CN110027669B - 一种用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，包括支柱外壳和支柱内部骨架，前端空化器和前端通气孔，中部空化器和中部通气孔，储气槽和通气管路；所述通气孔可以在超空泡水面艇航行时喷出气体，所述空化器在通气孔通气时能够产生空泡覆盖支柱表面，使支柱表面不再与水直接接触，从而有效减小支柱在水中的阻力。本发明解决了超空泡水面艇高速航行时支柱阻力较大的问题，能够实现超空泡水面艇航速的进一步提高。

Description

一种用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构

技术领域

本发明涉及一种支柱结构，尤其涉及一种用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，属于船舶减阻技术领域。

背景技术

近年来，超空泡减阻技术在高速水面航行器上的应用得到了广泛的关注，超空泡水面艇是通过支柱结构连接两个鱼雷形的水下潜体，通过安装空化器生成空泡，让水下潜体的表面为整个空泡所覆盖，使水下潜体不再与水直接接触，减少航行时水下潜体的阻力，从而提高航速，达到100节的航行速度，而普通快艇只有30节左右的航速。这种高速艇与传统快艇相比，不仅航速高，而且稳定性好。

然而由于这种超空泡水面艇具有支柱结构，在生成空泡高速航行时，支柱结构暴露在空泡之外与水完全接触，而且穿过水面会产生较大的兴波，因此产生的阻力较大。通过对比分析可以发现，支柱的阻力比水下潜体的阻力大很多，支柱的阻力约占航行体总阻力的50％以上。导致航行体的减阻效果较低，因此带支柱结构的超空泡水面高速艇如果想要进一步减阻，提高效率，就需要考虑减小支柱表面的摩擦阻力。

发明内容

本发明的目的是为了进一步减阻、提高效率而提供一种用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，包括支柱和通气空泡生成装置；所述通气空泡生成装置包括设置在支柱两侧的储气槽和空化器，所述储气槽上设置有通气孔且储气槽与通气管路相通，所述通气孔安装在空化器的背流面后。

本发明还包括这样一些特征：

1、所述支柱外形分为上下两部分，上部分支柱有45度倾斜角，呈“A”形，下部分支柱垂直于水面，呈“H”形；所述支柱前后缘线向外成倒“八”字形；

2、所述支柱连接水下潜体处开有线槽；

3、所述支柱包括支柱外壳和支柱内部骨架；

4、所述空化器和通气孔均沿着支柱高度的方向延伸，所述空化器和通气孔长度相同；

5、所述支柱的前缘两侧安装有前端空化器和前端通气孔，所述支柱的中间两侧安装有中部空化器和中部通气孔，前端空化器和中部空化器的形状均为矩形的挡板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在支柱上设置空化器可以产生空泡使支柱表面被空泡所覆盖，由于物体在水中的阻力是空气中阻力的800倍，通过减小支柱表面的沾湿面积，可以大幅度的降低支柱表面的阻力，达到较好的减阻效果。

本发明通过进一步降低支柱的阻力可以使超空泡水面艇达到更高的速度，相同主机功率下能够节约更多的燃料。

本发明通过合理设计通气孔和空化器在支柱上的位置，可以减小支柱空泡和水下潜体空泡受干扰的程度，防止空泡变形从而造成航行体沾湿面不均匀，导致减阻效果下降，避免出现超空泡水面艇航行状态不稳等现象。

附图说明

图1是具有本发明通气减阻支柱结构的超空泡水面艇的布局示意图；

图2是本发明通气减阻支柱结构的侧视图；

图3是本发明通气减阻支柱结构的主视图；

图4是图3中的支柱沿高度方向依次作横截面A-A、B-B、C-C和D-D的剖视图；

图5是图3中的支柱上部分的对称面E-E上作剖面的内部结构示意图；

图6是本发明通气减阻支柱结构在生成通气空泡时的示意图；

图7是本发明通气减阻支柱结构示意图。

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。

附图中各编号具体名称如下：1－支柱外壳；2－前端空化器；3－前端通气孔；4－中部空化器；5－中部通气孔；6－通气管路；7－储气槽；8－支柱内部骨架；9－连接水下潜体处的支柱内部线槽；10－通气生成的空泡。

本发明提供了一种与现有技术相比能够达到进一步减阻效果的通气支柱结构，通过在支柱两侧设置通气孔和空化器，并进行辅助通气生成空泡进一步减少支柱表面的摩擦阻力。由于超空泡水面艇的水下潜体产生空泡，同时考虑到支柱空泡和水下潜体空泡会发生互相干扰，本发明对支柱通气孔和空化器的位置进行了设计。

一种支柱通气减阻结构，包括支柱结构和通气空泡生成装置，所述支柱结构由支柱外壳和支柱内部骨架组成；所述通气空泡生成装置包括前端空化器和前端通气孔，中部空化器和中部通气孔，储气槽和通气管路；所述通气管路将气体送入储气槽，储气槽是与支柱内部不通的密闭空间，在储气槽的两侧各有一排通气孔，其中前端通气孔安装在前端空化器的背流面后，中部通气孔安装在中部空化器的背流面后；在本发明中，所述支柱结构的外形可分为上下两部分，上部分支柱的厚度较大并有45度倾斜角，呈“A”形；下部分支柱的厚度较小垂直于水面，呈“H”形。在连接水下潜体处的支柱内部开有线槽，以便通气管道和其他电缆可以穿过支柱连接水下潜体中的设备；支柱前后缘线向外成倒“八”字形。

本发明的核心在于，所述支柱结构的前缘两侧安装有前端空化器和前端通气孔，支柱中间两侧安装有中部空化器和中部通气孔，前端空化器和中部空化器的形状均为矩形的挡板，空化器和通气孔均沿着支柱高度的方向延伸，两者长度相同；为了减小了空化器的迎流面积，矩形挡板的宽度设置的较小。当前端通气孔和中部通气孔通气时，空化器可以生成空泡并包覆支柱表面。

本发明关键之处在于，考虑到支柱产生的空泡和水下潜体产生的空泡距离较近时会相互干扰，为了减小这种干扰需要对支柱通气孔和空化器的位置进行设计。所述支柱通气孔和空化器的位置应该设置在下潜体空化器之后，防止水下潜体空化器迎流面的高压区对支柱空泡造成影响，导致支柱空泡向上凹陷变形并逐渐溃灭；同时，所述支柱通气孔和空化器的位置应该设置在离下潜体空化器较远的位置，防止支柱空化器迎流面的高压区对水下潜体空泡造成影响，导致潜体空泡凹陷变形。

图1和图2分别显示了支柱正面和侧面的形状。为了保证超空泡水面艇在水中的静稳性，同时为了降低支柱对潜体空泡的影响，在设计方面对支柱结构有以下几点要求：首先在保证水下潜体与支柱连接强度的要求下，支柱的厚度应尽可能小，并做成表面曲率均匀的流线型，降低支柱形状对潜体空泡包裹的影响，因此下部分支柱设计的厚度较小；第二要求支柱在水线位置应有足够的水线面积来保持静稳性，因此上部分支柱设计的厚度较大；第三，超空泡水面高速艇在航行时容易发生纵倾，需要支柱具有足够的恢复力矩，因此将上部分的支柱设置成与下潜体成45°角的倒梯形。为进一步减小航行时可能发生的生沉和纵倾，支柱的首尾缘设计成倒“八”字形。倒“八”字形的首尾缘设计还具有其他的优点，支柱的长度在水线位置较长，而与水下潜体连接处较短，可以达到满足稳性的同时不影响潜体气泡包裹的目的。

图3中所示的各截面分别如图4和图5所示。设计好的支柱外壳1安放在支柱内部骨架8上，并进行加强和固定。所述储气槽7是与支柱内部空间不通的封闭凹槽，这样可以防止气体或液体泄漏到支柱内部空间，储气槽7经过单独加工后安装在支柱内。所述通气管路6连接至储气槽，并在连接处进行密封和固定，当外部供气装置供气时通过通气管路6对储气槽7内进行充气。其中，通气管路6应该沿储气槽7的高度方向均匀的设置多个，使得储气槽7的上下排气孔排气均匀，在图5这一实施例中，通气管路6沿高度方向设置了两个。

对通气孔和空化器沿支柱长度方向的位置进行设计。所述储气槽7的两侧各有一排通气孔，其中前端通气孔3布置在支柱前缘后的不远处，虑到支柱空泡和水下潜体空泡会发生互相干扰，前端空化器2安放在前端通气孔3之前，当超空泡水面高速艇航行时，空化器的背流面为低压区，前端通气孔3排出的气体在背流面聚积生成空泡10覆盖支柱表面；同时，空化器的迎流面为高压区，为了减小高压区产生的附加阻力，空化器的宽度应该设置的较小。另外，由于生成的空泡受重力影响会上浮，前端空化器2产生过长的空泡包覆效果不好，因此前端空化器2产生的空泡应该闭合在支柱的中间部分，并在支柱中间继续布置中部空化器4和中部通气孔5重新产生空泡包裹至支柱的后缘。

对通气孔和空化器沿支柱高度方向的位置进行设计。所述通气孔和空化器在支柱的高度方向上应该设计足够的长度，以满足超空泡水面艇在升沉和纵倾运动时支柱的水下部分均能有效的生成空泡，同时，虑到支柱空泡和水下潜体空泡会发生互相干扰，通气孔和空化器的最低位置应该距离水下潜体一段距离。在图6所示的一个实施例中，水下潜体上设置有多个空化器，为了避免水下潜体空化器生成的空泡受到支柱空化器迎流面高压区的干扰而凹陷变形，支柱上的通气孔和空化器应该设置在距离水下潜体较远的位置。

对于具体尺寸的超空泡水面艇，运用提出的支柱空化器和通气孔位置的设计方法，可以得到多个通气位置的方案，并对这些方案进行数值模拟计算，通过对仿真结果进行对比，可以得到支柱空化器和通气孔的最佳位置，进而得到最佳的减阻效果。

一种支柱通气减阻结构，包括支柱结构和通气空泡生成装置，所述支柱结构由支柱外壳和支柱内部骨架组成；所述通气空泡生成装置包括前端空化器和前端通气孔，中部空化器和中部通气孔，储气槽和通气管路；所述通气管路将气体送入储气槽，储气槽是与支柱内部不通的密闭空间，在储气槽的两侧各有一排通气孔，其中前端通气孔安装在前端空化器的背流面后，中部通气孔安装在中部空化器的背流面后；所述支柱结构的外形可分为上下两部分，上部分支柱厚度较大并有45度倾斜角，呈“A”形；下部分支柱厚度较小垂直于水面，呈“H”形，在连接水下潜体处开有线槽；支柱前后缘线向外成倒“八”字形；所述前端空化器和中部空化器的形状均为矩形挡板，在前端通气孔和中部通气孔通气时，可以生成空泡包覆支柱表面。

综上所述：本发明公开了用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，包括支柱外壳和支柱内部骨架，前端空化器和前端通气孔，中部空化器和中部通气孔，储气槽和通气管路；所述通气孔可以在超空泡水面艇航行时喷出气体，所述空化器在通气孔通气时能够产生空泡覆盖支柱表面，使支柱表面不再与水直接接触，从而有效减小支柱在水中的阻力。本发明解决了超空泡水面艇高速航行时支柱阻力较大的问题，能够实现超空泡水面艇航速的进一步提高。

Claims (4)

1.一种用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，包括支柱结构和通气空泡生成装置，其特征是，所述支柱结构包括支柱外壳(1)和支柱内部骨架(8)，所述支柱外壳(1)的外形分为上下两部分，上部分支柱的厚度大并有45度倾斜角，呈“A”形，下部分支柱的厚度小并垂直于水面，呈“H”形，所述支柱结构的内部开有线槽连接水下潜体，所述支柱结构的前后缘线向外成倒“八”字形；所述通气空泡生成装置包括前端空化器(2)和前端通气孔(3)，中部空化器(4)和中部通气孔(5)，储气槽(7)和通气管路(6)，所述通气管路(6)将气体送入储气槽(7)，储气槽(7)是与支柱内部不通的密闭空间，在储气槽(7)的两侧各有一排通气孔，其中前端通气孔(3)安装在前端空化器(2)的背流面后，中部通气孔(5)安装在中部空化器(4)的背流面后；所述前端空化器(2)和中部空化器(4)的形状均为矩形挡板，在前端通气孔(3)和中部通气孔(5)通气时，生成空泡包覆支柱表面。

2.根据权利要求1所述的用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，其特征是，所述空化器和通气孔均沿着支柱结构高度的方向延伸，所述空化器和通气孔长度相同。

3.根据权利要求1所述的用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，其特征是，所述空化器的位置应该设置在下潜体空化器之后。

4.根据权利要求1所述的用于超空泡水面艇的通气减阻支柱结构，其特征是，通气管路(6)应该沿储气槽(7)的高度方向均匀的设置多个，使得储气槽(7)的上下排气孔排气均匀。

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