CN111674536A - 一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，该装置安装在吊舱推进器上；其特征在于：包括涡流吸入模块、导流通道模块和水流推进模块；本发明中通过在吊舱上的边界层流破碎区设置消涡装置，将水流通过前导流通道泵向后导流通道，达到吸入即将破碎的边界层和形成的涡流，并填补吊舱尾部的低压区，降低吊舱阻力，改善水动力性能和推进效率的效果，后导流管设置截面呈Y型或十字型的隔板，减小来自水流推进模块带来的侧向力；体上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，有效改善吊舱工作中的水动力性能。

Description

一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置
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边界层吸收式消涡装置。
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。
目前传统拖式吊舱推进器在实际应用中，吊舱体对尾流影响对整体的推进效果产生缺陷：首先，传统拖式吊舱舱体多为圆柱体、圆锥体或纺锤体。在吊舱推进过程中，吊舱边界层流随吊舱壁后移到达尾部，尾部舱体表面收拢，横截面缩小；这造成边界层流破碎，形成涡旋，冲击舱壁，对结构和水动力性能造成影响。其次，吊舱处于螺旋桨下游，尾部舱体表面收拢，横截面缩小，在高速的尾流中会产生低压区，形成阻力。降低推进器的整体推力，从而降低了推进效率。第三，推进器会产生额外的侧向力，影响尾流，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。
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边界层吸收式消涡装置，能够解决上述存在的问题，进一步优化优化拖式吊舱推进器的水动力性能。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，该装置安装在吊舱推进器上；其创新点在于：包括涡流吸入模块、导流通道模块和水流推进模块；所述涡流吸入模块安装在吊舱的舱体表面且与吊舱内部导通；所述导流通道模块设置在吊舱内且导流通道模块的两端分别与涡流吸入模块及水流推进模块相连；
所述涡流吸入模块均匀排布于设计工况下的边界层流破碎区域前后侧，或集中排布于边界层破碎区域；所述涡流吸入模块包括固定框、格栅、滤网、活动开关和涡流检测传感器；所述固定框嵌入在吊舱推进器边界层上，且固定框与吊舱推进器内部导通，所述格栅安装在固定框上，所述滤网安装在固定框内且位于格栅的内侧；所述活动开关包括活动杆和活塞，所述活塞设置在活动杆的一端且置于涡流吸入模块与吊舱导通的通道内；活动杆的另一端延伸至吊舱内的动力源上，通过动力源驱动活动杆带动活塞对涡流吸入模块与吊舱形成的通道进行打开或关闭；所述涡流检测传感器设在吊舱的表面上且位于固定框的侧边；
所述导流通道模块包括前导流管和后导流管；所述前导流管设置在吊舱内，前导流管的输入端连接在涡流吸入模块与吊舱之间形成的通道上；所述前导流管的输出端连接与后导流管的输入端相连，且前导流管与后导流管的衔接处形成容纳水流推进模块的空腔；所述后导流管沿着水平方向设置，且后导流管的输出端延伸出吊舱尾端；
所述水流推进模块包括桨叶和驱动轴；所述桨叶设置在前导流管与后导流管衔接处形成空腔内，所述驱动轴的一端与桨叶相连，驱动轴的另一端延伸出前导流管与后导流管衔接处伸入吊舱内，且该端部连接有动力源。
进一步的，所述涡流吸入模块中的活动开关上连接的动力源与水流推进模块上驱动轴连接的动力源均为吊舱内的推进电机提供；且吊舱内的推进电机输出端连接有差速器，且差速器的输出端与驱动轴连接，带动驱动轴转动。
进一步的，所述后导流管内沿着延伸方向设置有截面呈Y型或十字型的隔板，将后导流管分隔若干导流腔室；所述后导流管尾端设置有尾部传感器，以监测吊舱尾部尾流情况。
进一步的，所述水流推进模块或采用引流泵体，且引流泵体的动力源可由吊舱推进器提供。
进一步的，所述水流推进模块上设置有控制单元，且控制单元通过涡流检测传感器与尾部传感器或通过吊舱体电机上的温度传感器进行水流推进模块的功率调节。
进一步的，涡流吸入模块的固定框可成圆孔状、椭圆孔状或成矩形阵列状，固定框可设置单排或多排。
本发明的优点在于：
1）本发明中通过在吊舱上的边界层流破碎区设置消涡装置，将水流通过前导流通道泵向后导流通道，达到吸入即将破碎的边界层和形成的涡流，并填补吊舱尾部的低压区，降低吊舱阻力，改善水动力性能和推进效率的效果，后导流管设置截面呈Y型或十字型的隔板，减小来自水流推进模块带来的侧向力；体上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，有效改善吊舱工作中的水动力性能。
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边界层吸收式消涡装置结构图。
图2为本发明的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置的涡流吸入模块的结构图。
图3为本发明的一种吊舱推进器边界吸收式消涡装置的应用吊舱尾部同水平面压强分布图。
图4为本发明的一种吊舱推进器边界吸收式消涡装置的边界层流体变化图。
图5为未用本发明的消涡装置吊舱尾部水平平面面湍流能分布图。
图6 为本发明的一种吊舱推进器边界吸收式消涡装置的后导流管的结构图。
图7为本发明的一种吊舱推进器边界吸收式消涡装置的吊舱尾部流速分布图。
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至图3所示的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，该装置安装在吊舱推进器上；包括涡流吸入模块1、导流通道模块2和水流推进模块3；涡流吸入模块1安装在吊舱的舱体表面且与吊舱内部导通；导流通道模块2设置在吊舱内且导流通道模块2的两端分别与涡流吸入模块1及水流推进模块3相连。
首先，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；计算吊舱舱壁边界层破碎区；设置涡流吸入窗口与后导流通道出口位置；这样来计算出涡流吸入模块的安装位置；
流体边界层流的厚度取决于流体惯性力和黏性力的相互作用，可以用雷诺数衡量，Re=U0X/v（U0为自由流速度，X为距离，v是运动黏度），Re越大其边界层越是稀薄；层流的流动过程受外界扰动而变化，失稳、扰动、破碎，形成湍流；
由层流向湍流的变化是一个连续的过程；随着Re的增大，原来的层流开始失稳，此时的Re数称为临界Recr，Recr一般在2000-2300左右；失稳的流体流速呈现脉动现象，当Re足够大，形成湍流，此时的Re称为转捩Retr；Retr一般大于Recr；如图4所示，层流稳定性理论遵守奥尔-索末菲四阶常微分方程，即：
Figure 363918DEST_PATH_IMAGE001
其边界条件为：
Figure 281059DEST_PATH_IMAGE002
以本发明引用的吊舱为例，根据计算Re数，和设计工况下舱壁湍流能和涡流分布图。随着边界层流的失稳，从两侧向吊舱尾部中心，沿吊舱壁湍流能出现明显先减小后增大的现象，如图5所示；记舱体总长为L，后锥长度实际为0.2L，则根据上述公式，设置涡流吸入窗口距吊舱后缘0.27L处；
涡流吸入模块1包括固定框11、格栅12、滤网13、活动开关14和涡流检测传感器15；固定框11嵌入在吊舱推进器边界层上，且固定框11与吊舱推进器内部导通，固定框可成圆孔状、椭圆孔状或成矩形阵列状，固定框可设置单排或多排；格栅12安装在固定框11上，滤网13安装在固定框11内且位于格栅12的内侧；活动开关14包括活动杆和活塞，活塞设置在活动杆的一端且置于涡流吸入模块1与吊舱导通的通道内；活动杆的另一端延伸至吊舱内的动力源上，通过动力源驱动活动杆带动活塞对涡流吸入模块1与吊舱形成的通道进行打开或关闭；涡流检测传感器14设在吊舱的表面上且位于固定框11的侧边；涡流吸入模块的设置要在设计工况下的能够抑制边界层流动转捩的破碎区域前，以达到最大的吸波效果；固定框以圆形为例，窗口直径设计为0.005L；通过涡流检测传感器15检测舱壁边界层情况和涡流情况，为整体装置的控制调整提供数据；如图6所示；
导流通道模块2包括前导流管21和后导流管22；前导流管21设置在吊舱内，前导流管21的输入端连接在涡流吸入模块1与吊舱之间形成的通道上；前导流管21的输出端连接与后导流管22的输入端相连，且前导流管21与后导流管22的衔接处形成容纳水流推进模块3的空腔；后导流管22沿着水平方向设置，且后导流管22的输出端延伸出吊舱尾端；导流通道模块可用板材分割为单独的通道，采用十字型或Y字型，以减小来自水流推进装置带来的侧向力；后导流管尾端设置有尾部传感器，以监测吊舱尾部尾流情况；且后导流管通过改变水道形状，实现抵消或利用部分螺旋桨侧向力的影响。
水流推进模块可采用螺旋桨结构或采用引流泵体；当水流推进模块采用螺旋桨结构时；水流推进模块3包括桨叶31和驱动轴32；桨叶31设置在前导流管21与后导流管22衔接处形成空腔内，驱动轴32的一端与桨叶31相连，驱动轴32的另一端延伸出前导流管21与后导流管22衔接处伸入吊舱内，且该端部连接有动力源；当水流推进模块采用引流泵体时，动力源可由吊舱直接提供；水流推进模块上设置有控制单元，且控制单元通过涡流检测传感器与尾部传感器或通过吊舱体电机上的温度传感器进行水流推进模块的功率调节。
涡流吸入模块1中的活动开关14上连接的动力源与水流推进模3块上驱动轴32连接的动力源均为吊舱内的推进电机提供；且吊舱内的推进电机输出端连接有差速器33，且差速器33的输出端与驱动轴32连接，带动驱动轴32转动。
由于吊舱体的影响，吊舱尾部形成了一个低压区；并在低压区内衍生出一个涡流引发的短暂高压区；并表现出一个低速区，如图7所示；低压区直径约为0.07L，设计导流通道为0.55L，配合导流出口周边传感器221，减小低压区；后导流管22内沿着延伸方向设置有截面呈十字型的隔板222，将后导流管22分隔若干导流腔室，降低来流的法向力。
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 (6)

1.一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，该装置安装在吊舱推进器上；其特征在于：包括涡流吸入模块、导流通道模块和水流推进模块；所述涡流吸入模块安装在吊舱的舱体表面且与吊舱内部导通；所述导流通道模块设置在吊舱内且导流通道模块的两端分别与涡流吸入模块及水流推进模块相连；
所述涡流吸入模块均匀排布于设计工况下的边界层流破碎区域前后侧，或集中排布于边界层破碎区域；所述涡流吸入模块包括固定框、格栅、滤网、活动开关和涡流检测传感器；所述固定框嵌入在吊舱推进器边界层上，且固定框与吊舱推进器内部导通，所述格栅安装在固定框上，所述滤网安装在固定框内且位于格栅的内侧；所述活动开关包括活动杆和活塞，所述活塞设置在活动杆的一端且置于涡流吸入模块与吊舱导通的通道内；活动杆的另一端延伸至吊舱内的动力源上，通过动力源驱动活动杆带动活塞对涡流吸入模块与吊舱形成的通道进行打开或关闭；所述涡流检测传感器设在吊舱的表面上且位于固定框的侧边；
所述导流通道模块包括前导流管和后导流管；所述前导流管设置在吊舱内，前导流管的输入端连接在涡流吸入模块与吊舱之间形成的通道上；所述前导流管的输出端连接与后导流管的输入端相连，且前导流管与后导流管的衔接处形成容纳水流推进模块的空腔；所述后导流管沿着水平方向设置，且后导流管的输出端延伸出吊舱尾端；
所述水流推进模块包括桨叶和驱动轴；所述桨叶设置在前导流管与后导流管衔接处形成空腔内，所述驱动轴的一端与桨叶相连，驱动轴的另一端延伸出前导流管与后导流管衔接处伸入吊舱内，且该端部连接有动力源。
2.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，其特征在于：所述涡流吸入模块中的活动开关上连接的动力源与水流推进模块上驱动轴连接的动力源均为吊舱内的推进电机提供；且吊舱内的推进电机输出端连接有差速器，且差速器的输出端与驱动轴连接，带动驱动轴转动。
3.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，其特征在于：所述后导流管内沿着延伸方向设置有截面呈Y型或十字型的隔板，将后导流管分隔若干导流腔室；所述后导流管尾端设置有尾部传感器，以监测吊舱尾部尾流情况。
4.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，其特征在于：所述水流推进模块或采用引流泵体，且引流泵体的动力源可由吊舱推进器提供。
5.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，其特征在于：所述水流推进模块上设置有控制单元，且控制单元通过涡流检测传感器与尾部传感器或通过吊舱体电机上的温度传感器进行水流推进模块的功率调节。
6.根据权利要求1所述的一种吊舱推进器边界层吸收式消涡装置，其特征在于：所述涡流吸入模块的固定框可成圆孔状、椭圆孔状或成矩形阵列状，固定框可设置单排或多排。
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Application publication date: 20200918

Assignee: NANJING HIGH ACCURATE MARINE EQUIPMENT Co.,Ltd.

Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022990000313

Denomination of invention: An absorbing vortex eliminator in the boundary layer of POD propeller

Granted publication date: 20210430

License type: Common License

Record date: 20220620

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