CN103231771A - 一种纯桨-不对称航行器 - Google Patents

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Abstract

一种纯桨-不对称航行器，包括航行器本体、螺旋桨和过流管，所述过流管安装在航行器本体的中间底部，所述过流管的前端设有进水喇叭，所述过流管的后端设有出水喇叭，所述进水喇叭的进口端和出水喇叭的出口端大小与航行器本体的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨安装在出水喇叭与过流管的连接处，所述航行器本体的两侧面与航行器本体的中心线平行，使流体的流线处于平行状态，流线不弯曲，不出现对称阻力。本发明之纯桨-不对称航行器可避免在航行过程中产生排水阻力，航速快，功率小，效率高。

Description

一种纯桨-不对称航行器
技术领域
本发明涉及一种航行器，尤其是涉及一种适用于水中航行用的纯桨-不对称航行器。
背景技术
现有航行器在航行过程中，其首端要排挤水体而形成与螺旋浆推力大小相等方向相反的对称阻力，如图1所示。由于其推力（+）和阻力（+）是对称的，因而航行器与螺旋桨的速度关系为：
式一：航行器的速度=｛（螺旋桨截面面积×螺旋桨的推进速度）/航行器的吃水横截面面积｝×0.5；
式二：螺旋桨的推进速度=｛（航行器的吃水横截面面积×航行器的速度）/螺旋桨截面面积｝÷0.5；
式三：螺旋桨的轴功率=｛（螺旋桨截面面积×排水速度）×1000｝/75公斤米/秒（马力）；
或式四：螺旋桨的轴功率=｛（螺旋桨截面面积×排水速度）×1000｝/102公斤米/秒（千瓦）；
以上式中面积单位：平方米；速度单位：米/秒。
从以上情况可以看出：现有航行器的航速慢，功率大（且功耗随航速增大而增大），效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可避免在航行过程中产生排水阻力，航速快，功率小，效率高的纯桨-不对称航行器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种纯桨-不对称航行器，包括航行器本体、螺旋桨、过流管，所述过流管安装在航行器本体的中间底部，所述过流管的前端设有进水喇叭，所述过流管的后端设有出水喇叭，所述进水喇叭的进口端和出水喇叭的出口端大小与航行器本体的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨安装在出水喇叭与过流管的连接处，所述航行器本体的两侧面与航行器本体的中心线平行，使流体的流线处于平行状态，流线不弯曲，不出现对称阻力。
进一步，所述过流管可为横截面为圆形或矩形的过流管。
进一步，所述螺旋桨的桨叶的垂直线与轴的交角小于45°，所述出水喇叭的张角与螺旋桨的工作张角相同。
进一步，所述螺旋桨为满叶桨。
另一种技术方案：一种纯桨-不对称航行器，包括航行器本体、螺旋桨、过流管，所述过流管为矩形过流管，所述矩形过流管安装在航行器本体的外侧，所述矩形过流管内的通道被航行器本体分成两部分，为左过流通道、右过流通道，所述矩形过流管的前端设有进水喇叭，所述矩形过流管的后端设有出水喇叭，所述进水喇叭的进口端和出水喇叭的出口端大小与航行器本体的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨为两个，分别安装在出水喇叭与矩形过流管的连接处。
进一步，所述螺旋桨的桨叶的垂直线与轴的交角小于45°，所述出水喇叭的张角与螺旋桨的工作张角相同。
进一步，所述螺旋桨为满叶桨。
所述螺旋桨的桨叶的垂直线与轴的交角小于45°，当桨叶的垂直线与轴的交角小于45°时，处于轴流泵的工作状态，即在转速一定的情况下，流量越小、轴功率越大，流量越大、轴功率越小。
所述出水喇叭又称动能回收器，它的几何结构关系到动能回收的效率，特别是它的张角要与螺旋桨的工作张角严格配合，其原因是：若动能回收管的张角大于螺旋桨的工作张角，则可能会在动能回收管壁内出现涡流，影响动能回收效果；若动能回收管的张角小于螺旋桨的工作张角，则会影响螺旋桨的排水量和使动能回收管的长度增长。所述动能回收器的工作原理：当水从螺旋桨高速流出，它具备了从螺旋桨转换来的全部动能，但动能回收器的内径是由小逐渐扩大的，水在流动的过程中，由于内容积的不断扩大，在惯性的作用下就会产生负压（吸力），负压（吸力）反过来经过螺旋桨，过流管传至进水喇叭进行再抽水，减小螺旋桨的功耗，起到动能回收的作用。此时，螺旋桨的轴功率约等于空载功率，航行器的航速与螺旋桨的推进关系式为：
式五：航行器的航速=（螺旋桨截面面积×螺旋桨的推进速度）/(航行器的吃水截面面积+螺旋桨截面面积）。
“纯桨原理”是不考虑航行器本体，纯粹考虑螺旋桨的工作状态，当螺旋桨在原动机带动旋转工作的时候，在螺旋桨的前段（进水端，即进水喇叭）形成一个负压（吸力），在后端（出水端，即出水喇叭）出现一个正压（斥力）。在反作用力的作用下，螺旋桨便向前无阻碍旋转行进，而且不论其行进速度有多快，螺旋桨的前、后端都始终处于前负压（吸力）、后正压（斥力）的状态，不产生对称阻力，如图2所示；本发明通过设置过流管，航行器首端也为负压（吸力），在航行过程中不产生排水阻力。从“纯桨原理”中可以看出，本发明将螺旋桨的工作特点融进航行器中，使航行器以螺旋桨的工作特点航行，从而解决本发明所要解决的技术问题。
本发明以进水喇叭、过流管、出水喇叭（动能回收器）配合螺旋桨构成一套“不对称推进系统”，此系统将螺旋桨前端（进水端）的负压（吸力）分布在航行器前端的整个吃水横截面内，出水喇叭（动能回收器）将螺旋桨后端的正压（斥力）分布在航行器的整个吃水横截面内，过流管起动能传递作用，使航行器以“纯桨-不对称”的工作状态航行。
本发明在航行时没有前端的排水阻力，只有与水体接触的摩擦力，因而功耗小，速度快（可达现有航行器速度的3.5倍），且不论其速度多快，都不会出现那“船头劈波斩浪，船尾波涛汹涌”的“壮观场面”。本发明航行器螺旋桨的功耗与转速乘正比：
式六：调整至额定功率后的螺旋桨转速=（对称推进的功耗/不对称推进的功耗）×原来的转速。
由式五得到“不对称推进法”与“对称推进法”相同功率的航速；式六为用同一航行器，不同推进方式测试的数据。
本发明航行器可为潜艇，航速快，噪音低，有利于隐身，功耗小可以延长潜航时间，增大战时的生存几率；也可为航母，因速度快可增大舰载机的起飞和着舰的安全系数，降低舰载机着舰时与拦阻索的牵拉力度。
附图说明
图1  为现有航行器对称力分布的简化示意图；
图2  为现有航行器的螺旋桨不对称力分布的简化示意图；
图3  为本发明实施例1的结构示意图；
图4  为图3所示实施例1的三叶满叶桨的结构示意图；
图5  为图4所示三叶满叶桨的工作轮廓线图；
图6  为图4所示三叶满叶桨的工作张角的测量图；
图7  为本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参照图3，本实施例包括航行器本体1、螺旋桨2、过流管3，所述过流管3为圆形过流管，所述圆形过流管安装在航行器本体1的中间底部，所述圆形过流管的前端设有进水喇叭4（横截面为圆形），所述圆形过流管的后端设有出水喇叭5（横截面为圆形），所述进水喇叭4的进口端和出水喇叭5的出口端大小与航行器本体1的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨2安装在出水喇叭5与圆形过流管的连接处，所述航行器本体1的两侧面与航行器本体的中心线平行，使流体的流线处于平行状态，流线不弯曲，不出现对称阻力。
所述螺旋桨2的桨叶的垂直线与轴的交角为25.5°，所述出水喇叭5的张角与螺旋桨2的工作张角相同，为6.5°（单边）。
所述螺旋桨2的工作张角与桨叶的垂直线与轴的交角有关，不同的交角就有不同工作张角，其工作张角可根据螺旋桨的工作轮廓线量出（或计算出），其工作轮廓实际上就是一个短圆柱体。本实施例螺旋桨2为三叶满叶桨（如图4所示），立式放置，其直径10cm，高5cm，桨叶的垂直线与轴的交角为25.5°，如图5所示。量螺旋桨的工作张角：参照图6，步骤一，以甲点为圆心作圆（半径5cm），过圆心作竖直线，即轴线，与圆交于乙点，以轴线为边，甲点为顶点，作25.5°角，与圆交于丁点，得桨叶的垂直线，过乙点作圆的切线与桨叶的垂直线相交于丙点，在丁点画一条5cm切线至戊点，连接戊丙连点，此切线与连线的夹角为螺旋桨的工作张角。从图6中可以看出：桨叶的垂直线与轴的交角越大，工作张角越大。
实施例2
参照图7，本实施例包括航行器本体1、螺旋桨（图中未示出）、过流管3，所述过流管3为矩形过流管，所述矩形过流管安装在航行器本体1的外侧，所述矩形过流管内的通道被航行器本体1分成两部分，即左过流通道6、右过流通道7，所述矩形过流管的前端设有进水喇叭4（横截面为矩形），所述矩形过流管的后端设有出水喇叭（横截面为矩形），所述进水喇叭4的进口端和出水喇叭的出口端大小与航行器本体1的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨为两个，分别安装在出水喇叭与矩形过流管的连接处。
所述螺旋桨的桨叶垂直线与轴的交角为25.5°，所述出水喇叭的张角与螺旋桨的工作张角相同，为6.5°（单边）；所述螺旋桨为三叶满叶桨。

Claims (7)

1. 一种纯桨-不对称航行器，包括航行器本体、螺旋桨，其特征在于：还设有过流管，所述过流管安装在航行器本体的中间底部，所述过流管的前端设有进水喇叭，所述过流管的后端设有出水喇叭，所述进水喇叭的进口端和出水喇叭的出口端大小与航行器本体的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨安装在出水喇叭与过流管的连接处，所述航行器本体的两侧面与航行器本体的中心线平行，使流体的流线处于平行状态，流线不弯曲，不出现对称阻力。
2.根据权利要求1所述的纯桨-不对称航行器，其特征在于：所述过流管是横截面为圆形或矩形的过流管。
3.根据权利要求1或2所述的纯桨-不对称航行器，其特征在于：所述螺旋桨的桨叶的垂直线与轴的交角小于45°，所述出水喇叭的张角与螺旋桨的工作张角相同。
4.根据权利要求1或2所述的纯桨-不对称航行器，其特征在于：所述螺旋桨为满叶桨。
5.一种纯桨-不对称航行器，包括航行器本体、螺旋桨，其特征在于：还设有过流管，所述过流管为矩形过流管，所述矩形过流管安装在航行器本体的外侧，所述矩形过流管内的通道被航行器本体分成两部分，为左过流通道、右过流通道，所述矩形过流管的前端设有进水喇叭，所述矩形过流管的后端设有出水喇叭，所述进水喇叭的进口端和出水喇叭的出口端大小与航行器本体的吃水横截面一致，以保证流线平行流入和流出，所述螺旋桨为两个，分别安装在出水喇叭与矩形过流管的连接处。
6.根据权利要求5所述的纯桨-不对称航行器，其特征在于：所述螺旋桨的桨叶的垂直线与轴的交角小于45°，所述出水喇叭的张角与螺旋桨的工作张角相同。
7.根据权利要求5或6所述的纯桨-不对称航行器，其特征在于：所述螺旋桨为满叶桨。
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