CN111216861A - 一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置及其设计方法，该装置安装在吊舱上，其特征在于：包括推力鳍和十字尾鳍；设计方法包括：获取流场信息；推力鳍初步设计；确定推力鳍最佳尺寸；十字尾鳍初步设计；确定十字尾鳍最佳尺寸；确定组合鳍最佳匹配尺寸；本发明中根据实际吊舱和螺旋桨的水动力性能数据，降低吊舱推进器尾涡的不利影响，减弱因螺旋桨旋转对吊舱结构的侧向力影响，提升了吊舱推进器对不同水动力环境的适应能力，增加吊舱推进系统稳定性，在整体上减少航行成本；同时通过灵活地调整推力鳍的工位，改变攻角参数，提高特定工况中的吊舱的水动力性能系数；同样，伸缩式十字尾鳍能有效改善吊舱回转中的水动力性能。

Description

一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及船舶推进技术领域，尤其涉及一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置及其设计方法。

背景技术

随着现代船舶性能标准的逐步提高，在航行性能、节能环保等方面的要求也越来越严格。吊舱推进器作为新型推进系统之一，由于其突出的特点和表现，在商用领域取得了巨大的成功。

拖式吊舱推进器作为目前市场中比较常见的吊舱推进器种类，其推进形式完全不同于传统的螺旋桨。吊舱的存在一定程度上改变了螺旋桨原本的尾流情况，尾流和吊舱之间的相互作用更是改变了推进器的整体性能。从提高整体水动力性能的角度来看，拖式吊舱推进器结构设计仍有进一步优化的空间。

目前拖式吊舱推进器在实际应用中存在以下缺陷：

1.推进器整体水动力效率低于传统螺旋桨。吊舱处于螺旋桨下游，在高速的尾流中会产生较大的阻力，降低推进器的整体推力，从而降低了推进效率。

2.推进器会产生额外的侧向力，影响船舶航向稳定性。受螺旋桨尾流的影响，由于吊舱的结构形式，旋转尾流经过吊舱会使其产生侧向力。在直航时需要将推进器设置少量的偏转角度或频繁操舵才能保证船体姿态，增加了能量消耗。

3.船舶不同工况下，可能产生不同推进要求，对吊舱推进器水动力性能的要求不同。传统吊舱推进器对船舶进行不同工况频繁转换的情况应付能力不足，无法灵活的调整自身水动力性能参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置及其设计方法，能够解决目前拖式吊舱推进器在实际应用中存在的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置，该装置安装在吊舱上，其创新点在于：包括推力鳍和十字尾鳍；所述推力鳍具有一对且分别安装在吊舱中部位置的左右两侧，所述十字尾鳍安装在吊舱的尾部；

所述推力鳍呈鳍状结构，且推力鳍上沿着延伸方向的轴线与吊舱的纵向剖面呈一锐角夹角；所述十字尾鳍包括水平鳍和垂直鳍呈交叉组合。

进一步的，所述推力鳍与吊舱结构之间采用活动铰接可实现推力鳍的攻角调节和工位调整；所述推力鳍的侧向投影为长方形或梯形结构；所述推力鳍的剖面形状为二维机翼型。

进一步的，所述十字尾鳍为可伸缩式结构，所述十字尾鳍的剖面形状为对称机翼型或平板结构；所述十字尾鳍的纵向形状为方形，或具有倒角，或外轮廓呈曲线结构。

一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置的设计方法，其创新点在于：具体设计方法如下：

S1：获取流场信息；首先对原有的吊舱推进器进行设计航速下的水动力性能数值模拟，得到螺旋桨尾流信息以及吊舱推进器周围的流场数据，主要包括螺旋桨尾流直径，吊舱体周围流体速度，吊舱体周围涡量分布，吊舱体表面压力分布以及预设推力鳍位置前方流体运动速度和来流攻角:；

S2：推力鳍初步设计；根据S1的流场信息，可知推力鳍预设位置前方不同半径处的流速大小以及来流攻角，确定合适的二维机翼翼型；根据沿半径方向上的流速分布初步确定推力鳍展长；推力鳍的周向位置初步设为60°，使支架与两推力鳍在绕螺旋桨旋转轴的360°范围内平均分布；

S3：确定推力鳍最佳尺寸；初步确定推力鳍的几何形状后，计算附推力鳍的吊舱推进器的水动力性能，调整推力鳍的初始攻角，展长以及周向位置，比较吊舱推进器的推进效率及吊舱侧向力的受力情况，确定最佳的推力鳍几何尺寸，及设计合适的推力鳍运动范围和工况位置；

S4：十字尾鳍初步设计；根据S1的流场信息，可知吊舱尾部的流速分布与涡量分布情况，根据吊舱末端附近的低速区域，初步确定尾鳍的展长，根据吊舱尾部的尾涡大小初步确定尾端长度，根据吊舱尾部涡的附着情况初步确定尾端位置；

S5：确定十字尾鳍最佳尺寸；初步确定十字尾鳍的几何形状后，计算附十字尾鳍的吊舱推进器的水动力性能，调整尾鳍的展长和尾端位置，比较推进器的推进效率及吊舱侧向力的受力情况，确定最佳的十字尾鳍几何尺寸；

S6：确定组合鳍最佳匹配尺寸；将推力鳍与十字尾鳍同时设置于一个吊舱上，在各自最佳尺寸的基础上，调整推力鳍的展长和初始攻角，十字尾鳍的展长和尾端位置，以设计前进工况下，效率最高，侧向力最小为优化目标，确定组合鳍的最佳匹配尺寸。

本发明的优点在于：

1）本发明中通过设置组合鳍装置，能改变吊舱表面压力分布特征，有效减少吊舱阻力，提升吊舱推进器的整体推进效率；能平衡吊舱自身产生的侧向力，提高吊舱推进器的水动力性能。

2）本发明中通过十字尾鳍的设置，能够降低吊舱推进器在转舵工况下的转舵力矩，降低舵机负荷；通过可活动推力鳍的设置，能够在吊舱推进器在频繁改变工况中灵活地提高吊舱的水动力性能；通过可伸缩十字尾鳍的设置，在吊舱推进器在全回转中，通过调整十字尾鳍的伸缩，改善吊舱水动力性能。

3）本发明中根据实际吊舱和螺旋桨的水动力性能数据，进行针对性的结构尺寸设置和调整，具有通用性和适用性；可降低吊舱推进器尾涡的不利影响，减弱因螺旋桨旋转给吊舱结构带来的旋转涡流和相应的侧向力影响，提升了吊舱推进器对不同水动力环境的适应能力，增加吊舱推进系统稳定性，更加便捷安全，在整体上减少航行成本；同时设置可活动结构，通过灵活地调整推力鳍的工位，通过改变攻角参数，提高特定工况或在工况切换中的吊舱的水动力性能系数；同样，伸缩式十字尾鳍能有效改善吊舱回转中的水动力性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的一种吊舱推进器新型组合式消涡其装置的结构示意图。

图2为本发明的实施例中舱体周围流厂流速及攻角大小。

图3是本发明实施例中推力鳍参考翼型基本样式。

图4是本发明实施例中推力鳍各参数示意图。

图5是本发明实施例中推力鳍各参数示意图中A-A的示意图。

图6是本发明实施例中十字尾鳍各参数示意图。

图7是本发明实施例中十字尾鳍移动示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示的一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置，该装置安装在吊舱上，原始吊舱推进器的模型主要由支架1、舱体2和螺旋桨3三部分组成；其中支架1在不同高度处的剖面均为对称翼型；在此基础上，添加推力鳍4和十字尾鳍5结构；推力鳍4具有一对且分别安装在吊舱中部位置的左右两侧，十字尾鳍5安装在吊舱的尾部；

推力鳍4呈鳍状结构，且推力鳍4上沿着延伸方向的轴线与吊舱的纵向剖面呈一锐角夹角；十字尾鳍5包括水平鳍和垂直鳍呈交叉组合。

推力鳍4与吊舱结构之间采用活动铰接可实现推力鳍的攻角调节和工位调整；推力鳍的侧向投影为长方形或梯形结构；推力鳍的剖面形状为二维机翼型。

十字尾鳍5为可伸缩式结构，十字尾鳍5的剖面形状为对称机翼型或平板结构；十字尾鳍的纵向形状为方形，或具有倒角，或外轮廓呈曲线结构。

一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置的设计方法，具体设计方法如下：

S1：通过计算流体力学方法得到目标吊舱推进器在设计工况下吊舱周围流场的信息：吊舱尾部的流速分布与涡量分布情况；及吊舱推进器参数：螺旋桨直径D，支架最前缘位置；舱体直径d；根据原始吊舱推进器的流场信息，推力鳍的轴向位置布置与支架顶部前缘位置平齐；吊舱中纵剖面的夹角取为60°，此处流场的运动相对稳定；在此处，沿螺旋桨半径方向布置了9个监测点，用于监测推力鳍起始点位0.23D~0.5D半径范围内大的流场的速度和来流攻角；取最大流速位置，记录其攻角；本实施例中最大攻角为7.7°，最大流速为13.6m/s，在距螺旋桨轴线d₁为1000mm处；随着远离舱体，攻角大小逐渐降低；如图2所示：当监测点距轴线大于1400mm时流场速度下降明显，来流攻角快速减小，螺旋桨尾流的影响半径约为1400mm。

S2：推力鳍的初步设计；由第一步的流场信息，可选取NACA0012翼型作为推力鳍的改良剖面翼型，其升力和阻力系数随着攻角而变化的曲线较为稳定，在较高雷诺数的情况下仍然能保持7.5°的失速攻角，该翼型能在较大的来流攻角范围内保持较高的升阻比；展长的选取考虑了螺旋桨叶梢后方可能出现梢涡，为避免梢涡对鳍的影响。

如图3所示；这里提供改良的参考翼型的表达式：|Y| = -5*10^-6x⁶ + 2*10^-7x⁵ -2*10^-5x⁴ + 0.0012x³ - 0.0398x² + 0.6738x + 0.6154 ，*代表相乘；X为X轴参数；Y为Y轴参数；其中取推力鳍单位弦长为100，弦长取1/3D，展长取d₁-d，为375mm；考虑到推力鳍为可动结构，初始攻角先设为0°。

S3：确定推力鳍最佳尺寸;初步确定推力鳍的几何形状后，对推力鳍的初始攻角(4-3)，展长(4-1)以及周向位置(4-2)进行调整，如图4图5所示；得到各种推力鳍的模型方案并计算设计工况下各个方案吊舱推进器整体的推进器效率及吊舱侧向力的受力情况；优先考虑，一般工作状态下的整体推进效率；整体推进效率的定义为:其中KT为吊舱推进器整体的推力系数，即螺旋桨推力系数减去吊舱阻力系数，J为进速系数，K_Q为螺旋桨扭矩系数，侧向力即为吊舱推进器在Y方向的受力，假设X方向为推进器前进方向；得到整体推进效率最高，吊舱侧向受力最小的推力鳍最佳尺寸。

S4：十字尾鳍初步设计；根据第一步可知吊舱尾部的流速分布与涡量分布情况，该吊舱推进器尾部流场较为紊乱，增设尾鳍的主要目的是改变流体的运动情况，阻碍尾涡的汇聚，带有翼型的尾鳍设计并不能产生较好的水动力性能，所以本实例中尾鳍设计采用简易平板结构。根据吊舱末端尾涡区域，如图6所示，可确定尾端展长（5-2）约为吊舱尾部低压区域的直径：0.32倍的舱体直径，初步确定尾鳍的展长（5-3）为1.5倍的尾端展长，尾端位置（5-4），即尾鳍的末端与吊舱尾端距离设为0.5倍尾端展长，尾鳍折角角度（5-1）与支架角度一致，设为50°；字尾鳍折角有利于尾鳍更快收回，更快减小尾鳍运动范围，减小推动结构十字尾鳍各个参数示意，如图6所示。

S5：十字尾鳍最佳尺寸：初步确定十字尾鳍的几何形状后，对十字尾鳍的展长（5-3）和尾端位置（5-4），得到各种尾鳍的模型方案并计算设计工况下各个方案吊舱推进器整体的推进器效率及吊舱侧向力的受力情况；得到整体推进效率最高，吊舱侧向受力最小的十字尾鳍最佳尺寸，如图7所示。

S6：确定组合鳍最佳匹配尺寸；将最佳尺寸推力鳍与最佳尺寸十字尾鳍同时安装于一个吊舱上，此时会存在过度优化的问题；于是在各自最佳尺寸的基础上，调整推力鳍的展长和初始攻角，十字尾鳍的展长和尾端位置；以设计工况下，效率最高，侧向力最小为优化目标，确定组合鳍的最佳匹配尺寸。

S7：计算匹配尺寸组合鳍在推力鳍不同攻角位置的水动力性能：螺旋桨推力系数、扭矩系数和吊舱推进器总推力系数、效率，根据使用方的要求，增加测试项目，为使用方提供参数；根据使用要求，设计推力鳍运动工况；同时，根据使用方要求设计配套的十字尾鳍伸缩工况。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置，该装置安装在吊舱上，其特征在于：包括推力鳍和十字尾鳍；所述推力鳍具有一对且分别安装在吊舱中部位置的左右两侧，所述十字尾鳍安装在吊舱的尾部；

所述推力鳍呈鳍状结构，且推力鳍上沿着延伸方向的轴线与吊舱的纵向剖面呈一锐角夹角；所述十字尾鳍包括水平鳍和垂直鳍呈交叉组合。

2.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置，其特征在于：所述推力鳍与吊舱结构之间采用活动铰接可实现推力鳍的攻角调节和工位调整；所述推力鳍的侧向投影为长方形或梯形结构；所述推力鳍的剖面形状为二维机翼型。

3.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置，其特征在于：所述十字尾鳍为可伸缩式结构，所述十字尾鳍的剖面形状为对称机翼型或平板结构；所述十字尾鳍的纵向形状为方形，或具有倒角，或外轮廓呈曲线结构。

4.一种权利要求1所述的吊舱推进器新型组合式消涡鳍装置的设计方法，其特征在于：具体设计方法如下：

S1：获取流场信息；首先对原有的吊舱推进器进行设计航速下的水动力性能数值模拟，得到螺旋桨尾流信息以及吊舱推进器周围的流场数据，主要包括螺旋桨尾流直径，吊舱体周围流体速度，吊舱体周围涡量分布，吊舱体表面压力分布以及预设推力鳍位置前方流体运动速度和来流攻角:；

S2：推力鳍初步设计；根据S1的流场信息，可知推力鳍预设位置前方不同半径处的流速大小以及来流攻角，确定合适的二维机翼翼型；根据沿半径方向上的流速分布初步确定推力鳍展长；推力鳍的周向位置初步设为60°，使支架与两推力鳍在绕螺旋桨旋转轴的360°范围内平均分布；

S3：确定推力鳍最佳尺寸；初步确定推力鳍的几何形状后，计算附推力鳍的吊舱推进器的水动力性能，调整推力鳍的初始攻角，展长以及周向位置，比较吊舱推进器的推进效率及吊舱侧向力的受力情况，确定最佳的推力鳍几何尺寸，及设计合适的推力鳍运动范围和工况位置；

S4：十字尾鳍初步设计；根据S1的流场信息，可知吊舱尾部的流速分布与涡量分布情况，根据吊舱末端附近的低速区域，初步确定尾鳍的展长，根据吊舱尾部的尾涡大小初步确定尾端长度，根据吊舱尾部涡的附着情况初步确定尾端位置；

S5：确定十字尾鳍最佳尺寸；初步确定十字尾鳍的几何形状后，计算附十字尾鳍的吊舱推进器的水动力性能，调整尾鳍的展长和尾端位置，比较推进器的推进效率及吊舱侧向力的受力情况，确定最佳的十字尾鳍几何尺寸；

S6：确定组合鳍最佳匹配尺寸；将推力鳍与十字尾鳍同时设置于一个吊舱上，在各自最佳尺寸的基础上，调整推力鳍的展长和初始攻角，十字尾鳍的展长和尾端位置，以设计前进工况下，效率最高，侧向力最小为优化目标，确定组合鳍的最佳匹配尺寸。

Images