CN110254677A - 一种基于马格努斯效应的新型破冰舵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种基于马格努斯效应新型破冰舵。该新型破冰舵包括内外两个圆柱，两个圆柱同轴布置并利用内圆柱表面的键连接在一起，保证由内圆柱带动外圆柱转动，内圆柱的转动是由电机带动的并可以实现内圆柱顺时针或者逆时针转动。电机布置在船尾舱，和内圆柱之间由万向节连接，在内圆柱伸向万向节的部分加装了一个直线轴承以加大结构强度。外圆柱表面有圆锥颗粒，可以更好地对尾部冰块进行破冰并保护螺旋桨。该新型破冰式圆柱船舵利用马格努斯效应，产生的舵力更大，提高了船舶的操纵性且安装和拆卸都十分方便，不需要像拆传统的舵一样拆卸艉轴架或者舵柱。舵柱表面的圆锥颗粒加强了船尾破冰能力，同时保护螺旋桨。

Description

一种基于马格努斯效应的新型破冰舵

技术领域

本发明涉及破冰舵领域，特别是一种基于马格努斯效应的新型破冰舵领域。

背景技术

马格努斯效应指的是在粘性不可压缩流体中，运动的旋转物体受到升力作用，从而影响物体在空气中或水中的行进路线的一种现象。圆柱在速度为V的均匀流场中作顺时针旋转，根据无滑移条件，圆柱表面附近的流体会随圆柱的旋转一起运动，使得与圆柱旋转方向相同的流体速度增加，而与圆柱旋转方向相反的流体速度减小，则右半部分圆柱表面附近的流体速度大于左半部分流体速度，由伯努利原理知，圆柱右半部分压强较左半部分小，压强差的存在使得圆柱受到一个向右的力，即马格努斯效应力。同理，当圆柱逆时针旋转时，旋转圆柱则会受到一个向左的力。

国内目前关于马格努斯的专利大多都是运用在新能源方面的专利，例如国内申请号为CN201810649830.5以及国内申请号为CN201680039038.7的专利，通过马格努斯效应产生的推力对装置产生推力。通过该机理设计的装置固然节能且独立，但首先由于长径比的限制，马格努斯效应力有所受限，其次想要独立控制各个马格努斯效应的圆柱，对风力或者水力的不同进行调整，目前而言是比较难实现的。国内申请号为CN201521086987.X的专利，通过阶梯马格努斯型风力叶片及风力机，同样存在安装复杂且难以调整的问题。

2018年1月26日国务院发布的《中国的北极政策》引发了各国的关注，书中强调了我国目前在北极的重点领域是资源探索和北极航运路线。无独有偶，中国船舶行业目前最重要的三个方面是极地、南海、内河。所以冰区和近冰区船舶航行技术在现如今的国家战略中至关重要，冰区航行船舶最重要的能力就是破冰能力。本发明所提出的利用马格努斯效应当做船舵并使用它来进行船尾破冰的方案是十分可行的，在现如今船舶营运范围广，冰区恶劣环境条件多、传统尾舵结构复杂、舵力有限和造价较高的背景下，该新型圆柱形破冰舵具有很好的实际应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了实现船舶快速操舵，并利用船尾舵破冰，从而提高船舶操纵性并保护船舶螺旋桨。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于马格努斯效应新型破冰舵，包括4内圆柱、3外圆柱、5圆锥颗粒、41电动机、42万向节、43直线轴承，其特征是：所述4内圆柱和3外圆柱同轴布置，4内圆柱与3外圆柱采用键连接；41电动机和4内圆柱之间由42万向节连接。

所述基于马格努斯效应新型破冰舵设置在2螺旋桨后方。

所述外圆柱表面设有可消耗的5圆锥颗粒。

所述5圆锥颗粒沿3外圆柱的圆周方向布置，每一圈布置5个，沿轴向总共布置5圈，总计25枚5圆锥颗粒。

所述4内圆柱和41电动机之间加装一个直线轴承，41电动机转轴的直径和4内圆柱直径相同，41电动机的转速在5转每秒到30转每秒之间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该新型破冰式圆柱船舵利用马格努斯效应，产生的舵力更大，提高了船舶的操纵性且安装和拆卸都十分方便，不需要像拆传统的舵一样拆卸艉轴架或者舵柱。

2.本发明在舵柱表面增加了圆锥颗粒，加强了船尾破冰能力，同时保护螺旋桨。

附图说明

图1是该新型破冰舵示意图(轴测图)。

图2是该新型破冰舵示意图(正视图)。

图3是该新型破冰舵侧剖图。

图4是该新型破冰舵局部图。

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。

图中：1船体、2螺旋桨、3外圆柱、4内圆柱、41电动机、42万向节、43直线轴承、5圆锥颗粒。

一种基于马格努斯效应新型破冰舵，包括内外两个圆柱，两个圆柱同轴布置并利用内圆柱表面的键连接在一起，保证由内圆柱带动外圆柱转动，内圆柱的转动是由电机带动的并可以实现内圆柱顺时针或者逆时针转动。电机布置在船尾舱，和内圆柱之间由万向节连接，在内圆柱伸向万向节的部分加装了一个直线轴承以加大结构强度。外圆柱表面有圆锥颗粒，可以更好地对尾部冰块进行破冰并保护螺旋桨。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述一种基于马格努斯效应新型破冰舵设置在船尾螺旋桨后方；

2.所述内外圆柱同轴布置并已经用键连接，转动时两者同时转动。

3.外圆柱表面有圆锥颗粒，可以更好的进行船尾破冰，保护螺旋桨。

本发明进一步描述如下：

基于马格努斯效应新型破冰舵，由外圆柱、内圆柱、圆柱表面的圆锥颗粒、直线轴承、电机、连接电线组成。外圆柱与内圆柱固定在一起，可以顺时针转动或者逆时针转动，圆柱的转动由电机带动，外圆柱表面有圆锥颗粒，可以更好地击碎船尾处的冰块，直线航行时电机不工作，外圆柱不转动，需要操舵左转弯时，电机操作外圆柱顺时针旋转，需要操舵右转弯时，电机操作外圆柱逆时针旋转。

内外两个可旋转圆柱，可以顺时针或者逆时针转动从而提供强大舵力，可以对船尾冰区进行破冰，拆卸简单且易于安装。可以保证航行在冰区中的船舶有足够的舵力且可以进行船尾舵破冰，保护了螺旋桨。

所述破冰舵安装在船尾部螺旋桨之后，拆卸简单，易于安装，外圆柱套在内圆柱外面，两者固结可同轴转动。8电机带动3外圆柱和4内圆柱同轴转动，由2螺旋桨叶面传来的来流使旋转的圆柱受到马格努斯力，从而为需要转向的船舶提供了舵力，同时高速旋转的3外圆柱和上面的5圆锥颗粒可以很好地进行船尾破冰，实现冰区船舶通航且保护螺旋桨的作用。

图1、图2展示的是一种马格努斯新型破冰舵的轴测图和正视图，包括1船体、2螺旋桨、3外圆柱、4内圆柱、5圆锥颗粒。如图所示，内外圆柱是同轴联结的，并均安置在螺旋桨的正后方，螺旋桨和圆柱之间保持适当额距离，这样可以保证螺旋桨产生的大部分尾流能被圆柱接收到，从而由马格努斯效应产生足够的侧推力，在外圆柱上面的圆锥颗粒是可消耗的，作为和冰第一接触的部分难免有所损耗，但长远来看，从保护螺旋桨的目的看这是十分值得的。

图3展示的是一种马格努斯新型破冰舵的剖面图，包括1船体、2螺旋桨、3外圆柱、4内圆柱、5圆锥颗粒。可以看出来，内外圆柱的确是同轴布置在螺旋桨后方的，圆锥颗粒沿外圆柱的圆周方向布置，每一圈布置5个，沿轴向总共布置5圈，总计25枚圆锥颗粒。

图4展示的是一种马格努斯新型破冰舵的局部图，包括41电动机、43直线轴承、3外圆柱、4内圆柱、5圆锥颗粒。为了提高机构的结构强度，我们在圆柱和电机之间加装了一个直线轴承，电机转轴的直径和内圆柱相当，电机的转速在5r/s到30r/s之间。

综上所述，为了实现近海冰区船舶操舵的灵活性和船尾破冰的目的，提出了一种安装于船尾由电机驱动可旋转的新型圆柱形舵。通过船尾舱中的电动机驱动圆柱进行旋转，由马格努斯效应，圆柱会受到与来流方向垂直的力，从而实现操舵，与此同时，由于旋转的圆柱和其表面的圆锥颗粒，靠近船尾的冰块会被击碎，避免了传统船尾破冰时冰块与螺旋桨的直接碰撞，从而保护了螺旋桨，提高了螺旋桨的使用年限。当入港或者年检，可能需要拆卸该船舵的时候，只需将电机与内圆柱的连接断开，相对传统船舵而言，该新型破冰式圆柱船舵提供的舵力更大，提高了船舶的操纵性且制造工艺非常简单，安装和拆卸都十分方便，在现如今船舶营运范围广，冰区恶劣环境条件多、传统尾舵结构复杂、舵力有限和造价较高的背景下，该新型圆柱形破冰舵对于航行在近海冰区船舶来说具有很好的实际应用前景。

Claims (5)

1.一种基于马格努斯效应新型破冰舵，包括内圆柱(4)、外圆柱(3)、圆锥颗粒(5)、电动机(41)、万向节(42)、直线轴承(43)，其特征是：所述内圆柱(4)和外圆柱(3)同轴布置，内圆柱(4)与外圆柱(3)采用键连接；电动机(41)和内圆柱(4)之间由万向节(42)连接。

2.根据权利要求1所述的基于马格努斯效应新型破冰舵，其特征是：所述基于马格努斯效应新型破冰舵设置在螺旋桨(2)后方。

3.根据权利要求1所述的基于马格努斯效应新型破冰舵，其特征是：所述外圆柱表面设有可消耗的圆锥颗粒(5)。

4.根据权利要求4所述的基于马格努斯效应新型破冰舵，其特征是：所述圆锥颗粒(5)沿外圆柱(3)的圆周方向布置，每一圈布置5个，沿轴向总共布置5圈，总计25枚圆锥颗粒(5)。

5.根据权利要求1所述的基于马格努斯效应新型破冰舵，其特征是：所述内圆柱(4)和电动机(41)之间加装一个直线轴承，电动机(41)转轴的直径和内圆柱(4)直径相同，电动机(41)的转速在5转每秒到30转每秒之间。