CN110510093A - 具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨及其制造方法 - Google Patents

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    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
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    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
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Abstract

本发明公开了船用螺旋桨工程领域的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨及其制造方法，这种螺旋桨包括连接输出轴的螺旋桨轴心和围绕轴心周向设置的桨叶，其特征在于：所述桨叶的外形与旗鱼的轮廓相同，桨叶表面设立有凹槽，凹槽沿桨叶的大厚度线为起点至桨叶随边处等间距排列，凹槽的形状与猫头鹰翅膀下表面相邻两根主要羽毛之间形成的凹处相同。本技术方案改变的螺旋桨桨叶的摩阻特性，更加符合流体动力学，使水流顺着浆面的流线型结构以及沟槽的引导，从而减小阻力，降低震动。

Description

具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨及其制造方法
技术领域
本发明属于船用螺旋桨工程领域，具体是具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨及其制造方法。
背景技术
猫头鹰具有静音飞行的独特本领。即使在万籁俱静的夜空背景声场下，猫头鹰高速飞行时的噪声也难以被其猎物察觉。猫头鹰的静音飞行特性，是猫头鹰体表羽毛的微观结构特征和体表皮肤及皮下结构的微观结构特征及其吸声特性多个降噪因素综合产生的总体效应。猫头鹰翅膀主要羽毛紧密扣覆，排列有序，翅膀下表面相邻两根主要羽毛之间形成类似凹槽的结构，从截面看，下表面尾缘的羽毛排列近似波折线状。猫头鹰翅膀下表面的这种特征对其优秀的飞行能力有很大作用。
船舶螺旋桨所处的非均匀流场使其产生空泡、振动、噪声及剥蚀等现象，这也一直是螺旋桨性能优化研究的重要课题。因此，螺旋桨设计过程中统筹考虑螺旋桨的敞水性能、空泡性能、振动噪声等方面的要求，这将成为螺旋桨设计研究的重要目标。而且螺旋桨噪声是船舶的主要噪声源之一，设计一款水动力性能优良，振动噪声小的螺旋桨具有重要的实践应用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是通过仿生学设计一款水动力性能优良，振动噪声小的螺旋桨。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，包括连接输出轴的螺旋桨轴心和围绕轴心周向设置的桨叶，所述桨叶的外形与旗鱼的轮廓相同，桨叶表面设立有凹槽，凹槽沿桨叶的大厚度线为起点至桨叶随边处等间距排列，凹槽的形状与猫头鹰翅膀下表面相邻两根主要羽毛之间形成的凹处相同。
具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨的制造方法，
S1,根据旗鱼前端的尖刺状结构部分与旗鱼身体的比例设计桨叶的流线比例；
S2,依据使用需求调节凹槽的需求，同时满足刚性需求的情况下调节凹槽的分布数量；
S3，调节桨叶导边处凸起状的长度和高度；
S4，设计桨叶厚度后进行安装
进一步，桨叶的截面厚度从叶根到叶稍逐渐减少，桨叶截面的最大厚度位置趋向于导边，叶面拱度从导边与随边两侧向最大厚度线处逐渐减小。
进一步，凹槽从最大厚度线到随边的深度逐渐变深，凹槽的最深处为h1＝0.1H,H为当前圆弧面上桨叶的最大厚度，桨叶的最大半径为r＝13R，从叶根(3R)到4R处为整个螺旋桨的过渡段，凹槽的宽度为0.4R～0.7R。
进一步，桨叶的导边部分采用类似旗鱼嘴部前端的突起结构，突起结构的高度为h2＝0.2H～0.4H,宽度为l＝0.1L～0.3L,L为当前圆弧面上桨叶的最大宽度。
进一步，凹槽等间距排布于桨叶表面的6R到11R处。
进一步，凹槽的截面形状为以凹槽最深处为中心的类似于正弦函数的曲线y＝a|sinx|。
进一步，所述螺旋桨轴心处设有若干桨叶，桨叶以螺旋桨轴心的中轴线为基础沿螺旋桨轴心排列为等间距的圆形矩阵。
进一步，S1,根据旗鱼前端的尖刺状结构部分与旗鱼身体的比例设计桨叶的流线比例；
S2,依据使用需求调节凹槽的需求，同时满足刚性需求的情况下调节凹槽的分布数量；
S3，调节桨叶导边处凸起状的长度和高度；
S4，设计桨叶厚度后进行安装。
进一步，螺旋桨桨叶厚度t(0.25r和0.6r切面处)不得小于按下式计算得之值：
试中Y---功率系数
K---材料系数
X---转速系数功率系数
式中D---螺旋桨直径
P---所计算切面处的螺距
P0.7---0.7r切面处得螺距
r---螺旋桨半径
K1，K2，K3，K4---系数
Ne---主机的额定功率
Z---桨叶数
b---所计算半径处切面的弦长
ne---螺旋桨主机额定功率时的转速
转速系数
式中
ε---桨叶后倾角
K5，K6，K7，K8---系数
G---桨叶材料的密度
Ad---螺旋桨的盘面比
材料系数K。
采用上述方案后实现了以下有益效果：1、相对于采用常规结构的螺旋桨，本技术方案采用仿生学构造，改变的螺旋桨桨叶的摩阻特性，更加符合流体动力学，使水流顺着浆面的流线型结构以及沟槽的引导，从而减小阻力，降低震动。
2、通过旗鱼的鱼嘴设计这种结构可以有效改善翼型的效率，减少流动诱导振动，此外可以抑制音调噪声。
3、通过猫头鹰羽翼下端的凹槽结构在一定程度上阻碍了桨叶叶片上表面水流的径向流动，同时这种表面凹槽结构会对流过其桨叶尾缘的水流产生加速效果，从而产生桨叶上方的水流流速大于原桨叶。
4、桨叶的轮廓结构仿照旗鱼身体的截面结构，流线形的表面可以很好的减少水的阻力。
5、导边处的前端可以对水流进行两次分割，减少受到的阻力。上表面的凹槽结构减弱了叶片尾缘水流之间的相互干扰，改善了尾部湍流，阻碍其尾部大的涡流的形成，从而减小其噪声。而且位于导边处的突起结构与导边后的小拱度叶面有利于桨叶适应水动力中攻角的变化，这种翼型可以有效地控制和抑制空泡的不稳定现象。
附图说明
图1为本发明实施例的结构图；
图2为图1的截面图；
图3为图1中凹槽放大图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：螺旋桨轴心1、桨叶2、凹槽3、突起结构4、最大厚度线5。
实施例基本如附图1所示：具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨及其制造方法包括连接输出轴的螺旋桨轴心1和围绕轴心周向设置的桨叶2，首先，根据旗鱼前端的尖刺状结构部分与旗鱼身体的比例设计桨叶2的流线比例，桨叶2的外形与旗鱼的轮廓相同，桨叶2表面设立有凹槽3，凹槽3沿桨叶2的大厚度线为起点至桨叶2随边处等间距排列，凹槽3的形状与猫头鹰翅膀下表面相邻两根主要羽毛之间形成的凹处相同。
请参考图2，桨叶2的截面厚度从叶根到叶稍逐渐减少，桨叶2截面的最大厚度位置趋向于导边，叶面拱度从导边与随边两侧向最大厚度线5处逐渐减小。
其次，依据使用需求调节凹槽3的需求，同时满足刚性需求的情况下调节凹槽3的分布数量；凹槽3等间距排布于桨叶2表面的6R到11R处，凹槽3的截面形状为以凹槽3最深处为中心的类似于正弦函数的曲线y＝a|sinx|，螺旋桨轴心1处设有若干桨叶2，桨叶2以螺旋桨轴心1的中轴线为基础沿螺旋桨轴心1排列为等间距的圆形矩阵。
请参考图3，再次，调节桨叶2导边处凸起状的长度和高度；凹槽3从最大厚度线5到随边的深度逐渐变深，凹槽3的最深处为h1＝0.1H,H为当前圆弧面上桨叶2的最大厚度，桨叶2的最大半径为r＝13R，从叶根(3R)到4R处为整个螺旋桨的过渡段，凹槽3的宽度为0.6R。
桨叶2的导边部分采用类似旗鱼嘴部前端的突起结构4，突起结构4的高度为h2＝0.3H,宽度为l＝0.2L,L为当前圆弧面上桨叶2的最大宽度。
最后，设计桨叶2厚度，螺旋桨桨叶2厚度t(0.25r和0.6r切面处)不得小于按下式计算得之值：
试中Y---功率系数
K---材料系数
X---转速系数
功率系数
式中D---螺旋桨直径
P---所计算切面处的螺距
P0.7---0.7r切面处得螺距
r---螺旋桨半径
K1，K2，K3，K4---系数
Ne---主机的额定功率
Z---桨叶数
b---所计算半径处切面的弦长
ne---螺旋桨主机额定功率时的转速转速系数
式中
ε---桨叶后倾角
K5，K6，K7，K8---系数
G---桨叶材料的密度
Ad---螺旋桨的盘面比
材料系数K。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，包括连接输出轴的螺旋桨轴心和围绕轴心周向设置的桨叶，其特征在于：所述桨叶的外形与旗鱼的轮廓相同，桨叶表面设立有凹槽，凹槽沿桨叶的大厚度线为起点至桨叶随边处等间距排列，凹槽的形状与猫头鹰翅膀下表面相邻两根主要羽毛之间形成的凹处相同。
2.根据权利要求1所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，其特征在于：桨叶的截面厚度从叶根到叶稍逐渐减少，桨叶截面的最大厚度位置趋向于导边，叶面拱度从导边与随边两侧向最大厚度线处逐渐减小。
3.根据权利要求2所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，其特征在于：凹槽从最大厚度线到随边的深度逐渐变深，凹槽的最深处为h1＝0.1H,H为当前圆弧面上桨叶的最大厚度，桨叶的最大半径为r＝13R，从叶根(3R)到4R处为整个螺旋桨的过渡段，凹槽的宽度为0.4R～0.7R。
4.根据权利要求3所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，其特征在于：桨叶的导边部分采用类似旗鱼嘴部前端的突起结构，突起结构的高度为h2＝0.2H～0.4H,宽度为l＝0.1L～0.3L,L为当前圆弧面上桨叶的最大宽度。
5.根据权利要求3所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，其特征在于：凹槽等间距排布于桨叶表面的6R到11R处。
6.根据权利要求5所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，其特征在于：凹槽的截面形状为以凹槽最深处为中心的类似于正弦函数的曲线y＝a|sinx|。
7.根据权利要求6所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨轴心处设有若干桨叶，桨叶以螺旋桨轴心的中轴线为基础沿螺旋桨轴心排列为等间距的圆形矩阵。
8.具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨的制造方法，其特征在于：S1,根据旗鱼前端的尖刺状结构部分与旗鱼身体的比例设计桨叶的流线比例；
S2,依据使用需求调节凹槽的需求，同时满足刚性需求的情况下调节凹槽的分布数量；
S3，调节桨叶导边处凸起状的长度和高度；
S4，设计桨叶厚度后进行安装。
9.根据权利要求8所述的具有旗鱼外形与猫头鹰羽毛特征的螺旋桨及其制造方法，其特征在于：螺旋桨桨叶厚度t(0.25r和0.6r切面处)不得小于按下式计算得之值：
试中Y---功率系数
K---材料系数
X---转速系数
功率系数
式中
D---螺旋桨直径
P---所计算切面处的螺距
P0.7---0.7r切面处得螺距
r---螺旋桨半径
K1，K2，K3，K4---系数
Ne---主机的额定功率
Z---桨叶数
b---所计算半径处切面的弦长
ne---螺旋桨主机额定功率时的转速
转速系数
式中
ε---桨叶后倾角
K5，K6，K7，K8---系数
G---桨叶材料的密度
Ad---螺旋桨的盘面比
材料系数K。
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