CN1072146A

CN1072146A - 导流装置

Info

Publication number: CN1072146A
Application number: CN92111177A
Authority: CN
Inventors: 赫伯特·施内克卢特
Original assignee: Alfred Dudestrus
Current assignee: Alfred Dudestrus
Priority date: 1991-11-02
Filing date: 1992-10-27
Publication date: 1993-05-19
Also published as: EP0540868A1; DE4138281C1; PL296437A1; DE59206029D1; EP0540868B1

Abstract

本发明由现有技术中的导流装置综合而成。采用一个类似科特导管(Kortdiise)上部的、由鞍型导瓦构成的螺旋桨的部分罩壳装在螺旋桨之上，并由此支撑设置在螺旋桨前面或后面，近乎水平及径向的导流尾翼，使与鞍型导瓦固定地结合成为一个整体，使鞍型导瓦的刚性和导流尾翼的坚固性得到加强。导流系统的导瓦部件与螺旋桨叶片梢作用圈之间的距离在螺旋桨叶片的入口处和出口处被加大，以便减少振动，该振动是由与螺旋桨叶片梢一同环行的压力冲击引起来的。

Description

本发明涉及一种船舶螺旋桨用的导流装置，其形式为一罩壳，固定地或可转动地装在船上。

已知的船舶螺旋桨用的导流装置具有各种不同的构造方式。其中有具有机翼型截面的全环型导管，如科特导管（Kortdüse），由于是封闭的环形，可将整个螺旋桨周围都包围起来。这种装置可使具有较高推力载荷系数的船，如拖轮、推力游艇或曳网渔船等具有较低航速和较高推力载荷系数的船的推进效率显著地提高。当它加装在具有较小推力载荷系数和较高航速的船，如运输船、客轮或铁道轮渡船上时，由于全环导管的内在阻力几乎随着航速的平方而增长，因而受到限制。

较早是在德国专利DD-B-238 586和DE-A-36 20 540号中所公开的设在螺旋桨前面的导流面装置的构造。在安排在螺旋桨前的有效的导流装置中，德国专利DE-B-32 16 578号所实现的一种装置具有独特的功能上和结构上的优点。

另外在德国专利DE-A-2250754号中还公开了一种可以改进振动和推进的装置，该装置是用一弓形的机翼放在螺旋桨盘面内螺旋桨的上方，但在翼片入口处和出口处所所产生的振动问题还没有解决。

因此存在的缺憾是，至现在为止还没有公开过一个合适的措施，可以普遍使用在具有中等推力载荷系数的螺旋桨船舶上，借以改善推进、减少振动并改善航海或驾驶性能。

在加装一个科特导管后，人们知道，对于高推力载荷系数的船，如运输船和推力游艇，可使推力和效率改善达30%。对于载货海船加装科特导管，则很少能达到超过7%的改善。

对于大多数只有较小推力载荷系数，例如具有较大的螺旋桨直径和较小的功率的商业船，一个科特导管甚至可以引起效率降低的不良后果。

用作采用科特导管判据的“载荷系数”，在分子上是驱动功率或推力，在分母上是一项乘积，该乘积上有进流速度的三次或二次幂。在科特导管是否宜于采用的判据中的进流速度，在正常情况下考虑的是通过螺旋桨盘面的平均进流速度。如果现在只就螺旋桨盘面的上半部考查科特导管的作用，那么就应考虑在该区域内存在的局部进流速度，而该速度由于船体形状的关系显著地低于平均进流速度，这说明，上半部导管的载荷特征数要比整个科特导管的特征数来得大，因此采用全环科特导管在许多情况下只能得到较小的增益，其中上部扇形区可得较大的增益，而下部扇形区却有小量的能量流失。

由此可以得出，为了在一广阔的范围内适用于普通商船-就提高效率而言-只须在上部扇形区装上部分导管即可。为什么这样一种构造不能付诸实用是因为一个“半爿的”或部分的导管不像环形那样具有刚度，也就是说很难把一个部分导管做得如此刚强，以致它以水力或其他载荷下不会变形。另外还有一个缺点是，在导管内壁与螺旋桨叶片梢作用圈之间采用一个尽可能小的间隙时，由于导管边腹在操作时会弹性地向内压入，以致螺旋桨能碰到导管内壁，这时导管和螺旋桨都会受到损害，效率也会消失。一个部分导管虽然可以用简单的方法充分固定，但要造得充分刚强需化较大费用。因此已公开的专利最多只是将科特导管切去小于四分之一的圆周用于螺旋桨的上部扇形区。

实际上不仅不用半爿导管，就连从模型试验中为人们所熟知的、可使送往螺旋桨的水流进行预旋转的水平导流面也是几乎不用的，因为担心航海时会出现波浪冲击现象而造成损害。

曾被指出，科特导管在航海时的所以不适用主要是由于下列三条理由：

-效率仅仅少量改善，却要化费大量费用;

-由于在螺旋桨叶片梢与导管内壁之间会卡住一些东西，造成实际的或仅为假想的作业被扰乱的危险;

-容易形成空泡。

本发明的目的是使这一类装置得到改善，可以改善推进、减少由螺旋桨产生的振动，另外还要能用简单办法在后来进行安装。

本发明是通过下列各项的综合来达到上述目的的：

-由鞍型导瓦构成的螺旋桨罩壳设在螺旋桨盘面内，对螺旋桨上部扇形区至少要有一个100～300°的包围角;

-在螺旋桨罩壳的前面或后面有一近乎水平的导流尾翼与船体或舵柱连结;

-在螺旋桨罩壳内壁与螺旋桨叶片梢作用圈之间的间隙在螺旋桨叶片的入口处和出口处至少须增大螺旋桨半径的4%。

把以上这些综合起来可以得到一个共同作用的系统，该系统可有效地减少驱动功率的需要，另外还可调整螺旋桨的进流速度并由此减少螺旋桨所产生的振动。现代货船对这种振动

-通过推力载荷系的减少得到的螺旋桨效率的改善;

-通过进流的调整得到的螺旋桨效率的改善;

-通过鞍型导瓦与船尾、尾突出部和舵柱的适于水流的连结减少阻力。

对已考虑在内的各种船型，采用鞍型导瓦的功率节省可达10%以上，比采用其他推力改善措施都来得大。

在一个可转动的装置上除了在船体长度上应用流线技术外，还通过延长船尾线来减少旋涡数。

本发明的装置也可产生空泡现象，但该现象由于在导瓦内壁上产生的空穴气泡通过环形槽而可在两种情况下得到缓和。一种情况是每当环行槽使边界层产生较强的旋涡时，较大的空穴气泡将松散成许多小的空穴气泡，个别发生爆裂、消失强度。另外空穴气泡还像游入的物质一样，可从导瓦内壁上向下排除。

对一固定安装的鞍型导瓦构成的螺旋桨罩壳，需要将其最小的导瓦内径先不放在螺旋桨范围内，而在安装这种鞍型导瓦时再将它举高到螺旋桨的上方。对美国航空特许协会规定的NACA型截面，构成导瓦时其鼻端适宜给予一个略大的半径，因为比起普通的飞行器机翼来，在这里进流方向具有较大的区别。

一个构造上的可能性在于将鞍型导瓦的型截面做成可以简易成形的型截面，基本上由圆柱面或圆锥面构成，如同舒希金（Schuschkin）和豪爱善（Heuser）所研制出的那样。

一个合适的构造可由下列这些组成：鞍型导瓦及/或具有端盘或小翼的尾翼。

略成径向设置的尾翼的导流面有一静力学的任务和一水特别敏感，因为设有居住设备和全船领导中心位在很远的后面，通常直接安排在螺旋桨的上方。

这种鞍型导瓦的装置不仅可有利地装在新造的船上，也可后加在那些原来没有设想鞍型导瓦的船上。后装时在正常方式下整个构件可从外面拿来，没有一个构造部分需要拆掉或更换，只须将增加的部分装上即可。

比起科特导管来，鞍型导瓦在加装方面还有这样的优点，即并不需要增加从基线到螺旋桨叶片梢的距离。对普通的船体外形、螺旋桨和舵总可装上一个鞍型导瓦。

就浮游物质被夹住在螺旋桨叶片梢与导管内壁之间的危险来说，鞍型导瓦也比传统的科特导管来得小，这是因为首先鞍型导瓦是向下开放的，如果有一个游人的物质甚至环绕一块物质一起运动，那么它可向下释放。另外还可以通过在螺旋桨罩壳上相应的槽使边界层变厚，从而使游入的物质被引向中心向轮毂的方向排出。

采用这种构造虽然导瓦自身的阻力略有增大，但驱动功率需要几乎并不提高，因为由于边界层加厚，在螺旋桨叶片梢作用圈与导瓦内壁之间的间隙损失会显著降低。

总结起来，本发明以鞍型导瓦为螺旋桨罩壳在效率上的收益可归纳为以下几点：

-从一个较大体积的向后水流中取得能量回收，否则该体积将在螺旋桨的上方流失;

-从螺旋浆诱导出来的鞍型导瓦推力而获得的推力收益;

-由通过导流尾翼的螺旋桨流束的预旋转或消除旋转得到的推力增益;

力学的任务。从静力学来讲，这些尾翼支撑鞍型导瓦，而与鞍型导瓦的连接反过来又可保护尾翼使面临航海的高要求。从水力学来讲，尾翼可使流向螺旋桨的水流在鞍型导瓦前按与螺旋桨旋转相反的方向进行一个预旋转，这样水流在离开螺旋桨时旋转损失可较小。对一可转动的装置当将尾翼安排在螺旋桨之后时，尾翼可从离开螺旋桨的水流中收回一部分旋转能量。

尾翼可以这样构造，使它还能承担另外的任务。它可以很强固地后掠地安装着，作为破冰器用。另外它也可以按照所谓格罗修斯一司宝伦（Grothues-Spoilern）技术在面向船体的这一边以其前缘向上拉，它可使在螺旋桨范围内在船外壳上常见的下降水流大部分在水平方向上掉头。

一定的后掠是很有意义的，它可使尾翼后缘与螺旋桨的平均距离不致太小。

也有可能，这样做后螺旋桨/导流面的间距又会太大，这时或是将鞍型导瓦的型截面长度制作得大些，或是在鞍型导瓦和尾翼之间安排一个如同斜撑那样的固定连接零件。

在没有附加装置时，鞍型导瓦可能由于螺旋桨叶片梢的入口和出口而在整个导瓦范围内产生振动。为了减少这个振动，本发明将鞍型导瓦的入口部分这样向下延长并这样构造，使叶片梢与导瓦内壁接近而间隙逐渐变小。在导瓦的出口部分也可这样构造。其他为了减少可能发生的振动而采取的措施有如下列：

-采用高斜度的螺旋桨，避免采用卡普兰（Kaplan）螺旋桨;

-引导水流越过格栅内侧，其时鞍型导瓦内壁被局部隔断，水流可超过格栅内侧引导出去。格栅，这个由于能将船首流束运送到船尾而为人所熟知的元件，能通过其特性而起作用，其表面能引导水流并能承受压力冲击。水流运动的方向与格栅面向水流的边缘近乎垂直;

-将鞍型导瓦的下部具有弹性的构造，使该部分能承受一些压力冲击。

显然还有一些在这方面申请授权的专利是属于综合型的，例如DE-Z Hansa 1974年11号1008，1009页所公开的是一个全环导管与一个所谓贝干（Becker）舵的结合。另外德国专利DE-OS 19 38 480号所揭示的则是一个作为螺旋桨罩壳的科特导管，其时在导管内壁上设有一道环行槽可使水流以反对螺旋桨旋转的方向旋转。

在德国专利GB 2 063 378 A1号还公开了一种结合起来的构造，其时在前导管的延长部分上加设端盘。另外从DE-Z Hansa 1962年19号第1841面上可以得知，一个全环导管和一个固定连结的舵通过在导管侧边所装导流面来加强的情况。

现用图概略地示出本发明的实施例，其中：

图1为鞍型导瓦的侧视图，

图2为图1中沿Ⅱ-Ⅱ线的横剖面图，

图3为鞍型导瓦的纵剖面图，

图4为具有半环形格栅的鞍型导瓦的纵剖面图，

图5为具有环绕的环形槽和格栅的鞍型导瓦的纵剖面图，

图6为图5中沿Ⅳ-Ⅳ线的横剖面图，

图7为具有共转舵的可转动鞍型导瓦的侧视图，

图8为图7的水平剖视图，

图9为在船体长度方向左舷的双螺旋桨装置用连接件把鞍形导瓦连接到船体上的视图。

在画出的具有构造水线9的船体轮廓1上设有挂舵臂2，其上装有舵3。在这范围内并装有带轮毂5的螺旋桨4，它有一个螺旋桨叶片梢的作用圈14。靠近螺旋桨4有一鞍型导瓦构成的螺旋桨罩壳6。该罩壳6通过中间连接元件8与船体的尾部或船尾突出部1连接。在图2中画出作为连接区的肋骨轮廓。在罩壳6的前端设有一与其端部范围连接的导流面7，该导流面略成径向横越尾轴管区域。

螺旋桨罩壳6在面向螺旋桨的一边设有许多槽子10。按照图4和图5，在尾部范围还增设有格栅13，该格栅13构成相应的掏空12。

通过格栅12，13在螺旋桨罩壳6下部的安排，在螺旋桨叶片受到拍打时由压力冲击招致的损害便可减少。压力冲击将由在其后设立的壁来抵挡。那就是说在叶片梢与导瓦内壁之间原有一个流动用的窄小间隙，由于压力冲击会使导瓦内壁与叶片梢之间的距离改变（这是看不见的在图上亦未画出）。

为了使压力冲击的影响减弱，可使导瓦的截面形状进一步改进并增大从导瓦内壁到螺旋桨叶片梢作用圈14的距离，其时在入口处及出口处，至少应增大螺旋桨半径的4%。

为了减少螺旋桨叶片受到拍打时在螺旋桨罩壳下部出现的振动，可将螺旋桨罩壳下部用一种挠性材料制成，使从叶片梢发出的冲击较少被继续传递。

此外还可切合实际地在考虑下列各项提示后再安排螺旋桨罩壳：

由于至螺旋桨去的水流最容易在上面对准方向，而水流从上面看从中间向后是收敛的，因此使导瓦截面方向与水流方向匹配是富有意义的。

拿鞍型导瓦与科特导管对比，这种在进流方向上的对准对鞍型导瓦来说是比较容易做到的，因为只须注意一个较小流场内的水流方向就可以了。位在螺旋桨叶片梢作用圈14之前的水平导流面7离开螺旋桨罩壳6的距离，按照常用的有利情况，约为螺旋桨罩壳6截面长度的三分之二到四分之三。从静力学和构造的刚性来看，适宜的做法是将水平导流面7突入到螺旋桨罩壳的里面，至于水平导流面的后缘应向后多少远当以功率节省和振动安全允许为度。可能在导面7和螺旋桨罩壳6之间要有一个连接元件。

螺旋桨罩壳6的横截面的形状须与船只形状、螺旋桨形状以及螺旋桨功率匹配。由于螺旋桨4并没有完全被罩住，采用一个卡普兰螺旋桨是意义不大的。

在图7和图8所示的另一个实施例中，导流面7可转动地装在船体上一个轴承15上。此时装在挂舵臂2上的舵3也会一同转动。在图8中水流方向用代号16来表示。

螺旋桨罩壳6与一可转动的挂舵臂2连接，而一个自动的或可单独操作的舵3，其摆幅比鞍型导瓦的转动角要大。

用一在螺旋浆转动角为10度范围内的斜切面来使螺旋桨罩壳与螺旋浆4叶片梢作用圈之间的间隙扩大。

导流尾翼7的调整角须使螺旋浆的进流在越过尾翼后改变方向，并且调整角和型面在两边是不同的。

另外在图9中示出一个用双螺旋桨装置用的导流装置。这时装置上靠近船体中部的部分应延长而向外的部分应缩短，同时尾翼7应向船体中部截面倾斜。

Claims

1、船舶螺旋桨用的导流装置，其形式为一罩壳，固定地或可转动地装在船上，其特征为，

--由鞍型导瓦构成的螺旋桨罩壳(6)设在螺旋桨盘面内，对螺旋桨上部扇形区至少要有一个100～300°的包围角，

--在螺旋桨罩壳(6)的前面或后面有一近乎水平的导流尾翼(7)与船体(1)或舵柱连结，

--在螺旋桨罩壳内壁与螺旋桨(4)叶片梢作用圈(14)之间的间隙在入口处和出口处至少须增大螺旋桨半径的4%。

2、按照权利要求1的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）与一挂舵臂（2）固定连接。

3、按照权利要求1的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）可转动地装在船体（1）上的一个轴承（15）上。

4、按照权利要求1或3的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）与一可转动的挂舵臂（2）连接，而一个自动的或可单独操作的舵（3），其摆幅比鞍型导瓦的转动角要大。

5、按照权利要求1至4中的一个的导流装置，其特征为，用一在螺旋桨转动角约为10度范围内的斜切面来使螺旋桨罩壳与螺旋桨（4）叶片梢作用圈之间的间隙扩大。

6、按照权利要求1至5中的一个的导流装置，其特征为，导流尾翼可向外突出超过螺旋桨罩壳。

7、按照权利要求1至6中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）的型截面在方向、形状和长度上须与水流方向匹配，并随罩壳外围尺寸的更换而不同。

8、按照权利要求1至7中的一个的导流装置，其特征为，在螺旋桨罩壳（6）的内壁上设有添加的槽（10）及/或形成的型面以便使边界层变厚。

9、按照权利要求1至8中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）或导流尾翼（7）具有端盘或小翼。

10、按照权利要求1至7中的一个的导流装置，其特征为，导流尾翼（7）的调整角须使螺旋桨的进流在越过尾翼后改变方向，并且调整角和型面在两边是不同的。

11、按照权利要求1至8中的一个的导流装置，其特征为，分导尾翼（7）在高度方向成V形及/或在水流方向互相成为后掠状态。

12、按照权利要求1至11中的一个的导流装置，其特征为，在船体长度方向前面设置的导流尾翼（7）的前缘可与船体纵轴成为锐角，作为破冰器使用。

13、按照权利要求1至12中的一个的导流装置，其特征为，除了在两侧的主尾翼外，还可以另外安排一个或多个近乎径向的尾翼。

14、按照权利要求1至13中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）的型截面可由主要为圆柱形和圆锥形外表面的简单形状构成。

15、按照权利要求1至14中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）的内壁可局部地或完全地隔断，使通过螺旋桨罩壳（6）的水流越过设置的格栅（13）的内侧导出。

16、按照权利要求1至15中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）在螺旋桨叶片的入口处具有一个尖锐的或尖端倒成圆角的切口。

17、按照权利要求1至16中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨（4）所面对的螺旋桨罩壳（6）的内壁可由许多可更换的壁面元件构成。

18、按照权利要求1至17中的一个的导流装置，其特征为，在螺旋桨叶片的入口处和出口处，作为螺旋桨罩壳（6）的端部可由挠性材料制成。

19、按照权利要求1至18中的一个的导流装置，其特征为，螺旋桨罩壳（6）被安排在一高斜度螺旋桨的上方。

20、按照权利要求1至19中的一个的导流装置，其特征为，当它装在双螺旋桨或多螺旋桨的船上而可环绕其长轴旋转时，这时装置上靠近船体中部的部分应延长而向外的部分应缩短，同时尾翼（7）应向船体中部截面倾斜。