CN104627341A - 一种仿生螺旋桨 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种仿生螺旋桨，包括桨叶，桨叶的导边部为凹凸前缘结构、桨叶的叶梢为锯齿结构，所述的凹凸前缘结构为14个突起节点，突起节点的大小自导边部中间处的突起节点向两边依次减小，平滑过渡至叶梢和桨毂，突起节点的突起处和凹陷处的切面均为机翼切面形状，所述的锯齿结构为4个锯齿，分布在随边桨叶中线17-25度的区域，在桨叶叶梢处形成向内的锯齿凹陷以及向外的锯齿尖点，每个锯齿的投影均为等腰三角形。本发明可以使桨叶表面的边界层分离区相对于标准桨叶明显变小，从而增大失速角；在多工况下均能较充分利用主机功率，减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率的浪费以及空泡噪声的产生，提高了船舶能源利用的效率。

Description

一种仿生螺旋桨

技术领域

本发明涉及的是一种船舶推进器，具体地说是螺旋桨。

背景技术

螺旋桨作为船舶最常见的推进器应用于绝大多数船舶上，其范围非常广泛。随着科学技术的发展，人们对螺旋桨所能提供的水动力性能有了更高的要求。近几年来，增加螺旋桨的推力及其效率和降低空泡等问题成为螺旋桨水动力性能研究的热点。

a.凹凸前缘结构

随着科技的发展，人们不再满足于传统机翼所提供的水动力性能，为了提高鳍的升力，人们利用模仿座头鲸的胸鳍前缘突起的方法来达到增加鳍的升力的目的，为船舵及飞机的机翼提出了一种新的设计思路。

b.锯齿形叶梢

从1970年以来，世界各国都在对螺旋桨叶梢形状进行研究，桨叶加工技术的不断进步，使得复杂的叶梢形状在工程上可以实现，其应用研究也从二维线性变化升级到三维变化。国外学者根据夜行猫头鹰翅膀低噪的原理提出了锯齿形叶梢的概念，曾经有学者将其应用于消除螺旋桨鸣音的研究，但在降噪方面的研究还处于起步阶段。随着理论计算方法和实验技术的进步，这方面的研究具有重要理论和应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供模仿座头鲸的胸鳍前缘突起结构和猫头鹰翅膀结构的一种仿生螺旋桨。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种仿生螺旋桨，其特征是：包括桨叶，桨叶的导边部为凹凸前缘结构、桨叶的叶梢为锯齿结构，所述的凹凸前缘结构为14个突起节点，突起节点的大小自导边部中间处的突起节点向两边依次减小，平滑过渡至叶梢和桨毂，突起节点的突起处和凹陷处的切面均为机翼切面形状，所述的锯齿结构为4个锯齿，分布在随边桨叶中线17-25度的区域，在桨叶叶梢处形成向内的锯齿凹陷以及向外的锯齿尖点，每个锯齿的投影均为等腰三角形。

本发明还可以包括：

1、凹凸前缘结构的突起节点的最大高度h为：h＝L/10，L为突起节点的最大高度处的叶宽，突起节点的投影曲线为：x取值范围为(0，180°)。

2、4个锯齿投影的顶角θ从大到小依次为45°、30°、15°、10°，等腰三角形的高为H，则H＝Lsinθ/5，L为突起节点的最大高度处的叶宽。

本发明的优势在于：本发明可以使桨叶表面的边界层分离区相对于标准桨叶明显变小，从而增大失速角；具有更大的桨叶面积，在一定主机功率下能产生更大的推力；该螺旋桨结构简单，安装方便，降低船舶的整体制造成本；在多工况下均能较充分利用主机功率，减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率的浪费以及空泡噪声的产生，提高了船舶能源利用的效率。

附图说明

图1为导边带有凹凸结节的螺旋桨桨叶平面图；

图2a为导边部“突起处”桨叶剖面图，图2b为导边部“凹陷处”的桨叶剖面图；

图3为叶梢带有锯齿的螺旋桨桨叶；

图4为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～4，本发明桨叶的导边部带有凹凸结节突起，叶梢呈现锯齿形状。有助于提高螺旋桨的推力、大量减少螺旋桨的空泡并且有助于提高螺旋桨的降噪性能，对船舶的螺旋桨提出了一种全新的设计思路。该技术增加螺旋桨的水动力性能的机理在于：导边部的突起产生反向旋转的旋涡，向液流中注入动力，使液流紧贴表面，同时机翼前缘凹凸节点改变了机翼边界层的厚度并干扰边界层中的涡旋状态，形成有利于减少阻力的流向涡，从而达到减阻增升的目的；叶梢的锯齿在桨梢部位诱导出多个弱集中涡，被离散后弱集中涡束与后续桨叶遭遇把强桨涡干扰分散成连续、高频低幅的冲击，在运动过程中进一步增强了粘性耗散效应，从而会有效削弱桨涡干扰。该新型螺旋桨能在多工况下较充分的利用主机功率，具有较高的推进效率；其独特的外形结构，可以有效缓解空炮、噪音等诸多问题，而且对水的搅拌产生的泡沫尾迹小。这种新型螺旋桨结构简单紧凑，具有较高的推进效率，降低了船舶的整体制造成本，是颇有发展前景的桨具。

凹凸前缘结构是由14个形状相似、大小不一的突起节点组成。突起节点在导边部的排列情况如下：凸起从桨叶中线开始，并且位于导边中间处的突起节点是最大的，其余突起节点的突起程度沿导边向两边依次减小，平滑过渡到叶稍和桨毂附近。如图1所示与普通螺旋桨相比新型螺旋桨具有更大的桨叶面积，在一定主机功率下能产生更大的推力。相邻的“突起处”和“凹陷处”切面形状相似，均与机翼切面相仿。但两处的切面长度不同，“突起处”比“凹陷处”多出一个突起节点的长度。突起节点形状的确定：

节点的最大高度为：h＝L/10其中h为节点的最大高度，L为此处的叶宽。在图1中，突起节点的投影曲线是正弦曲线，其表达式为：

$f\left(x\right)=\frac{L\·\sin x}{10}$

其中L为节点的最大高度处的叶宽；x取值范围为(0，180°)。

螺旋桨叶梢形状为锯齿状

螺旋桨叶梢分布着4个形状相似、大小不一的锯齿结构，分布在随边桨叶中线17°到25°的区域，在螺旋桨叶梢处形成向内的锯齿凹陷以及向外的锯齿尖点。其中，两端的凹陷程度最大，中间凹陷程度最小；两端的突起尖点最为平缓，中间的锯齿尖点最陡峭。每个锯齿的投影为等腰三角形，三角形的顶角(θ)从大到小依次为45°、30°、15°、10°。令三角形的高为H，则其表达式为：

H＝Lsinθ/5

其中L为节点的最大高度处的叶宽；θ为三角形顶角。

该新型仿生螺旋桨桨叶能应用于三叶、四叶、五叶等多叶螺旋桨，该新型桨叶的导边部带有凹凸结节突起，叶梢呈现锯齿形状。采用这种凹凸前缘和锯齿结构的新形螺旋桨配上与之适应的主机，能够减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率的浪费以及空泡噪声的产生，形成有利于减少阻力的流向涡，达到减阻增升的目的，从而在多工况下较充分的利用主机功率，具有较高的推进效率。

桨叶的前缘突起产生反向旋转的旋涡，向液流中注入动力，使液流紧贴表面，延缓了桨叶高冲角时的失速；同时也改变了机翼边界层的厚度并干扰边界层中的漩涡状态，形成的流向涡有利于减少阻力，从而达到减阻增效的目的。减少常规螺旋桨和导管螺旋桨主机功率的浪费以及空泡噪声的产生，提高了船舶能源利用的效率。

叶梢的锯齿在桨梢部位诱导出多个弱集中涡，被离散后弱集中涡束与后续桨叶遭遇把强桨涡干扰分散成连续、高频低幅的冲击，在运动过程中进一步增强了粘性耗散效应，从而会有效削弱桨涡干扰。

Claims (3)

1.一种仿生螺旋桨，其特征是：包括桨叶，桨叶的导边部为凹凸前缘结构、桨叶的叶梢为锯齿结构，所述的凹凸前缘结构为14个突起节点，突起节点的大小自导边部中间处的突起节点向两边依次减小，平滑过渡至叶梢和桨毂，突起节点的突起处和凹陷处的切面均为机翼切面形状，所述的锯齿结构为4个锯齿，分布在随边桨叶中线17-25度的区域，在桨叶叶梢处形成向内的锯齿凹陷以及向外的锯齿尖点，每个锯齿的投影均为等腰三角形。

2.根据权利要求1所述的一种仿生螺旋桨，其特征是：凹凸前缘结构的突起节点的最大高度h为：h＝L/10，L为突起节点的最大高度处的叶宽，突起节点的投影曲线为：x取值范围为(0，180°)。

3.根据权利要求1或2所述的一种仿生螺旋桨，其特征是：4个锯齿投影的顶角θ从大到小依次为45°、30°、15°、10°，等腰三角形的高为H，则H＝Lsinθ/5，L为突起节点的最大高度处的叶宽。