CN115158620B - 一种用于吊舱推进器的分冰防护装置及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于吊舱推进器的分冰防护装置及其设计方法，分冰防护装置为网状结构，当其应用于推式吊舱推进器上时，安装在吊舱体上，来流依次经过吊舱体、分冰防护装置和螺旋桨；当其应用于拖式吊舱推进器上时，安装在桨毂上，来流依次经过分冰防护装置、螺旋桨和吊舱体；分冰防护装置具有面向来流向后的倾角；设计时，先获取吊舱推进器周围流场信息；然后根据流场信息初步设计分冰防护装置的尺寸参数；最后以吊舱推进器推进效率最高为优化目标，从多个设计方案中确定最佳方案。本发明通过带倾角的分冰防护装置将带有初速度的冰块导出流场外，从根本上解决了冰载荷对吊舱推进器的不利影响，提高了极地船舶推进器的推进效率。
Description
技术领域
本发明涉及船舶推进器，具体涉及一种用于吊舱推进器的分冰防护装置及其设计方法。
背景技术
吊舱推进器较常规推进系统极大地提高了极地船舶的机动性和操纵性，是极地船舶广泛采用的推进器形式。当极地船舶航行于带冰海域时，吊舱推进器和螺旋桨会受到层冰与碎冰的冲击，由于螺旋桨的抽吸作用，还会导致碎冰沿着船体滑行至吊舱推进器附近的流场中，使吊舱推进器前流场的不均性进一步加剧，吊舱推进器和螺旋桨需承受很大的冰与流体的负载，严重影响了吊舱推进器的水动力性能，甚至会产生振动、噪声和空泡等问题。
吊舱推进器应对冰载荷冲击的常规做法是加厚吊舱推进器与螺旋桨的厚度，但这会严重降低螺旋桨的推进效率，增加能耗，是不可取的。俄罗斯专利RU2584038C2中，将螺旋桨的衬套制成切割器形式，并且衬套以如下的方式延伸超过螺旋桨的旋转平面的边界：如果衬套碰到冰块，则它会在螺旋桨的其余部分碰到所述冰块之前将冰块破碎。当螺旋桨与浸没在壳体的水平面或更深的水平面中的冰块轴向相互作用时，减小了冰负载对螺旋桨的作用。但是，当螺旋桨与冰横向相互作用时以及当螺旋桨桨叶碰到位于衬套切割器作用区域之外的冰碎片时，该专利方案是无效的。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提出一种用于吊舱推进器的分冰防护装置，以解决在带冰水域航行时，吊舱推进器和螺旋桨受冰载荷冲击的不利影响，优化吊舱推进器的水动力性能；本发明的第二目的是提出该分冰防护装置的设计方法。
技术方案：本发明一方面提供一种用于吊舱推进器的分冰防护装置，所述吊舱推进器为推式或拖式，包括吊舱体、桨毂和螺旋桨；所述分冰防护装置为网状结构，当其应用于推式吊舱推进器上时，安装在吊舱体上，来流依次经过吊舱体、所述分冰防护装置和螺旋桨；当其应用于拖式吊舱推进器上时，安装在桨毂上，来流依次经过所述分冰防护装置、螺旋桨和吊舱体；所述分冰防护装置具有面向来流向后的倾角。
本发明中，在冰水混合流到螺旋桨前流场时，依靠分冰防护装置自身的倾角以及冰块的初速度，可将冰块导出流场外，从而根本上解决了冰载荷对吊舱推进器的不利影响，提高了极地船舶推进器的推进效率。
进一步地，所述倾角为65～75°。
进一步地，所述分冰防护装置由辐条连接的若干同心圆环构成，通过连接杆固定在吊舱体或桨毂上。
进一步地，相邻圆环间距大于当地航区冰级的最小冰块的直径。
进一步地，所述吊舱推进器在船体上可转动。通过分冰防护装置能够在吊舱推进器频繁改变工况时，提高吊舱推进器的水动力性能。具体来说，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。加装分冰防护装置后可以有效减小吊舱推进器两侧压力差，减小吊舱侧向力的生成，提高推进效率。
另一方面，本发明还提供一种分冰防护装置的设计方法，包括如下步骤：
(1)获取流场信息
对吊舱推进器进行设计航速下的水动力数值模拟，得到螺旋桨尾流信息以及吊舱推进器周围流场数据，包括螺旋桨尾流直径，吊舱体周围流体速度，周围流场冰级确定最小冰块直径，吊舱体周围涡量分布，吊舱体表面压力分布以及分冰防护装置预设位置前方流体运动速度；
(2)分冰防护装置初步设计
根据步骤(1)的流场数据，确定分冰防护装置位置前方不同半径处的流速大小以及冰块大小，结合分冰防护装置的强度、过水效率及沿半径方向的流速分布，初步确定合适的分冰防护装置的直径和开孔，确定分冰防护装置的轴向位置、高度及倾角；
(3)确定分冰防护装置最佳尺寸；
初步确定分冰防护装置的几何形状后，对分冰防护装置的开孔大小、倾角以及轴向位置进行调整，得到各种分冰防护装置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；以设计工况下，推进效率最高为优化目标，确定分冰防护装置的最佳匹配尺寸。
进一步地，步骤(2)中，设计分冰防护装置的轴向位置为：分冰防护装置与螺旋桨之间的距离为0.05L～0.1L，L为吊舱体长度；分冰防护装置的高度为0.8D，D为螺旋桨直径；分冰防护装置的倾角为65～75°。
该设计方法根据实际吊舱和螺旋桨的水动力性能数据与流场信息，进行针对性的结构尺寸设置与调整，具有通用性和适用性，可最大程度降低吊舱推进器受冰冲击的不利影响，提升吊舱推进器在不同水动力环境的适应能力，增加吊舱推进系统的稳定性，在整体上减少航行成本。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：通过带倾角的分冰防护装置将带有初速度的冰块导出流场外，从根本上解决了冰载荷对吊舱推进器的不利影响，提高了极地船舶推进器的推进效率。
附图说明
图1至图3是本发明应用在推式吊舱推进器上的示意图，其中图1为侧视图，图2为主视图，图3为俯视图；
图4至图6是本发明应用在拖式吊舱推进器上的示意图，其中图4为侧视图，图5为主视图，图6为俯视图；
图7是应用在拖式吊舱推进器上的分冰防护装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1至6所示，吊舱推进器包括支架1、吊舱体2、桨毂4和螺旋桨6，其中支架1剖面为对称翼型，支架1上端与船体上的机盘连接，支架1下端与吊舱体2连接，螺旋桨6安装在吊舱体2首端。机盘带动支架1转动，进而带动整个吊舱推进器作全方位回转。
分冰防护装置5为网状结构，具体由辐条连接的若干同心圆环构成，具有更好的稳定性和过水效率。
结合图1至图3，当吊舱推进器为推式吊舱推进器时，分冰防护装置5通过多根连接杆3焊接固定在吊舱体2上，图1中V表示来流，来流依次经过吊舱体2、分冰防护装置5和螺旋桨6。结合图4至图6，当吊舱推进器为拖式吊舱推进器时，分冰防护装置5通过多根连接杆3焊接固定在桨毂4上，图4中V表示来流，来流依次经过分冰防护装置5、螺旋桨6和吊舱体2。分冰防护装置5具有面向来流向后的倾角，如图1和图4，该倾角为辐条延伸方向与吊舱体2横向剖面形成的锐角夹角A，该夹角A的范围为65～75°。图7所示为应用在拖式吊舱推进器上的分冰防护装置5的结构示意图，当应用于推式吊舱推进器上时，分冰防护装置5中心设有开孔，以便将其套设在吊舱体2上。分冰防护装置5上，相邻圆环间距大于当地航区冰级的最小冰块的直径。
本实施例还提供上述分冰防护装置的设计方法，包括如下步骤：
(1)获取流场信息
对吊舱推进器进行设计航速下的水动力数值模拟，得到螺旋桨尾流信息以及吊舱推进器周围流场数据，包括螺旋桨尾流直径，吊舱体周围流体速度，周围流场冰级确定最小冰块直径，吊舱体周围涡量分布，吊舱体表面压力分布以及分冰防护装置预设位置前方流体运动速度；
(2)分冰防护装置初步设计
根据步骤(1)的流场数据，确定分冰防护装置位置前方不同半径处的流速大小以及冰块大小，结合分冰防护装置的强度、过水效率及沿半径方向的流速分布，初步确定合适的分冰防护装置的直径和开孔，确定分冰防护装置的轴向位置、高度及倾角；
设计分冰防护装置5的轴向位置为：分冰防护装置5与螺旋桨6之间的距离为0.05L～0.1L，L为吊舱体2长度；分冰防护装置5的高度为0.8D，D为螺旋桨6直径；分冰防护装置5的倾角为65～75°。
(3)确定分冰防护装置最佳尺寸；
初步确定分冰防护装置的几何形状后，对分冰防护装置的开孔大小、倾角以及轴向位置进行调整，得到各种分冰防护装置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；以设计工况下，推进效率最高为优化目标，确定分冰防护装置的最佳匹配尺寸。
本实施例最终确定分冰防护装置5与螺旋桨6之间的距离为0.1L；分冰防护装置5的高度为0.8D；分冰防护装置5的倾角为70°。
Claims (5)
1.一种用于吊舱推进器的分冰防护装置的设计方法，其特征在于：所述吊舱推进器为推式或拖式，包括吊舱体（2）、桨毂（4）和螺旋桨（6）；所述分冰防护装置为网状结构，当其应用于推式吊舱推进器上时，安装在吊舱体（2）上，来流依次经过吊舱体（2）、所述分冰防护装置和螺旋桨（6）；当其应用于拖式吊舱推进器上时，安装在桨毂（4）上，来流依次经过所述分冰防护装置、螺旋桨（6）和吊舱体（2）；所述分冰防护装置具有面向来流向后的倾角；所述分冰防护装置由辐条连接的若干同心圆环构成，通过连接杆（3）固定在吊舱体（2）或桨毂（4）上；所述倾角为辐条延伸方向与吊舱体（2）横向剖面形成的锐角夹角；
所述的设计方法包括如下步骤：
1）获取流场信息
对吊舱推进器进行设计航速下的水动力数值模拟，得到螺旋桨尾流信息以及吊舱推进器周围流场数据，包括螺旋桨尾流直径，吊舱体周围流体速度，周围流场冰级确定最小冰块直径，吊舱体周围涡量分布，吊舱体表面压力分布以及分冰防护装置预设位置前方流体运动速度；
2）分冰防护装置初步设计
根据步骤1）的流场数据，确定分冰防护装置位置前方不同半径处的流速大小以及冰块大小，结合分冰防护装置的强度、过水效率及沿半径方向的流速分布，初步确定合适的分冰防护装置的直径和开孔，确定分冰防护装置的轴向位置、高度及倾角；
3）确定分冰防护装置最佳尺寸；
初步确定分冰防护装置的几何形状后，对分冰防护装置的开孔大小、倾角以及轴向位置进行调整，得到各种分冰防护装置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；以设计工况下，推进效率最高为优化目标，确定分冰防护装置的最佳匹配尺寸。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述倾角为65~75°。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：相邻圆环间距大于当地航区冰级的最小冰块的直径。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：所述吊舱推进器在船体上可转动。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于：步骤2）中，设计分冰防护装置的轴向位置为：分冰防护装置与螺旋桨（6）之间的距离为0.05L~0.1L，L为吊舱体（2）长度；分冰防护装置的高度为0.8D，D为螺旋桨（6）直径。
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