CN109250058A - 一种导管的设计方法以及船用螺旋桨导管 - Google Patents

一种导管的设计方法以及船用螺旋桨导管 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种导管的设计方法，包括如下步骤：步骤一：采用四次多项式分别表达导管的拱弧线和厚度线；步骤二：采用二次多项式表达首尾导圆，采用斜率和连接点光顺条件连接导管主体；步骤三：采用二维翼型分析方法确定导管的升阻力系数；步骤四：采用循环优化几何形状；步骤五：结合螺旋桨的性能分析确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果；步骤六：确定最终导管几何并输出。本发明在设计的过程中采用了更加合理的公式，本设计方法借鉴了成熟的气动翼型的生成和优化方法，并结合水动力的要求完成导管的设计。

Description

一种导管的设计方法以及船用螺旋桨导管
技术领域
本发明涉及船用螺旋桨领域，尤其涉及到一种导管的设计方法以及船用螺旋桨导管。
背景技术
螺旋桨导管是导管螺旋桨的重要组成部分，对于螺旋桨的推进效率和螺旋桨的推力都产生重要影响。现有螺旋桨导管在导管进流口处的流线形状对于螺旋桨效率的提升还有一定的改进空间。螺旋桨导管是导管螺旋桨的重要组成部分，对于螺旋桨的推进效率和螺旋桨的推力都产生重要影响。
在现有技术中，专利文献号为CN103963948A，其授权日为2017.02.15，公开了一种高效导管设计方法。提出了一种基于导管参数化表达方法的高效导管设计方法，并利用CFD计算方法来设计高效导管。该发明专利为重负荷船舶提供一种高效导管设计方法，首尾导圆采用圆弧表达，导管其他曲线采用三次Hermite插值方法构成；该方法提供了一种分段式表达导管的参数方式，需要额外考虑分段间的连续条件，通过CFD方法来设计耗时长，并没有优化过程。
本发明就是为了解决以上问题而进行的改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种导管的设计方法以及船用螺旋桨导管，其作用是进一步提升螺旋桨的推进效率，降低空泡发生概率。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种导管的设计方法，包括如下步骤：
步骤一：采用四次多项式分别表达导管的拱弧线和厚度线；
步骤二：采用二次多项式表达首尾导圆，采用斜率和连接点光顺条件连接导管主体；
步骤三：采用二维翼型分析方法确定导管的升阻力系数；
步骤四：采用循环优化几何形状；
步骤五：结合螺旋桨的性能分析确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果；
步骤六：确定最终导管几何并输出。
进一步的，所述拱弧线和厚度线的四次多项式分别为：
Y＝2.3555X6-7.093X5+8.6407X4-5.02651X3+1.6933X2-0.3957X+0.1663
Y＝13.091X6-39.398X5+46.264X4-26.88X3+8.3553X2-1.3552X-0.0122
上式中X为横坐标，Y为纵坐标。
进一步的，所述步骤2中的首尾导圆通过一个给定的R再采用二次方程组获得，然后再计算首位导圆外侧的圆弧曲线，所述圆弧曲线方程式为：
(x-a)2+(x-b)2＝R2
进一步的，所述圆弧曲线的边界条件为：
(1)通过上表面和下表面确定特定的点分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2)；
(2)c＝R。
进一步的，所述步骤三中的二维翼分析方法的具体步骤如下：
(1)先通过外接的Xfoil程序进行翼型分析，从而获得翼型性能文件；
(2)Xfoil程序终止，提取翼型性能数据，然后获得个体适应度并排序。
进一步的，所述步骤四中的循环优化的具体步骤如下：
(1)优化程序启动，输入初始翼型控制点、限制范围、和优化目标；
(2)然后判断是否达到进化次数的限制，当进化次数达到时，则输出最优翼型；当进化次数未达到时，则生成新的控制点数数值进而生成新翼形，再进行进化次数的判断。
进一步的，通过步骤三中获得的二维翼型结果，再结合螺旋桨的性能和空泡性能，然后采用粘性流求解器确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果。
进一步的，根据一种船用螺旋桨导管的设计方法制作而成的一种船用螺旋桨导管：
所述船用螺旋桨导管包括呈圆柱状的导管上表面和导管下表面，所述导管下表面设于导管上表面的内侧；所述导管上表面上下端面与所述导管下表面上下端面之间分别焊接有横向支撑环板；所述导管上表面与导管下表面之间设有若干均匀设置的导管纵向支撑板；所述导管上表面外壁焊接有连接箱体并延伸至导管下表面的外壁上；所述导管下表面内壁上相对设置有导管首部圆钢和导管尾部圆钢。
更进一步的，所述横向支撑环板上均匀开设有若干减轻孔，所述导管上表面上设有若干防水塞。
更进一步的，所述导管纵向支撑板设于导管横向支撑环板内并相互垂直。
本发明的优点在于：
1.本发明提出的设计方法与现有螺旋桨导管设计方法相比，本发明的设计方法具有更强的优化形；
2.采用该设计方法得到的螺旋桨导管与现有螺旋桨导管相比，本发明提高了4％的螺旋桨推进效率；
3.本发明在设计的过程中采用了更加合理的公式，本设计方法借鉴了成熟的气动翼型的生成和优化方法，并结合水动力的要求完成导管的设计；
4.本发明提出的船用螺旋桨导管与现有螺旋桨导管相比，本发明具有更长的平行段和优化的导管进流口的流线线型。
附图说明
图1是本发明提出的一种船用螺旋桨导管的设计方法中的二维翼型优化流程图；
图2是该设计方法中实施例1的几何图；
图3是该设计方法中实施例1的性能计算结果比较图；
图4是本发明提出的船用导管的纵向剖面图；
图5是该船用导管的横向剖面图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1至图5所示，本发明提出的一种导管的设计方法包括如下步骤：
步骤一：采用四次多项式分别表达导管的拱弧线和厚度线；
步骤二：采用二次多项式表达首尾导圆，采用斜率和连接点光顺条件连接导管主体；
步骤三：采用二维翼型分析方法确定导管的升阻力系数；
步骤四：采用循环优化几何形状；
步骤五：结合螺旋桨的性能分析确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果；
步骤六：确定最终导管几何并输出。
进一步的，所述拱弧线和厚度线的四次多项式分别为：
Y＝2.3555X6-7.093X5+8.6407X4-5.02651X3+1.6933X2-0.3957X+0.1663
Y＝13.091X6-39.398X5+46.264X4-26.88X3+8.3553X2-1.3552X-0.0122
上式中X为横坐标，Y为纵坐标。
进一步的，所述步骤2中的首尾导圆通过一个给定的R再采用二次方程组获得，然后再计算首位导圆外侧的圆弧曲线，所述圆弧曲线方程式为：
(x-a)2+(x-b)2＝R2
进一步的，所述圆弧曲线的边界条件为：
(1)通过上表面和下表面确定特定的点分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2)；
(2)c＝R。
进一步的，所述步骤三中的二维翼分析方法的具体步骤如下：
(1)先通过外接的Xfoil程序进行翼型分析，从而获得翼型性能文件；
(2)Xfoil程序终止，提取翼型性能数据，然后获得个体适应度并排序。
进一步的，所述步骤四中的循环优化的具体步骤如下：
(1)优化程序启动，输入初始翼型控制点、限制范围、和优化目标；
(2)然后判断是否达到进化次数的限制，当进化次数达到时，则输出最优翼型；当进化次数未达到时，则生成新的控制点数数值进而生成新翼形，再进行进化次数的判断。
进一步的，通过步骤三中获得的二维翼型结果，再结合螺旋桨的性能和空泡性能，然后采用粘性流求解器确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果。
进一步的，根据一种船用螺旋桨导管的设计方法制作而成的一种船用螺旋桨导管：
所述船用螺旋桨导管包括呈圆柱状的导管上表面1和导管下表面2，所述导管下表面2设于导管上表面1的内侧；所述导管上表面1上下端面与所述导管下表面2上下端面之间分别焊接有横向支撑环板3；所述导管上表面1与导管下表面之间设有若干均匀设置的导管纵向支撑板4；所述导管上表面1外壁焊接有连接箱体5并延伸至导管下表面2的外壁上；所述导管下表面2内壁上相对设置有导管首部圆钢6和导管尾部圆钢7。
更进一步的，所述横向支撑环板3上均匀开设有若干减轻孔31，所述导管上表面上设有若干防水塞8。
更进一步的，所述导管纵向支撑板4设于导管横向支撑环板3内并相互垂直。
实施例1：采用本发明提出的设计方法制作而成且长度为1.5m的加速型导管，其导管型值如下：
实施例2：采用本发明提出的设计方法制作而成且长度为2.5m的加速型导管，其导管型值如下：
实施例3：采用本发明提出的设计方法制作而成且长度为5m的加速型导管，其导管型值如下：
通过实施例1、实施例2和实施例3的导管型值与现有导管的型值相比提高了4％的螺旋桨推进效率。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种导管的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：采用四次多项式分别表达导管的拱弧线和厚度线；
步骤二：采用二次多项式表达首尾导圆，采用斜率和连接点光顺条件连接导管主体；
步骤三：采用二维翼型分析方法确定导管的升阻力系数；
步骤四：采用循环优化几何形状；
步骤五：结合螺旋桨的性能分析确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果；
步骤六：确定最终导管几何并输出。
2.根据权利要求1所述的一种导管的设计方法，其特征在于，所述拱弧线和厚度线的四次多项式分别为：
Y＝2.3555X6-7.093X5+8.6407X4-5.02651X3+1.6933X2-0.3957X+0.1663
Y＝13.091X6-39.398X5+46.264X4-26.88X3+8.3553X2-1.3552X-0.0122
上式中X为横坐标，Y为纵坐标。
3.根据权利要求1所述的一种导管的设计方法，其特征在于：所述步骤2中的首尾导圆通过一个给定的R再采用二次方程组获得，然后再计算首位导圆外侧的圆弧曲线，所述圆弧曲线方程式为：
(x-a)2+(x-b)2＝R2
4.根据权利要求3所述的一种导管的设计方法，其特征在于所述圆弧曲线的边界条件为：
(1)通过上表面和下表面确定特定的点分别为P1(x1,y1)和P2(x2,y2)；
(2)c＝R。
5.根据权利要求1所述的一种导管的设计方法，其特征在于所述步骤三中的二维翼分析方法的具体步骤如下：
(1)先通过外接的Xfoil程序进行翼型分析，从而获得翼型性能文件；
(2)Xfoil程序终止，提取翼型性能数据，然后获得个体适应度并排序。
6.根据权利要求1所述的一种导管的设计方法，其特征在于所述步骤四中的循环优化的具体步骤如下：
(1)优化程序启动，输入初始翼型控制点、限制范围、和优化目标；
(2)然后判断是否达到进化次数的限制，当进化次数达到时，则输出最优翼型；当进化次数未达到时，则生成新的控制点数数值进而生成新翼形，再进行进化次数的判断。
7.根据权利要求1所述的一种导管的设计方法，其特征在于：通过步骤三中获得的二维翼型结果，再结合螺旋桨的性能和空泡性能，然后采用粘性流求解器确定导管螺旋桨的性能和空泡性能效果。
8.根据权利要求1所述的一种导管的设计方法制作而成的一种船用螺旋桨导管，其特征在于：
所述船用螺旋桨导管包括呈圆柱状的导管上表面(1)和导管下表面(2)，所述导管下表面(2)设于导管上表面(1)的内侧；所述导管上表面(1)上下端面与所述导管下表面(2)上下端面之间分别焊接有横向支撑环板(3)；所述导管上表面(1)与导管下表面之间设有若干均匀设置的导管纵向支撑板(4)；所述导管上表面(1)外壁焊接有连接箱体(5)并延伸至导管下表面(2)的外壁上；所述导管下表面(2)内壁上相对设置有导管首部圆钢(6)和导管尾部圆钢(7)。
9.根据权利要求8所述的一种船用导管，其特征在于：所述横向支撑环板(3)上均匀开设有若干减轻孔(31)，所述导管上表面上设有若干防水塞(8)。
10.根据权利要求8所述的一种船用导管，其特征在于：所述导管纵向支撑板(4)设于导管横向支撑环板(3)内并相互垂直。
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