CN104229109A

CN104229109A - 扩散型端板螺桨

Info

Publication number: CN104229109A
Application number: CN201310749593.7A
Authority: CN
Inventors: 柯永泽
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-12-24
Also published as: TW201446590A; TWI515147B; US20140363298A1

Abstract

本发明提供一种扩散型端板螺桨，用以驱动船体。此扩散型端板螺桨包括螺毂以及多个叶片。螺毂用以连接船体的传动轴。每个叶片分别具有相连的叶片本体及端板。每个叶片本体连接螺毂且朝远离螺毂的方向延伸至对应的端板。每个端板自对应的叶片本体转折朝向船体的船艉方向延伸。每个端板具有导缘及艉缘。每个导缘与螺毂的轴线保持第一距离。每个艉缘与螺毂的轴线保持第二距离。第一距离小于第二距离。

Description

扩散型端板螺桨

技术领域

本发明是有关于一种螺桨，且特别是有关于一种扩散型端板螺桨。

背景技术

目前的船舶大多是以螺桨带动流体来产生航行的动力，具体而言，当螺桨叶片旋转时，会造成螺桨叶片的高压面与低压面之间存在压力差，而此压力差即形成推进力，以使船舶于水面上前进。

在现有的端板螺桨的设计之中，较为常见的是无翼尖涡漩（tip vortex free,简称：TVF）螺桨以及收缩负载翼尖（contracted loaded tip,简称：CLT）螺桨。无翼尖涡漩螺桨的端板切向于螺桨叶尖的圆柱面，也就是说，当螺桨转动时，端板形成了此圆柱面的一部分，以降低端板的粘性阻力。然而，当流体通过一般螺桨时，会在叶尖尾迹流产生收缩的现象。因此，后续研究者进一步将端板设计成收缩形状，亦即端板的导缘半径大于艉缘半径的收缩负载翼尖螺桨。值得注意的是，无论是无翼尖涡漩螺桨或收缩负载翼尖螺桨均能有效阻止螺桨叶片高压面的流体流向低压面，从而有效维持叶尖的负载以及抑制翼尖涡漩的强度。据此，上述的无翼尖涡漩螺桨以及收缩负载翼尖螺桨所产生的推力，有相当大的比例是由其叶片的高压面所提供，从而降低螺桨的低压面产生空泡的情形。

然而，实际上却发现收缩负载翼尖螺桨于均匀入流状况下转动时，无论其螺桨叶片转动至任何周向位置，端板外侧均会产生片状的空化现象（cavitation），造成端板的阻力升高以及螺桨的推进效率下滑，从而引发额外的船体振动与噪音的可能性，如此对于低振动与噪音的船舶设计需求是相当不利的。更为不利的是，若将收缩型端板螺桨应用于斜轴设计的船体例如是快艇，处于斜轴入流状况下的收缩型端板螺桨，当叶片转至正上方处会于端板处产生更严重的空化现象。

发明内容

本发明提供一种扩散型端板螺桨，可大幅改善或消除螺桨叶片于斜轴入流的状况下转动至任何角度时端板所产生片状空泡的现象。

在本发明的一实施例中，上述的扩散型端板螺桨用以驱动船体朝航行方向前进，而螺毂的轴线不平行于此航行方向。

在本发明的一实施例中，上述的叶片以放射状设置于螺毂上。

在本发明的一实施例中，上述的扩散型端板螺桨为一体成型。

在本发明的一实施例中，上述的扩散型端板螺桨旋转时，导缘的旋转轨迹构成圆柱面，各个端板与各个导缘形成的圆柱面具有负的攻角

在本发明的一实施例中，上述的攻角为负1度。

基于上述，由于本发明的端板螺桨为扩散型端板螺桨，简言之，此扩散型端板螺桨旋转时，不会在端板产生片状空泡，从而提升端板螺桨的推进效率及降低振动与噪音的优点。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所示附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出本发明一实施例的一种扩散型端板螺桨连接于船体的局部示意图；

图2示出图1的扩散型端板螺桨的立体视图；

图3示出图1的扩散型端板螺桨的朝船艉方向的正视图；

图4示出图2的扩散型端板螺桨沿顺时针旋转的示意图；

图5A示出图1的扩散型端板螺桨的斜轴入流速度的示意图；

图5B示出图5A的扩散型端板螺桨沿X轴向顺时针旋转的示意图；

图5C示出5A的扩散型端板螺桨转动至0度周向位置时端板入流速度的示意图；

图5D示出习知螺桨于斜轴入流下转动至0度周向位置时圆柱端板入流速度的示意图；

图5E示出5A的扩散型端板螺桨转动至180度周向位置时端板入流速度的示意图；

图5F示出习知螺桨于斜轴入流下转动至180度周向位置时圆柱端板入流速度的示意图。

附图标记说明：

20：船体；

22：传动轴；

24：船艉；

100：扩散型端板螺桨；

110：螺毂；

120：叶片；

122：叶片本体；

124：端板；

124a：导缘；

124b：艉缘；

124c：端板内表面；

124d：端板外表面；

220：圆柱端板；

A2：航行方向；

C1：第一切面；

C2：第二切面；

D1：第一距离；

D2：第二距离；

I：交界线；

L：轴线；

S1：圆柱面；

第一入流分量；

第二入流分量；

α：端板的设计攻角；

α1：第一实际攻角；

α11：第一圆柱端板由斜流引起的攻角；

α2：第二实际攻角；

α22：第二圆柱端板由斜流引起的攻角；

ωR：圆周速度；

ωR1：圆柱切向入流速度；

斜轴角。

具体实施方式

以下的叙述将伴随着实施例的图式，来详细对本发明所提出的实施例进行说明。附图中，为求便于理解且清楚表示，各构件之间的比例或角度被适当地放大或缩小。因此，图式的各构件之间的比例或角度是用来说明而非用以限制本发明。

图1示出本发明一实施例的一种扩散型端板螺桨连接于船体的局部示意图。图2示出图1的扩散型端板螺桨的立体视图。图3示出图1的扩散型端板螺桨的朝船艉方向的正视图。请参阅图1至图3，本实施例的扩散型端板螺桨100可用以驱动船体20，此扩散型端板螺桨100包括螺毂110以及多个叶片120。螺毂110用以连接船体20的传动轴22。每个叶片120分别具有相连的叶片本体122及端板124，其中每个叶片本体122连接螺毂110且朝远离螺毂110的方向延伸至对应的端板124，每个端板124自对应的叶片本体122转折朝向船体20的船艉24方向延伸。每个端板124具有导缘124a及艉缘124b，其中导缘124a与螺毂110的轴线L保持第一距离D1，艉缘124b与螺毂110的轴线L保持第二距离D2，且第一距离D1小于第二距离D2。

本实施例的扩散型端板螺桨100例如装设于船体20的底部并且操作于斜轴状况下。更详细而言，扩散型端板螺桨100通过螺毂110连接传动轴22的一端，而传动轴22的另一端连接至船体20内的动力装置（图未示）。当动力装置运转时，带动了传动轴22以转动扩散型端板螺桨100并且通过叶片120的旋转，将水流朝船艉24方向后推以产生向前的反作用力，用以驱动船体20朝航行方向A2前进，其中螺毂110的轴线L不平行于此航行方向A2。

一般而言，螺桨叶片120的数目为2至6叶。在本实施例中，叶片120的数目例如是4叶，并以放射状设置于螺毂110上。另一方面，扩散型端板螺桨100例如是利用金属材料或复合材料经由铸造的方式制造而成，换言之，螺毂110与叶片120可以是一体成型，其具有较佳的刚性以负载水流的压力。

请继续参阅图1及图2，叶片120的叶片本体122可进一步包括朝向船艉24的高压面以及背向船艉24的低压面，其中扩散型端板螺桨100所产生的推进力有相当大的比例是由高压面所提供。在此必须说明的是，由于本实施例的扩散型端板螺桨100例如是沿顺时针方向旋转，且端板124可用以阻止叶片120旋转所带动的水流于叶尖流动至低压面，故可确保扩散型端板螺桨100的推进效率并且有效抑制叶尖涡（tip vortex）。

在本实施例中，导缘124a例如是用以引导螺桨高压面之水流沿着端板124内侧流动至艉缘124b，并通过艉缘124b引导水流流出高压面。更详细来说，本实施例的端板124在弦向（chordwise）上自导缘124a延伸至艉缘124b，其中导缘124a与轴线L保持第一距离D1，艉缘124b与轴线L保持第二距离D2，且第一距离D1小于第二距离D2，也因此端板124在弦向上是呈现扩散的形状。

图4示出图2的扩散型端板螺桨沿顺时针旋转的示意图。如图4所示，当扩散型端板螺桨100顺时针旋转时，导缘124a的旋转轨迹可构成圆柱面S1，每个端板124与导缘124a形成的圆柱面S1具有负的攻角α。具体而言，导缘124a与圆柱面S1的交界处构成交界线I，其中导缘124在此交界线I并且沿着端板124的弦向上具有第一切面C1，而圆柱面S1在此交界线I上具有第二切面C2，第一切面C1与第二切面C2所构成的夹角即为上述的攻角α。另一方面，在本实施例中，上述攻角α例如是负1度，亦即本实施例的端板124具有负攻角（negative angle of attack）。

图5A示出图1的扩散型端板螺桨的斜轴入流速度的示意图。图5B示出图5A的扩散型端板螺桨沿X轴向顺时针旋转的示意图。图5C示出图5A的扩散型端板螺桨转动至0度周向位置时端板入流速度的示意图。图5D示出习知螺桨于斜轴入流下转动至0度周向位置时圆柱端板入流速度的示意图。图5E示出图5A的扩散型端板螺桨转动至180度周向位置时端板入流速度的示意图。图5F示出习知螺桨于斜轴入流下转动至180度周向位置时圆柱端板入流速度的示意图。请参阅图5A，申请人进一步经由实验证实，当扩散型端板螺桨100于斜轴状况下旋转时，扩散型式的端板124不仅阻止了高压面的水流流动至低压面，亦可消除叶片120旋转至任何周向位置时端板124所产生的片状空泡。

具体而言，螺毂110的轴线L与船体航行方向A2之间夹有斜轴角其中斜轴角的角度例如是介于8至12度之间，且适用在快艇类等高速船上。更进一步来说，船体20航行时会产生螺桨入流V1，其中螺桨入流V1沿着与航行方向A2相反的方向进入扩散型端板螺桨100，而螺桨入流V1与轴线L所夹的角即为上述斜轴角也因此，螺桨入流V1分别具有平行于轴线L的第一入流分量以及垂直于轴线L的第二入流分量此第二入流分量会使得端板124旋转至0度周向位置的实际攻角增加，而端板124旋转至180度周向位置的实际攻角减少。

如图5B至图5F所示，扩散型端板螺桨100例如是以圆周速度ωR环绕X轴旋转，圆周速度ωR会产生相对的圆柱切向入流速度ωR1，且圆周速度ωR等于圆柱切向入流速度ωR1。当叶片120旋转至0度周向位置时，圆柱切向入流速度ωR1与第二入流分量于端板124处构成由斜轴入流所产生的第一实际攻角α1。值得注意的是，在上述的相同状态下，就习知螺桨的非缩收与扩散的圆柱端板220而言，圆柱切向入流速度ωR1与第二入流分量于圆柱端板220处会构成由斜轴入流所产生的第一圆柱端板攻角α11，其中第一圆柱端板攻角α11为正值。

另一方面，当叶片120旋转至180度周向位置时，圆柱切向入流速度ωR1与第二入流分量于端板124处构成由斜轴入流所产生的第二实际攻角α2。值得注意的是，在上述的相同状态下，就习知螺桨的非缩收与扩散的圆柱端板220而言，圆柱切向入流速度ωR1与第二入流分量于圆柱端板220处会构成由斜轴入流所产生的第二圆柱端板攻角α22，其中第二圆柱端板攻角α22为负值。具体而言，第一圆柱端板攻角α11与第二圆柱端板攻角α22分别是绝对值相同的正负攻角。反观本发明的扩散型端板螺桨100是将叶片120的端板124的攻角α设计为负1度，因此叶片120旋转至0度周向位置时，端板124的第一实际攻角α1是比第一圆柱端板攻角α11减少1度。换句话说，由于端板124的实际攻角的下降，从而降低了低压面产生片状空化的现象。

此外，当叶片120转至180度周向位置时，虽然斜轴入流下所引起的第二实际攻角α2为负，且端板124的攻角α亦设计为负，造成此处的真正入流与端板124的夹角（负值）增加，而使得端板124的端板内表面124c所承受的压力较端板外表面124d为低，但由于端板内表面124c是与螺桨高压面接触，且位于180度周向位置处的端板124没水深度较深，因而不会产生空泡现象，从而有效提升端板螺桨的推进效率，以及抑制空泡与降低螺桨诱导的振动与噪音。

综上所述，本发明的扩散型端板螺桨可阻止螺桨叶片的高压面的流体逆流至低压面，且特别是于斜轴状况下，大幅减缓端板上产生空泡的严重程度，甚至是消除了端板上形成空泡的情形。因此，可大幅提升螺桨的推进效率，并大幅降低螺桨产生的振动与噪音。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种扩散型端板螺桨，用以驱动船体，其特征在于，该扩散型端板螺桨，包括：

螺毂，用以连接该船体的传动轴；以及

多个叶片，分别具有相连的叶片本体及端板，其中各该叶片本体连接该螺毂且朝远离该螺毂的方向延伸至各该端板，各该端板自对应的该叶片本体转折朝向该船体的船艉方向延伸，且各该端板具有导缘及艉缘，该导缘与该螺毂的轴线保持第一距离，该艉缘与该螺毂的该轴线保持第二距离，且该第一距离小于该第二距离。

2.根据权利要求1所述的扩散型端板螺桨，其特征在于，该扩散型端板螺桨用以驱动该船体朝航行方向前进，而该螺毂的该轴线不平行于该航行方向。

3.根据权利要求1所述的扩散型端板螺桨，其特征在于，该扩散型端板螺桨叶片以放射状设置于该螺毂上。

4.根据权利要求1所述的扩散型端板螺桨，其特征在于，该扩散型端板螺桨为一体成型。

5.根据权利要求1所述的扩散型端板螺桨，其特征在于，该扩散型端板螺桨旋转时，该些导缘的旋转轨迹构成圆柱面，该些端板与该些导缘形成的该圆柱面具有负的攻角。

6.根据权利要求5所述的扩散型端板螺桨，其特征在于，该扩散型端板螺桨攻角为负1度。