳定的曳引力的港口拖轮等的使用和高速航行时期望谋求提高推进效率的护航拖轮等的使用的船舶中。

符号说明

1          带有导管的推进器；

4          螺旋桨；

5          导管；

6          膨出部；

7          前边缘；

8          最大膨出部分；

9          导管外表面；

10         后边缘；

11         中弧线；

12         鼻尾线；

15、16     水流；

X          导管轴心；

α          展开角；

A          轴方向位置；

B          半径方向位置。

Claims (5)

1.一种带有导管的推进器，

所述推进器是在螺旋桨的周围具备翼形截面的导管的带有导管的推进器；

所述导管的截面形状是，在前端部外周具备由标准翼形向外侧以圆弧状截面膨出的膨出部，以此抑制高速航行时的导管前端部的外表面上的压力变化；

该导管具有前边缘方向展开的展开角，以此在低速作业时发挥规定的曳引力。

2.根据权利要求1所述的带有导管的推进器，其特征在于，所述膨出部形成为从所述导管的前边缘以平滑的曲线向外侧膨出，从最大膨出部分以平滑的曲线与导管外表面连接并向导管的后边缘延伸。

3.根据权利要求1或2所述的带有导管的推进器，其特征在于，

所述膨出部形成以相对于导管全长的比率，最大膨出部分的轴方向位置为从导管前边缘向后方超过2.5%、30%以下的范围，且最大膨出部分的半径方向位置为从导管前边缘向外侧超过2.8%、10%以下的范围的结构；

所述导管的展开角为连接所述导管前边缘和导管后边缘的鼻尾线相对于导管轴心形成超过8°、12°以下的范围的角度。

4.根据权利要求3所述的带有导管的推进器，其特征在于，

所述最大膨出部分的轴方向位置是以相对于导管全长的比率，从导管前边缘向后方为10%以上、25%以下的范围，且所述最大膨出部分的半径方向位置是从导管前边缘向外侧为4%以上、8%以下的范围；

所述导管的展开角为鼻尾线相对于导管轴心形成超过8°、10°以下的范围的角度。

5.一种具备权利要求1至4中的任一项所述的带有导管的推进器的船舶，该带有导管的推进器设置于船体的后部。

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