CN112027017B - 一种内外双流道被动螺旋桨及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内外双流道被动螺旋桨及其设计方法，包括内叶轮、中介壳体、外廓叶轮，内叶轮均匀分布在中介壳体内侧形成内流道，外廓叶轮均匀分布在中介壳体外侧形成外流道，本发明的被动螺旋桨充分提取并利用主流流体的周向旋流能量，将无效能量转化为有效能量；通过外流道流体的流动增加产生推力的工质流量，提高推进装置的推力；有效降低了主动螺旋桨的尾流速度，减少了尾流能量的损耗。
Description
技术领域
本发明属于航海技术领域，涉及一种能在普通螺旋桨基础上有效提高能量利用率的技术，具体涉及一种内外双流道被动螺旋桨及设计方法。
背景技术
螺旋桨推进是水面、水下航行器的主要动力形式。在现有技术中，螺旋桨实际工作时，从螺旋桨流出的水流除了具有沿螺旋桨轴线向后的轴向速度，还伴随有跟随螺旋桨桨叶旋转的周向速度。其中轴向速度产生推力，为有效速度，而周向旋转速度与轴向速度垂直，无法产生推进力，为无效速度，造成了能量的浪费。其次，水流的高速轴向运动在产生推力的同时也会带走能量。这两部分能量的损失使其推进效率进一步受到限制。而现有的单一螺旋桨尾流能量完全损耗掉，螺旋桨的推进效率较低，限制了整个航行器性能的提高。
假如在普通螺旋桨后加以该功率-做功一体化的新型螺旋桨装置将提取并利用螺旋桨尾流中原本耗散的周向旋流动能，适当降低主动螺旋桨尾流的轴向速度，并提高流过整个动力装置的水流质量流量，能够在保证推力的情况下显著提高推进效率。
发明内容
针对现有技术中螺旋桨尾流存在一部分能量未能有效利提取并利用及该部分能量不能为水下航行器做功的问题。本发明的目的在于提供一种将提取尾流中的功率与为航行器前进做功两个节能效果集中于一体的螺旋桨设计。
为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种内外双流道被动螺旋桨的设计方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据螺旋桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式；
步骤2，根据二维的叶切面型值表，确定被动螺旋桨三维坐标点云；
步骤3，叶片建模，连接每个叶切面，连接导边、随边作引导线，然后进行放样；
步骤4，根据被动螺旋浆的直径、螺距比及转速，确定叶片数量；
步骤5，根据确定的螺旋浆叶片数量建立桨毂；
步骤6，根据被动螺旋浆几何要素表修改叶稍部位；
步骤7，构建得到被动螺旋浆三维模型；
步骤8，建立被动螺旋浆的包络面；
步骤9，利用Flow Simulation，用于设置分析类型、流体及物理特性，分析被动螺旋浆在水下的运动情况；
步骤10，设置计算目标；
步骤11，查看流动迹线及剖面图，如果各处速度数值不能明显区分，需要重复步骤8-11，直至得到清晰分明的流动迹线及剖面图，达到设计目标。
进一步地，上述所述的步骤10，设置计算目标具体包括如下步骤：
步骤10-1，设置计算域，即确定整个被动螺旋浆相对于流体流动域坐标系的固定体积，以获取包围被动螺旋浆模型的流体空间；
步骤10-2，设置旋转区域，根据被动螺旋浆转速速度，选择需要旋转的叶轮包络面，旋转方向与待配合的主动螺旋桨方向一致；
步骤10-3，设置工程目标：
步骤10-3-1，针对旋转叶扇的受力面进行表面目标设置；
步骤10-3-2，分析旋转叶扇的受力面压力分布。
本发明公开了一种内外双流道被动螺旋桨的结构，具体包括内叶轮、中介壳体、外廓叶轮，内叶轮均匀分布在中介壳体内侧形成内流道，外廓叶轮均匀分布在中介壳体外侧形成外流道，所述的内叶轮的形状为被动螺旋浆的旋转轴到外扩廓叶轮经过13～15度扭转的自由延伸面，内叶轮直径为0.15m；外廓叶轮的螺距比为0.8，后倾角为10～13度，被动螺旋桨直径为0.25m，盘面比为0.85。
本发明的内外双流道被动螺旋桨，最优结构为：所述的内叶轮(1)的形状为被动螺旋浆的旋转轴到外扩廓叶轮经过15度扭转的自由延伸面，内叶轮直径为0.15m；外廓叶轮(2)的螺距比为0.8，后倾角为10度，直径为0.25m，盘面比为0.85。
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果:
采用一个装置完成了减少尾流中能量的损失与为航行器前进提供动力两个问题；
1.充分提取并利用主流流体的周向旋流能量，将无效能量转化为有效能量；
通过外流道流体的流动增加产生推力的工质流量，提高推进装置的推力；
2.使用轴承连接方式，便于将现有普通螺旋桨推进器改造为新型节能的推进装置。
附图说明
图1为该被动螺旋桨结构图；
图中：1、内叶轮 2、外廓叶轮 3、中介壳体 4、连接孔
图2为螺旋桨投影原理图；
图3为普通螺旋桨尾流部分流体微团迹线图；
图4为普通螺旋桨加以该提取功率-做功一体化的内外双流道被动螺旋桨后尾流部分流体微团迹线图；
图5为采用该方法进行建模仿真的流程图；
以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术内容作进一步详细说明。
具体实施方式
被动螺旋桨的结构如图1所示，一种内外双流道被动螺旋桨，包括内叶轮1、中介壳体3、外廓叶轮2，内叶轮1均匀分布在中介壳体3内侧形成内流道，外廓叶轮2均匀分布在中介壳体3外侧形成外流道。内叶轮1用于提取从主动螺旋桨流出的水流的周向旋转动能及部分轴向运动动能。中介壳体3形成内流道后段的外围结构，并用于固定外廓叶轮2。外廓叶轮2用于对外流道水流做功，推动水流向后运动产生推力。
被动螺旋桨与主动螺旋浆配合一起使用。被动螺旋浆的内叶轮1须与主动螺旋桨排出水流的运动特征(即速度三角形)相匹配，充分提取水流周向旋转的动能，同时适当提取水流轴向流动的动能，结合外廓叶轮2的设计，实现主、被动螺旋桨的功率平衡和转速匹配。水流的高速轴向运动在产生推力的同时也会带走能量，由动量定理知，推力的大小与水流的质量流量及轴向流速成正比，而排出水流携带的能量则与水流的质量流量成正比，与水流速度的平方成正比。因为被动螺旋桨工作的能量较少，且其力臂较大，故其带动的水流流体速度较慢，与轴向较快的水流混合整体降低了尾流流体流速，且增加了水流工质的质量流量，尾流能量损耗得以减少。
被动螺旋桨实际工作时，在内流道产生高速运动的主流，主流同时具有轴向速度以及与螺旋桨旋转方向相同的周向速度。主流流体流经被动螺旋桨的内流道叶轮，由其叶轮对尾流在周向方向的能量加以利用，提取水流的周向旋转动能以及部分轴向运动动能，之后主流流体向后流出动力装置产生推力；与此同时，被动螺旋桨由内叶轮1提取能量后高速旋转，将能量传递给外廓叶轮用于推动液体，对水下航行器前进提供附加动力。
进一步地，内叶轮1的形状为被动螺旋浆的旋转轴到外扩廓叶轮经过13～15度扭转的自由延伸面，内叶轮直径为0.15m；外廓叶轮(2)的螺距比为0.8，后倾角为10～13度，被动螺旋桨直径为0.25m，盘面比为0.85。
为了充分提取尾流中的周向方向水流能量，我们将流经主动螺旋桨后的水流当作在做螺旋运动的质点进行分析，当内叶轮为从旋转轴到外扩廓叶轮经过15度扭转的自由延伸面时，提取效率较高。在设计外廓叶轮时，结合内外双流道设计与内外流道直径比设计进行改进，最终设计出该外廓叶轮叶片。螺距比：由于被动螺旋桨转速相对较低，为获得最佳的推进效率，在一定程度内增大螺距比。后倾角：采用10°后倾角的目的是为了适当增加螺旋桨的实际直径和增大叶梢与船体表面间的间隙，从而提高效率、减小振动。被动螺旋桨直径设计为0.25米适配模型船直径0.15米的主动螺旋桨，且可等比缩放后投放使用于不同大小的船用螺旋桨。盘面比：盘面比表示桨叶面积在以D为直径的圆面积里的充实程度。若螺旋桨的直径、螺距、转速和叶数均相等，则推力和转矩均随盘面比的增加而增大，但推进效率会降低，综合考虑最终选取盘面比为0.85。
参见图5，本申请还进一步给出了一种内外双流道被动螺旋桨的设计方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据螺旋桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式；
步骤2，根据二维的叶切面型值表，确定被动螺旋桨三维坐标点云；
步骤3，叶片建模，连接每个叶切面，连接导边、随边作引导线，然后进行放样；
步骤4，根据被动螺旋浆的直径、螺距比及转速，确定叶片数量；针对叶片个数，由于被动螺旋桨直径受到限制，且螺旋桨转速相对较低，采用增加桨叶数目的方法使螺旋桨与主动螺旋桨获得良好的配合。在螺距比及螺旋桨直径确定后，为了最大化推进效率，本申请采用10叶螺旋桨设计，同时能够减少空泡现象，具有一定的降噪效果。
步骤5，根据确定的螺旋浆叶片数量建立桨毂；
步骤6，根据被动螺旋浆几何要素表修改叶稍部位；
步骤7，构建得到被动螺旋浆三维模型；
步骤8，建立被动螺旋浆的包络面；
步骤9，利用Flow Simulation，创建计算项目；用于设置分析类型、流体及物理特性，分析被动螺旋浆在水下的运动情况；
步骤10，设置计算目标；
具体地，步骤10-1，设置计算域，即确定整个被动螺旋浆相对于流体流动域坐标系的固定体积，以获取包围被动螺旋浆模型的流体空间；
步骤10-2，设置旋转区域，根据被动螺旋浆转速速度，选择需要旋转的叶轮包络面，旋转方向与待配合的主动螺旋桨方向一致；
步骤10-3，设置工程目标：
步骤10-3-1，针对旋转叶扇的受力面进行表面目标设置；
步骤10-3-2，分析旋转叶扇的受力面压力分布。
步骤11，查看流动迹线及剖面图，如果各处速度数值不能明显区分，需要重复步骤8-11，直至得到清晰分明的流动迹线及剖面图，达到设计目标。
进一步解释，首先通过螺旋桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式来进行三维桨建模。参见图2中OH是基线，θ为纵斜角，φ为螺距角。全局坐标系OXYZ的OXY平面与螺旋桨轮毂端面平行，O'为基线与圆柱面的交点，坐标系O'X'Y'Z'与OXYZ平行(其中，Z轴与螺旋桨的旋转轴方向一致，以船艏方向为正向，Y轴与桨叶参考线一致，X轴服从右手法则)。O'X1Y1Z1坐标系的规定如图2(b)中所示。O'X1Y1Z1坐标系可以通过一次旋转与O'X'Y'Z'坐标系重合，由此可得：
由(1)式得：
由图1(a)可得到坐标变换关系：
其中，Ψ＝Y'/R
由式(2)～式(3)整理可得：
式(4)即为曲面型值点的局部坐标到全局坐标的转换公式。
根据二维的叶切面型值表，由式(4)，通过计算程序就可以方便地得到螺旋桨三维坐标点云。
接着利用SolidWorks将三维点云导入。选择以合适的坐标系后，制定不同的基准面.
叶片建模过程中，连接每个叶切面，连接导边、随边作引导线，然后进行放样。将螺旋桨叶实体阵列根据叶片数量建立桨毂，导边随边与桨毂表面用光顺的曲线连接。
进一步，根据螺旋桨几何要素表修改叶稍部分，建成三维模型。
针对建立的三维模型进行流体仿真处理，即：
对建模后的三维模型进行包络面设置，用于选择旋转区域，在创建项目后进行外部条件的设置，之后，根据实验所得的主被动转速关系设置以转速，计算完毕后即可查看切面图，表面图，等值面，流动迹线，点参数，表面参数，体积参数，目标图等仿真结果。
为了进一步证实本申请带来的技术效果，申请人将本申请的被动螺旋浆与主动螺旋浆结合使用的整体装置与单独使用主动螺旋浆的结构进行效果对比。参见图3和图4所示。
通过对比图3及图4，可以直观发现该装置的优点：
1)被动螺旋桨充分提取并利用主流流体的周向旋流能量，将无效能量转化为有效能量；
2)通过外流道流体的流动增加产生推力的工质流量，提高推进装置的推力；
3)有效降低了主动螺旋桨的尾流速度，减少了尾流能量的损耗。
Claims (2)
1.一种内外双流道被动螺旋桨的设计方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1，根据螺旋桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式；
步骤2，根据二维的叶切面型值表，确定被动螺旋桨三维坐标点云；
步骤3，叶片建模，连接每个叶切面，连接导边、随边作引导线，然后进行放样；
步骤4，根据被动螺旋桨的直径、螺距比及转速，确定叶片数量；
步骤5，根据确定的螺旋桨叶片数量建立桨毂；
步骤6，根据被动螺旋桨几何要素表修改叶稍部位；
步骤7，构建得到被动螺旋桨三维模型；
步骤8，建立被动螺旋桨的包络面；
步骤9，利用 Flow Simulation，用于设置分析类型、流体及物理特性，分析被动螺旋桨在水下的运动情况；
步骤10，设置计算目标；具体包括：
步骤10-1，设置计算域，即确定整个被动螺旋桨相对于流体流动域坐标系的固定体积，以获取包围被动螺旋桨模型的流体空间；
步骤10-2，设置旋转区域，根据被动螺旋桨转速速度，选择需要旋转的叶轮包络面，旋转方向与待配合的主动螺旋桨方向一致；
步骤10-3，设置工程目标：即：步骤10-3-1，针对旋转叶扇的受力面进行表面目标设置；步骤10-3-2，分析旋转叶扇的受力面压力分布；
步骤11，查看流动迹线及剖面图，如果各处速度数值不能明显区分，需要重复步骤8-11，直至得到清晰分明的流动迹线及剖面图，达到设计目标；
所述的被动螺旋桨，包括内叶轮（1）、中介壳体（3）、外廓叶轮（2），内叶轮（1）均匀分布在中介壳体（3）内侧形成内流道，外廓叶轮（2）均匀分布在中介壳体（3）外侧形成外流道，所述的内叶轮（1）的形状为被动螺旋桨的旋转轴到外廓叶轮（2）经过13~15度扭转的自由延伸面，内叶轮直径为0.15m；外廓叶轮（2）的螺距比为0.8，后倾角为10~13度，被动螺旋桨直径为0.25m，盘面比为0.85。
2.如权利要求1所述的内外双流道被动螺旋桨，其特征在于：所述的内叶轮（1）的形状为被动螺旋桨的旋转轴到外廓叶轮（2）经过15度扭转的自由延伸面，内叶轮直径为0.15m；外廓叶轮（2）的螺距比为0.8，后倾角为10度，直径为0.25m，盘面比为0.85。
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