CN114476001B - 层流翼型桨叶结构及其应用方法、螺旋桨 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层流翼型桨叶结构及其应用方法、螺旋桨，包括桨叶，桨叶所属的翼型族为层流翼型，且桨叶分别具有桨尖端和桨根端；桨叶分别具有截面翼型最大厚度和截面翼型弦长，截面翼型最大厚度为截面翼型弦长在其法线方向的翼型最大厚度，且截面翼型最大厚度与截面翼型弦长之间的比值形成翼型的相对厚度数值；沿着桨尖端至桨根端的方向，桨叶的横截面形状逐渐变化，截面翼型弦长逐步增大，翼型的相对厚度数值逐步减小。解决了现有流线型设计桨叶对于提升动力效率带来的帮助有限而导致的螺旋桨结构整体尺寸设计及重量偏大，携带运输不便，以及限制了电机功率更大限度地转化为推进功率，提升了能耗，螺旋桨结构难以发挥到最优性能的技术问题。

Description

层流翼型桨叶结构及其应用方法、螺旋桨

技术领域

本发明涉及水动力流体力学设计技术领域，具体而言，涉及一种水面、水下航行器用层流翼型桨叶结构及其应用方法、螺旋桨。

背景技术

目前，水翼板的螺旋桨结构均是由柱状的桨杆以及铲状的桨叶组合而成。其中，桨叶通常具有特定的流线型，即，桨叶的截面形状会随着其与桨杆之间距离的不断变化而同步进行改变，以实现在常规叶片的基础上增加动力效率。

但是，当需要满足某一动力效率的要求时，由于现有的流线型设计对于提升动力效率带来的帮助有限，因此不得不选择增大桨叶的尺寸来实现效率提升，从而导致现有流线型设计的桨叶在实际应用中仍存在有尺寸设计较大，螺旋桨结构的整体重量较大的问题，进而造成携带运输不便，以及限制了电机功率更大限度地转化为推进功率，提升了能耗，螺旋桨结构难以发挥到最优性能。

发明内容

为此，本发明提供了一种层流翼型桨叶结构及其应用方法、螺旋桨，以解决现有技术中的流线型设计桨叶对于提升动力效率带来的帮助有限，而导致的螺旋桨结构整体尺寸设计及重量偏大，携带运输不便，以及限制了电机功率更大限度地转化为推进功率，螺旋桨结构难以发挥到最优性能的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种层流翼型桨叶结构，包括桨叶，所述桨叶所属的翼型族为层流翼型，且所述桨叶分别具有桨尖端和桨根端；

所述桨叶分别具有截面翼型最大厚度和截面翼型弦长，所述截面翼型最大厚度为所述截面翼型弦长在其法线方向上的翼型最大厚度，且所述截面翼型最大厚度与所述截面翼型弦长之间的比值形成翼型的相对厚度数值；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶的横截面形状逐渐变化，所述截面翼型弦长逐步增大，所述翼型的相对厚度数值逐步减小；

所述桨叶形成的螺旋桨半径为所述桨叶形成的螺旋桨外径的一半；

所述桨叶具有一个螺距，所述螺距为所述桨叶的所处平面在非流动介质中旋转一圈经过的距离，所述螺距与所述螺旋桨外径之间的比值形成进速系数；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶处于桨尖端与桨根端之间实时位置的横截面形状逐渐变化，所述截面翼型弦长与所述螺旋桨外径之间的比值以及所述进速系数均逐渐变化；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述截面翼型弦长与所述螺旋桨外径之间比值逐步增大；所述进速系数的逐步变化顺序为先减小后增大再减小；

所述桨叶还具有桨叶角、侧斜角和纵倾角；

所述桨叶角为所述桨叶的扭角，所述桨叶的扭角为所述截面翼型弦长所处直线与所述桨叶所处的旋转平面之间的夹角，其随所述螺旋桨半径的变化而同步变化，沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶处于桨尖端与桨根端之间实时位置的横截面形状逐渐变化，所述桨叶角逐步减小；

所述桨叶具有一个正投影，所述正投影的外形轮廓为投射轮廓，所述投射轮廓基于中心参考线为对称叶形，所述侧斜角和所述纵倾角不变；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶的横截面形状逐渐变化，不同位置的横截面几何信息为：

表中，r为截面位置至螺旋桨的桨杆之间的距离，R为螺旋桨半径，r/R为二者之间比值，指代截面位置处于所述桨尖端与所述桨根端之间的实时位置；c为截面翼型弦长，所述截面翼型弦长即翼型截面两端点之间的最大连线长度，D为螺旋桨外径，c/D为二者之间比值；t₀为截面翼型最大厚度，所述截面翼型最大厚度即截面翼型沿所述截面翼型弦长的法线方向上的翼型最大厚度，t₀/c为二者之间比值，指代翼型的相对厚度数值；P为螺距，所述螺距即螺旋桨在非流动介质中旋转一圈桨叶所处平面经过的距离，P/D为二者之间比值，指代进速系数。Pitch为桨叶角，即桨叶的扭角，所述桨叶的扭角是指桨叶的截面翼型弦长所处直线与桨叶所处旋转平面之间的夹角；skew为侧斜角，rake为纵倾角。

在上述技术方案的基础上，对本发明做如下进一步说明：

作为本发明的进一步方案，所述桨叶的形状为卡普兰系列外形，所述桨尖端为平头。

作为本发明的进一步方案，所述桨叶形成一个外涵道，所述桨尖端与所述外涵道之间平行对应。

作为本发明的进一步方案，所述桨叶的两面分别一一对应具有压力表面和吸力表面，所述压力表面与所述吸力表面之间为相背离设置，且所述吸力表面为平滑的外凸面。

一种层流翼型桨叶结构的应用方法，将所述的层流翼型桨叶结构应用于转速为3000rpm，拉力为13kg，航速为25km/h的使用工况。

一种螺旋桨，包括柱状的桨杆，还包括所述的层流翼型桨叶结构；

所述桨叶设有三个，且所述三个桨叶均匀固接于所述桨杆的外侧；

所述桨尖端位于所述桨叶远离所述桨杆的一侧端，所述桨根端位于所述桨叶靠近所述桨杆的一侧端。

本发明具有如下有益效果：

该结构形状能够在特定工况下有效提升螺旋桨在实际应用中的动力效率，同时能够在保证效率的前提下，将螺旋桨尺寸做到最小，方面携带，减轻重量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的层流翼型桨叶结构及螺旋桨的整体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的层流翼型桨叶结构及螺旋桨在桨杆轴向上的投影结构示意图。

图3为本发明实施例提供的层流翼型桨叶结构及螺旋桨在桨杆径向上的投影结构示意图。

图4为本发明实施例提供的层流翼型桨叶结构在桨尖至桨根截面形状的分布示意图。

图5为本发明实施例提供的螺旋桨的性能曲线示意图。

图6为本发明实施例提供的螺旋桨的性能曲线示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

桨杆1；

桨叶2：桨尖21、桨根22、压力表面23、吸力表面24。

螺旋桨外径D，螺旋桨半径R，截面翼型弦长c，截面翼型最大厚度t₀，螺距P。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本说明书所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图4所示，本发明实施例提供了一种层流翼型桨叶结构及其应用方法、螺旋桨，包括柱状的桨杆1以及均匀固接于所述桨杆1外侧的三个桨叶2，用以通过桨叶2的转动作用克服介质阻力以实现既定的推进功能。

具体地，请继续参考图1和图2，所述桨叶2的形状为卡普兰系列外形，且所述桨叶2分别具有远离所述桨杆1的桨尖21端以及靠近所述桨杆1的桨根22端，其中，所述桨尖21端为平头，且所述桨尖21端与所述螺旋桨的外涵道(桨叶2的空气流动通道)之间平行对应。

请参考图3和图4，所述桨根22端至所述桨尖21端形成的桨叶2为NACA65A0xx(其中xx为截面翼型厚度占截面翼型弦长c的百分比)系列翼型，且所述桨叶2所属的翼型族为层流翼型，所述桨叶2的两面分别一一对应为压力表面23和吸力表面24，所述压力表面23与所述吸力表面24之间为相背离设置，且所述吸力表面24为平滑的外凸面，使所述吸力表面24在经过既定流速的介质时产生的表面压强分布较为平坦，一方面扩大层流面积，阻力更低；另一方面，避免了较高的压力峰值，不容易出现空化，提升了推进效率。

在任意所述桨叶2上，沿着所述桨根22端至所述桨尖21端的方向，所述桨叶2的横截面形状逐渐变化，典型位置的截面具体几何信息如下表1所示。

其中，r为截面位置至螺旋桨桨杆1之间的距离，R为螺旋桨半径，r/R为二者之间比值，指代截面位置处于桨尖21与桨根22之间的实时位置，在本发明实施例中，请参考图2，所述桨杆1的直径为0.04m，所述螺旋桨外径D为0.12m，所述螺旋桨半径R为D/2＝0.06m。

请参考图3，c为截面翼型弦长，即，翼型截面两端点之间的最大连线长度，c/D为二者之间比值；t₀为截面翼型最大厚度，即，截面翼型沿其弦长c法线方向上的翼型最大厚度，t₀/c为二者之间比值，指代翼型的相对厚度数值；P为螺距，即螺旋桨在非流动介质中旋转一圈桨叶2所处平面经过的距离，P/D为二者之间比值，指代进速系数。Pitch为桨叶角，即桨叶2的扭角，是指桨叶2的截面翼型弦长c所处直线与桨叶2所处旋转平面之间的夹角，其随螺旋桨半径R的变化而变化，且其变化规律是影响桨叶2工作性能最主要的因素。

螺旋桨要想做到效率最优，必须针对常用工况进行专门设计，否则无法发挥到最优性能，无法将电机功率最大限度的转化为推进功率。

本发明实施例提供的上述数据设计是应用于转速为3000rpm，拉力为13kg，航速为25km/h这一使用工况附近而进行的特别设计，使得螺旋桨具有最大的推进效率性能。具体的性能曲线如图5所示，其中，KT为拉力系数，KQ为扭矩系数，EFFY为效率，Js为前进比。

作为本实施例的优选方案，除了将上述确定的几何外形应用于现有螺旋桨叶片的厚度之外，所述桨叶2的厚度在其压力表面23和/或吸力表面24整体增加0.2mm～0.4mm的几何外形，也属于本发明的保护范围之内。

上述实施例中所述的桨叶2的吸力表面24采用平滑的外凸面，使得所述吸力表面24在经过既定流速的介质时产生的表面压强分布较为平坦的性能曲线如图6所示，通过自上而下第一条变化线条可以看出比较平，就说明压力峰值比较低，不容易发生空化，而如果不采用这种层流翼型及吸力表面24的设置，该线条就会鼓起很多，以此实现一方面扩大层流面积，阻力更低；另一方面，避免了较高的压力峰值，不容易出现空化，提升了推进效率。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种层流翼型桨叶结构，包括桨叶，其特征在于，所述桨叶所属的翼型族为层流翼型，且所述桨叶分别具有桨尖端和桨根端；

所述桨叶分别具有截面翼型最大厚度和截面翼型弦长，所述截面翼型最大厚度为所述截面翼型弦长在其法线方向上的翼型最大厚度，且所述截面翼型最大厚度与所述截面翼型弦长之间的比值形成翼型的相对厚度数值；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶的横截面形状逐渐变化，所述截面翼型弦长逐步增大，所述翼型的相对厚度数值逐步减小；

所述桨叶形成的螺旋桨半径为所述桨叶形成的螺旋桨外径的一半；

所述桨叶具有一个螺距，所述螺距为所述桨叶的所处平面在非流动介质中旋转一圈经过的距离，所述螺距与所述螺旋桨外径之间的比值形成进速系数；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶处于桨尖端与桨根端之间实时位置的横截面形状逐渐变化，所述截面翼型弦长与所述螺旋桨外径之间的比值以及所述进速系数均逐渐变化；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述截面翼型弦长与所述螺旋桨外径之间比值逐步增大；所述进速系数的逐步变化顺序为先减小后增大再减小；

所述桨叶还具有桨叶角、侧斜角和纵倾角；

所述桨叶角为所述桨叶的扭角，所述桨叶的扭角为所述截面翼型弦长所处直线与所述桨叶所处的旋转平面之间的夹角，其随所述螺旋桨半径的变化而同步变化，沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶处于桨尖端与桨根端之间实时位置的横截面形状逐渐变化，所述桨叶角逐步减小；

所述桨叶具有一个正投影，所述正投影的外形轮廓为投射轮廓，所述投射轮廓基于中心参考线为对称叶形，所述侧斜角和所述纵倾角不变；

沿着所述桨根端至所述桨尖端的方向，所述桨叶的横截面形状逐渐变化，不同位置的横截面几何信息为：

表中，r为截面位置至螺旋桨的桨杆之间的距离，R为螺旋桨半径，r/R为二者之间比值，指代截面位置处于所述桨尖端与所述桨根端之间的实时位置；c为截面翼型弦长，所述截面翼型弦长即翼型截面两端点之间的最大连线长度，D为螺旋桨外径，c/D为二者之间比值；t₀为截面翼型最大厚度，所述截面翼型最大厚度即截面翼型沿所述截面翼型弦长的法线方向上的翼型最大厚度，t₀/c为二者之间比值，指代翼型的相对厚度数值；P为螺距，所述螺距即螺旋桨在非流动介质中旋转一圈桨叶所处平面经过的距离，P/D为二者之间比值，指代进速系数；Pitch为桨叶角，即桨叶的扭角，所述桨叶的扭角是指桨叶的截面翼型弦长所处直线与桨叶所处旋转平面之间的夹角；skew为侧斜角，rake为纵倾角。

2.根据权利要求1所述的层流翼型桨叶结构，其特征在于，

所述桨叶的形状为卡普兰系列外形，所述桨尖端为平头。

3.根据权利要求2所述的层流翼型桨叶结构，其特征在于，

所述桨叶形成一个外涵道，所述桨尖端与所述外涵道之间平行对应。

4.根据权利要求1所述的层流翼型桨叶结构，其特征在于，

所述桨叶的两面分别一 一对应具有压力表面和吸力表面，所述压力表面与所述吸力表面之间为相背离设置，且所述吸力表面为平滑的外凸面。

5.一种层流翼型桨叶结构的应用方法，其特征在于，将如权利要求1-4任一项所述的层流翼型桨叶结构应用于转速为3000rpm，拉力为13kg，航速为25km/h的使用工况。

6.一种螺旋桨，包括柱状的桨杆，其特征在于，还包括如权利要求1-4任一项所述的层流翼型桨叶结构；

所述桨叶设有三个，且所述三个桨叶均匀固接于所述桨杆的外侧；

所述桨尖端位于所述桨叶远离所述桨杆的一侧端，所述桨根端位于所述桨叶靠近所述桨杆的一侧端。

Images