CN107264764A - 一种新型凹凸转柱操纵装置 - Google Patents

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郭春雨
林健峰
王帆
王一帆
曹绪祥
龚杰
田太平
张东汗
宋妙妍
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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H25/00—Steering; Slowing-down otherwise than by use of propulsive elements; Dynamic anchoring, i.e. positioning vessels by means of main or auxiliary propulsive elements
    • B63H25/06—Steering by rudders
    • B63H25/38—Rudders
    • B63H25/40—Rudders using Magnus effect

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明提供一种新型凹凸转柱操纵装置，在船艉螺旋桨的后方设置有一凹凸转柱，凹凸转柱由船内设置的高速电机驱动，凹凸转柱是表面均匀设置有凹槽的柱体结构。本发明是一种安装在螺旋桨后方的高速旋转的凹凸柱体，能够凭借凹凸柱体旋转时产生的垂直于来流和柱体旋转曲线方向的侧向(升)力对船舶实现操纵，并能吸收螺旋桨尾流的能量，使其产生大于本身消耗能量的升力值。

Description

一种新型凹凸转柱操纵装置
技术领域
本发明涉及一种新型凹凸转柱操纵装置，具体来说是一种适用于对操纵性能要求高的低速船舶的操纵装置。
背景技术
从上个世纪七十年代开始，国内外研究学者就对引用马格努斯(Magnus)效应来设计船舶操纵器产生了兴趣，因为它能以简单的设备、较高的效率实现对船舶的强力操纵。美国己成功地将高速旋转的圆柱应用于2720千瓦的双桨内河推船和3700马力的大型推船上，我国也已有将高速旋转的圆柱用于内河机动驳的成功实例。实践证明这种操纵器能产生很大的侧向推力比，而且构造简单，是为提高船舶机动性提供的一种高效的主动式操纵装置。转柱对解决正航回转性不良或倒航航向不稳定的舰船的操纵问题具有很好的效能。但是高速旋转的圆柱作为船舶操纵器的操纵性能还有进一步的提升空间，在目前已经成功应用于船舶操纵装置的高速旋转的圆柱的基础上，本专利发明了一种新型凹凸转柱操纵装置。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种易于生产制造，使用和操作方便，能够进一步提高船舶操纵性能的新型凹凸转柱操纵装置。
本发明的目的是这样实现的：在船艉螺旋桨的后方设置有一凹凸转柱，凹凸转柱由船内设置的高速电机驱动，凹凸转柱是表面均匀设置有凹槽的柱体结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述凹槽是半圆形凹槽。
2.所述凹槽是矩形凹槽。
3.所述半圆形凹槽有16个，且半圆形凹槽的半径为0.05D，D为凹凸转柱的直径。
4.所述矩形凹槽有18个，矩形凹槽的宽为0.05D、槽深为0.025D，D为凹凸转柱的直径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一种安装在螺旋桨后方的高速旋转的凹凸柱体，能够凭借凹凸柱体旋转时产生的垂直于来流和柱体旋转曲线方向的侧向(升)力对船舶实现操纵，并能吸收螺旋桨尾流的能量，使其产生大于本身消耗能量的升力值。本发明构造简单，操舵时间短，应舵迅速，能够减小船舶转弯时的回转直径，具有良好的航向稳定性。本发明主要适用于小型船舶、大型滚装船以及内河推轮等船舶上，也可以适用于双桨双舵的低速船舶。本发明在船舶倒航与停船时仍具有操纵能力，这是普通流线型舵无法实现的。本发明的转柱表面的凹凸形式能够增加转柱表面粗糙度，能够提升操纵性能；凹凸转柱在螺旋桨的尾流中高速旋转时，能吸收螺旋桨尾流的能量，使其产生大于本身消耗能量的升力值；本发明在船舶倒航与停船时仍具有操纵能力；本发明也可以适用于双桨双舵的低速船舶。
附图说明
图1是本发明的一种新型凹凸转柱操纵装置布置图；
图2是在均流中的“Magnus”效应原理图；
图3是本发明的带有矩形凹槽的凹凸转柱截面图；
图4是本发明的带有半圆形凹槽的凹凸转柱截面图；
图5是本发明的一种新型凹凸转柱操纵装置工作原理图。
图中：1.凹凸转柱，2.螺旋桨，3.圆柱，4.均匀来流，5.矩形凹槽，6.半圆形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明主要包括两种不同截面形状的凹凸柱体、高速电机以及转速控制装置。本发明是根据马格努斯(Magnus)效应设计的船舶操纵装置；凹凸转柱1安装在船尾的螺旋桨2后方，代替普通的流线型舵，由高速电机带动凹凸柱体进行高速旋转，由转速控制装置控制凹凸柱体的旋转方向和速度。当船舶直航时凹凸转柱不旋转，当船舶操左舵时凹凸转柱顺时针高速旋转，当船舶操右舵时凹凸转柱逆时针高速旋转，即可实现船舶的方向控制。在船舶倒航与停船时，启动凹凸转柱，使船舶仍具有操纵能力。
参照图2、5，根据马格努斯(Magnus)效应，图2给出了圆柱3的马格努斯效应，而凹凸转柱在高速旋转时可以带动周围流体旋转，使得凹凸转柱一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。根据伯努利定理，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就会导致凹凸转柱在横向的压力差，并形成横向力。凹凸转柱在螺旋桨的尾流中高速旋转时，能吸收螺旋桨尾流的能量，使其产生大于本身消耗能量的升力值。
参照图3，带有矩形凹槽5的凹凸转柱，有18个均匀分布的矩形凹槽，设凹凸转柱的直径为D，则矩形凹槽的宽为0.05D，槽深为0.025D。
参照图4，带有半圆形凹槽6的凹凸转柱，有16个均匀分布的半圆形凹槽，设凹凸转柱的直径为D，则半圆形凹槽的半径为0.05D
也即本发明是一种新型凹凸转柱操纵装置，主要包括两种不同截面形状的凹凸柱体、高速电机以及转速控制装置。
当一个旋转物体的旋转角速度矢量与物体前进速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力。在这个横向力的作用下物体前进轨迹发生偏转的现象称作马格努斯(Magnus)效应。旋转物体之所以能在横向产生力的作用，是由于物体旋转可以带动周围流体旋转，使得物体一侧的流体速度增加，另一侧流体速度减小。根据伯努利定理，流体速度增加将导致压强减小，流体速度减小将导致压强增加，这样就导致旋转物体在横向的压力差，并形成横向力。转柱在均流中的“Magnus”效应如图2所示。
二元柱体在水中以转速n作旋转运动时产生环量Γ，当它处于速度为V的均流中便会产生作用于圆心点上的升力Y。
根据茹可夫斯基公式：
Y＝ρVΓ (1)
式中由转柱在水中的粘性形成的环流Γ＝πdu(转柱表面旋转速度u＝nπd)由此得到：
Y＝ρVπdu (2)
若把转柱升力表示为：
Y＝CYρV2S/2 (3)
(转柱特征面积S＝d·l；对单位长转柱S＝d·1)则升力系数：
CY＝2πu/V (4)
这就是二元转柱升力系数的理论公式，但实际上的转柱难以达到二因次那样的效果，而且还由于水粘性损耗使转柱周周的环流量小于理论上的值。

Claims (5)

1.一种新型凹凸转柱操纵装置，其特征在于：在船艉螺旋桨的后方设置有一凹凸转柱，凹凸转柱由船内设置的高速电机驱动，凹凸转柱是表面均匀设置有凹槽的柱体结构。
2.根据权利要求1所述的一种新型凹凸转柱操纵装置，其特征在于：所述凹槽是半圆形凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种新型凹凸转柱操纵装置，其特征在于：所述凹槽是矩形凹槽。
4.根据权利要求2所述的一种新型凹凸转柱操纵装置，其特征在于：所述半圆形凹槽有16个，且半圆形凹槽的半径为0.05D，D为凹凸转柱的直径。
5.根据权利要求3所述的一种新型凹凸转柱操纵装置，其特征在于：所述矩形凹槽有18个，矩形凹槽的宽为0.05D、槽深为0.025D，D为凹凸转柱的直径。
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