CN1039471A - 低阻力的水翼 - Google Patents

Abstract

一种低阻力的水翼，包括至少一个沿水翼的叶弦方向平行于前缘设置的顺水流的凹形断阶，以使在水下运动的所述水翼的负压表面上形成薄层状的气穴层。所述的凹形断阶的深度△t与叶弦长度c的比△t/c大于0.001而小于0.01断阶离开水翼前缘的距离X₁与叶弦长度之比为0＜X₁/c＜0.1。

Description

本发明涉及水下翼型，例如，水翼艇的水翼，舰船的螺旋浆叶和在水下高速运动的水下涡轮和泵的叶片，更具体地是涉及在水翼的负压表面形成薄层状气穴层而使水翼的摩擦阻力降低的低阻力的水翼。

已知一种方法，可从舰船的船壳板喷气使在水下的船壳板的表面上形成一薄层状的空气层来降低船壳板对水的摩擦阻力。这一方法也已试验用于水翼艇。

但是用上述方法喷气以降低水翼对水的阻力在水翼艇上还未见到实际使用。这是因为在水翼艇内装置喷气的空压机是困难的，空压机还需要有电源，并且在水翼中安装管系及排气孔也是很困难的。

本发明的目的是提供低阻力的水翼，它可避免现有技术中低阻力水翼的困难，而可很容易地降低诸如水翼艇的水翼、舰船的螺旋浆叶和在水下运动的涡轮、泵的叶片的水翼对水的摩擦阻力，并可增加驱动水翼艇等运载工具的能量效率。

为达到本发明的上述目的，本发明提供了一种低阻力水翼，包括至少一个沿水翼的叶弦方向平行于前缘设置的顺水流的凹形断阶，以使在水下运动的所述水翼的负压表面上形成薄层状的气穴层。

从下面配合附图对本发明的详细说明可更清楚地了解本发明的上述目的和其它目的及优点。

图1示出了本发明一个实施例的纵剖面图;

图2是在没有设置断阶时，沿叶弦方向在一个水翼的负压表面及其相对表面上压力系数分布的曲线图;

图3示出了图2所示的水翼的纵剖面图;

图4～图6示出了按照本发明的在图1所示的水翼沿叶弦方向在上游部分设置各种凹形断阶的纵剖面图;

图7是示出上升系数与阻力系数比和气穴数目的关系的曲线图，迎角是本发明的一个参数;

图8和图9分别示出了按照本发明的二元翼型的水翼上形成的气穴层纵剖面图及顶视图;

图10和11示出了按照本发明的组成螺旋浆叶的三元翼型的水翼上形成的气穴层纵剖面图及顶视图。

下面将参考附图来说明本发明的一个实施例。图1是示出本发明的一个最佳实施例的纵剖面图。在图中，标号1表示一个水翼。在图1中，水翼1在水下往左方运动。水流从左面向水翼1相对流动。然后，由在所述的水翼和沿叶弦方向形成顺水流的凹形断阶而在水翼1的负压表面1a上形成薄层气穴层3。因而，负压表面1a对水的摩擦阻力降低。

断阶2设置成与水翼的前缘平行，并且其下游部分沿叶片的叶弦方向是光滑的。为了在负压表面1a上形成稳定、均匀而薄的薄层气穴层3，每个断阶2的深度△t要落在下式（1）的范围内：

0.001＜△t/c＜0.01    （1）

式中：c是水翼的叶弦长度。

当断阶2的深度△t等于或小于0.001的叶弦长度时，很难在负压表面1a上形成足够长度的气穴。但是当断阶2的深度△t等于或大于0.01的叶弦长度时，由于断阶使负压表面1a对水的阻力大为增加，因而在负压表面1a上生成不规则的许多气穴。在这两种情况下，不可能在负压表面1a上生成稳定、均匀和薄的薄层气穴层。因此，不可能产生对降低负压表面1a对水的摩擦阻力的有利效果。

在叶弦方向中断阶的数目可以是一个或多个。断阶的数目可按照在负压表面1a上形成的气穴层3的长度恰当地确定以使负压表面1a能被气穴层3充分地覆盖住。

要求气穴层3沿叶弦方向从水翼1的上游部分形成在负压表面1a的合理的范围内。为此，断阶2离开水翼1的前缘的位置X最好落在下式（2）的范围内：

0＜X/C＜0.1    (2)

当在沿叶弦方向设置多个断阶2以使得在整个负压表面上能形成气穴层时，从第2个断阶起，位置X是X₁+ $\underset{\mathrm{i\; =\; 2}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_{\mathrm{i\; -\; 1}}$ (2≤i,l_{i- 1}是在第i-1的断阶形成的气穴层的长度）。

用公式（2）来限制X的值的原因将参见图2及图3来解释。图2是显示流体动力学计算的具有图3所示横截面的水翼的负压表面和它相对的表面上压力系数分布结果的曲线图。在纵坐标上，压力系数Cp的值按下式（3）确定：

Cp=△P/(1/2)CV²(3)

式中：P：水流产生的压力变化

ρ：水的密度

V：水流速度

图3中所示的叶型剖面（叶型）是在研究了各种叶型后，而选出的一种利用凹形断阶能产生较大效果的叶型。图3中的纵坐标轴是以前后缘连线的位置为零位置，并且其单位按横轴上x/c＝1为1单位标出。

作为上述计算时的水流的条件，迎角α（由叶片的方向所产生的角度-根前后缘连线及水流方向之间的夹角）是2.5°，而雷诺数（Re）＝10⁶。图2示出了在X/C＜0.1的范围内，负压相当大。因此，在这一范围内容易产生气穴现象。因此，由于形成气穴层而使负压表面1a对水的摩擦阻力降低。

断阶2的凹部的形状，可以有如图4，5，6中所示的任意的上游部分，它与水翼艇的叶弦方向成直角相交，或者沿叶弦方向向上游边或下游边倾斜。断阶2的凹部形状可以是如图4～图6中实线所示的直线形，或者可以是如图中虚线所示的凹形或凸形。设置的断阶2的效果随断阶2的剖面形状变化而变化。但无论如何，与不设置断阶的情况相比，任何形状的断阶2都可降低摩擦力。

根据图1所示的水翼，在设置有断阶2的负压表面1a上，流到水翼1的水流在断阶2的顶部边缘2a产生的紊流产生了气穴层3，并且层状的气穴层3是在叶弦方向沿水流方向连续和稳定地形成在负压表面1上。因而，由于在负压表面1a上形成气穴层3的部位只加上了小得可以忽略的气穴层3引起的摩擦阻力，而使负压表面1a对水的摩擦阻力大大地降低了。

下面参照图7来说明上述的摩擦阻力降低的效果。图7中纵坐标轴表示升力系数C_L对阻力系数C_D的比：C_L/C_D。当负压表面上的阻力降低时，C_L/C_D增加。这与本发明的目的是切合的。图7的数据是由与图3所示的水翼截面及尺寸同样的水翼测得的。迎角（α）被用作参数。横坐标轴表示气穴数（σ），该数由下式确定：

σ＝（P-P_V）/（ρV²/2） （4）

式中：P：主水流的静压力;

Pv：在液体的温度下的饱和蒸汽压。

在不设置断阶2的一个现有技术的实施例中，C_L/C_D等于53。按照图7所示的本发明的最佳实施例所得到的结果，C_L/C_D在σ＝0.8的附近可达到峰值。在迎角（α）为2.5～4.5°的范围内，C_L/C_D值比现有技术的实施例中的值大。如图7所示，迎角最好为3.0～4.0°。在用展弦比∧来修正迎角时，那么2.5～4.5°和3.0～4.0°的迎角分别修正为2.5+C_L/∧·180/π²＜α＜4.5+C_L/∧·180/π²和3.0+C_L/∧·180/π²＜α＜4.0+C_L/∧·180/π²。

本发明的水翼上形成的气穴层示于图8到图11。图8及图9分别示出了二元翼型的水翼的纵剖面图及顶视图。图10及图11分别示出了由三元翼型组成的水翼的纵剖面图及顶视图。二元翼型的剖面沿翼向的纵向不变化，断阶2的形状及布置比较简单。但是是，由螺旋浆叶组成的水翼可看作是一种三元水翼，这种水翼的剖面是变化的，设置单一的断阶2并不总是能充分地发挥它的作用。因此，常常要设置多个断阶。

如图8，9所示，在邻近本发明的二元翼型的水翼4的负压表面4a的前缘处设置一个断阶2，可在负压表面4a上形成薄层状气穴层3。该气穴层3覆盖了负压表面4a沿叶弦方向从断阶2通过水翼的中部到下游侧，从而降低了负压表面4a对水的摩擦阻力。如图10，11所示，由于沿叶弦方向在靠近负压表面5a的前缘处及在接近中部各设置了断阶2，因而在两个位置形成了薄层状气穴层3，其一在负压表面5a的上游侧，另一个在下游侧。在上游侧及下游侧的气穴层3部分重叠，从接近水翼的前缘的断阶2处到接近尾缘的位置覆盖了负压表面5a，并使负压表面5a对水的摩擦阻力降低。

按照本发明，对于诸如水翼艇的水翼、舰船的螺旋浆叶，和在水下运动的水下涡轮及泵的叶片，都可以不用象使用喷气装置那样设置管系或类似的元件，而可以容易地使这些水翼对水的摩擦阻力大大降低。因而，驱动水翼艇等的能量效率可以提高。

Claims (9)

1、一种低阻力的水翼，包括至少一个沿水翼的叶弦方向平行于前缘设置的顺水流的凹形断阶，以使在水下运动的所述水翼的负压表面上形成薄层状的气穴层。

2、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的弛形断阶的深度△t与叶弦长度c的比△t/c大于0.001而小于0.01。

3、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的断阶离开水翼前缘的距离x₁与叶弦长度c之比为0＜X₁/c＜0.1。

4、根据权利要求1的水翼，其特征在于在沿叶弦方向设置多个断阶时所述的凹形断阶离开所述的水翼的前缘距离Xn符合下式Xn=X₁+ $\underset{\mathrm{i\; =\; 2}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}$ l_i-1,l_i-1是第i-1个断阶形成的气穴层的长度（i＝2～n，n≥2），而X₁是在只有一个凹形断阶情况下，凹形断阶离开所述的水翼的前缘的距离。

5、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的凹形断阶沿叶弦方向具有一个与叶弦方向成直角的上游部分。

6、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的凹形断阶在叶弦方向具有朝水翼上游侧倾斜的上游部分。

7、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的凹形断阶在叶弦方向具有朝水翼下游侧倾斜的上游部分。

8、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的凹形断阶在叶弦方向具有一个直线形的上游部分。

9、根据权利要求1的水翼，其特征在于所述的凹形断阶在叶弦方向具有一个曲线形的上游部分。

Images