CN115959275A - 一种节能导轮和船舶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种节能导轮和船舶。节能导轮包括：内层半导管、外层半导管、多个外层定子叶片和多个内层定子叶片；外层半导管的弦长小于内层半导管的弦长；内层定子叶片周向分散设置，且一片或者两片内层定子叶片设置在船体艉部的右舷侧，其余内层定子叶片设置在船体艉部的左舷侧；内层定子叶片的根部与船体艉部固定连接，内层定子叶片的梢部与内层半导管的内壁固定连接；外层定子叶片的根部与内层半导管的外壁固定相连，外层定子叶片的梢部与外层半导管的内壁固定相连。本发明实施例的节能导轮解决现有节能导轮技术中针对伴流较小的船型的节能效果偏低的问题，减小外层半导管的湿表面积，减小节能导轮的自身阻力，从而提高船舶推进效率。

Description

一种节能导轮和船舶

技术领域

本发明涉及船舶水动力节能技术领域，尤其涉及一种节能导轮和船舶。

背景技术

当前船舶行业，船舶对于油耗的要求日益严格，船舶排放越来越要求低碳环保，越来越多的新建和改造船舶通过在船体艉部、螺旋桨前方安装节能导轮，提高船舶螺旋桨推进效率。

目前市场上的桨前节能导轮主要包括多个定子导叶加一个扇形导管以及多个定子导叶加两个扇形导管的组合形式。专利文件《光芒型前置导轮》(CN103332280A)，其光芒型前置导轮的定子叶片延伸至导管外部，形成悬壁梁结构。

现有的节能导轮极易引起结构振动，影响光芒型前置导轮和船体的结构强度，而且由于湿表面积较大，增大了节能导轮的阻力，降低了船舶推进效率。

发明内容

本发明提供了一种节能导轮和船舶，可以解决现有节能导轮技术中针对伴流较小的船型的节能效果偏低、节能导轮振动较大的问题，减小外层半导管的湿表面积，减小节能导轮的自身阻力，从而提高船舶推进效率，加强节能导轮强度，减小节能导轮振动。

第一方面，本发明实施例提供了一种节能导轮，包括：内层半导管、外层半导管、多个外层定子叶片和多个内层定子叶片；外层半导管设置在船体艉部的左舷侧；外层半导管的弦长小于内层半导管的弦长；内层定子叶片周向分散设置，且一片或者两片内层定子叶片设置在船体艉部的右舷侧，其余内层定子叶片设置在船体艉部的左舷侧；内层定子叶片的根部与船体艉部固定连接，内层定子叶片的梢部与内层半导管的内壁固定连接；外层定子叶片周向分散设置在船体艉部的左舷侧，外层定子叶片的根部与内层半导管的外壁固定相连，外层定子叶片的梢部与外层半导管的内壁固定相连。

可选地，设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片的数量小于设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片的数量，且设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片之间设置成不同的周向安装角和扭曲角。

可选地，设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片的数量和设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片的数量相同，且设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片和设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片为一体设置。

可选地，设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片或者设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片包括第一定子叶片、第二定子叶片和第三定子叶片。

可选地，第一定子叶片与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为60°～85°；第二定子叶片与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为30°～60°；第三定子叶片与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为0°～30°。

可选地，设置在船体艉部的左舷侧的内层定子叶片与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片为非一体设置；内层半导管的弦长大于内层定子叶片的弦长并且大于外层定子叶片的弦长；外层半导管的弦长小于外层定子叶片的弦长；或者，设置在船体艉部的左舷侧的内层定子叶片与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片为一体设置；内层半导管的弦长大于任一内层定子叶片或者大于任一外层定子叶片的弦长；外层半导管的弦长小于任一内层定子叶片或者小于任一外层定子叶片的弦长。

可选地，内层半导管所对应的弧度角范围为70°～130°，内层半导管的半径与螺旋桨半径的比值取值范围为0.25～0.5。

可选地，外层半导管的弦长与外层定子叶片的弦长的比值范围为0.2～0.6；外层半导管所对应的弧度角范围为50°～100°。

可选地，节能导轮还包括外层半导管固定支撑，外层半导管通过外层半导管固定支撑与船体艉部固定连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种船舶，包括上述任一实施例的节能导轮。

本发明实施例的提供的节能导轮，包括内层半导管、外层半导管、多个外层定子叶片和多个内层定子叶片；通过设置内层定子叶片的根部与船体艉部固定连接，内层定子叶片的梢部与内层半导管的内壁固定连接；外层定子叶片的根部与内层半导管的外壁固定相连，外层定子叶片的梢部与外层半导管的内壁固定相连，可以增加定子叶片强度，减小定子叶片振动，提升该节能装置的结构可靠性；通过设置外层半导管的弦长小于内层半导管的弦长，可以减小外层半导管的湿表面积，减小节能导轮的自身阻力，从而提高船舶推进效率。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种节能导轮的结构示意图；

图2是本发明图1提供的一种节能导轮的正视图；

图3是本发明实施例提供的又一种节能导轮的结构示意图；

图4是本发明图3提供的一种节能导轮的正视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所述，现有技术中，定子叶片的梢部延伸至导管外部，定子叶片的根部与船体艉部固定连接为船舶提供了较好的节能效果，但仅定子叶片的根部与船体艉部连接，船体对前置节能导轮的支撑较少，整个节能导轮的刚度较低，其固有频率也随之降低，易产生共振，前置节能导轮极有可能产生较大振动而引起振动破坏，从另一方面，共振的产生增加船尾流场的流动分离，并使螺旋桨伴流场变差，使得螺旋桨的推进效率降低而使节能效果明显变差。

基于上述问题，本发明实施例提供了一种节能导轮，图1为本发明实施例提供的一种节能导轮的结构示意图，本实施例可适用于伴流较小的船舶螺旋桨桨前节能的情况，如图1所示，该节能导轮包括：内层半导管10、外层半导管20、多个外层定子叶片30和多个内层定子叶片40；外层半导管20设置在船体艉部的左舷侧；外层半导管20的弦长小于内层半导管10的弦长；内层定子叶片40周向分散设置，且一片或者两片内层定子叶片40设置在船体艉部50的右舷侧，其余内层定子叶片40设置在船体艉部50的左舷侧；内层定子叶片40的根部与船体艉部50固定连接，内层定子叶片40的梢部与内层半导管10的内壁固定连接；外层定子叶片30周向分散设置在船体艉部50的左舷侧，外层定子叶片30的根部与内层半导管10的外壁固定相连，外层定子叶片30的梢部与外层半导管20的内壁固定相连。

节能导轮是通过船尾螺旋桨的工作特性及尾部流场分析而开发的一种节能装置，节能导轮通过改善螺旋桨工作环境以提高螺旋桨推进效率或回收桨后流动能量来达到降低螺旋桨收到功率的节能目的。节能导轮的材质可以为碳素结构钢等各种料质。导轮的具体尺度会因不同船型而有所不同，应根据相应的船型来确认并试验验证。通常节能效果可达3％～8％。

首先节能导轮会使螺旋桨周围的水流加速，轴向流速在整个盘面趋向均匀，使螺旋桨工作条件发生变化，有利于推进效率提高、激振力减小和船体振动减弱。其次在螺旋桨工作时，节能导轮中内置导叶产生有利预旋流，减小螺旋桨艉流旋转能量损失。最后改善尾部流动分离，产生附加正推力，对减少推力减额产生有利影响。

具体地，节能导轮安装于船体艉部，位于螺旋桨之前。半导管能起到均匀伴流场以及增加螺旋桨流量，让更多的流体进入螺旋桨盘面的作用，从而提高螺旋桨的推进效率，半导管弦长越长，均匀伴流场以及增加螺旋桨流量的效果越好。然而半导管弦长过长，会增大节能导轮的自身阻力。而且由于内层半导管10的半径小，所以其展长(相当于圆的周长)小，所以内层半导管10弦长长一点，湿表面积增加有限，阻力可增加较少，增加内层半导管10弦长带来的好处大于产生的不利影响。反之，外层半导管20半径大，外层半导管20弦长设置过长，湿表面积增加显著，阻力增加较大，增加外层半导管20弦长带来的好处小于产生的不利影响，所以为减小外层半导管20的阻力，应该要减小外层半导管20的弦长，实现减小湿表面积，从而提高螺旋桨推进效率。

外层定子叶片30和内层定子叶片40可使螺旋桨进流产生预旋，从而降低螺旋桨旋转能量损失。具体地，外层定子叶片30和内层定子叶片40可使螺旋桨前方的流动产生与螺旋桨旋转方向相反的旋转，可减少螺旋桨运转过程中的旋转能量损失，使相同航行速度下船后螺旋桨的所需收到功率下降，达到节省能源和减少排放的效果。

设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30可以是一体设置，也可以不是一体设置。

当设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30是一体设置时，内层定子叶片40的梢部穿过内层半导管10与外层半导管20的内壁固定连接。

当设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30不是一体设置时，由于内层空间小，外层空间大，因此需要设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40的数量小于设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30的数量，且设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40与设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30之间设置成不同的周向安装角和扭曲角。但是，设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30的数量和设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40的数量不应该太少，也不应该太多，太少定子叶片产生的预旋不够，太多容易产生叶栅效应。示例性地，船体艉部左舷侧可以设置2片内层定子叶片40，3片外层定子叶片30，船体艉部左舷侧还可以设置3片内层定子叶片40，4片外层定子叶片30。图1示意性的给出了船体艉部左舷侧设置3片内层定子叶片40，4片外层定子叶片30，船体艉部50的右舷侧设置一片内层定子叶片40的情况。图2为本发明图1提供的一种节能导轮的正视图。如通过在船艉布置两层不同角度的定子叶片，可以减小外层定子叶片30与内层定子叶片40之间的干扰，同时可以改变船体艉部左舷侧切向速度的方向，增加螺旋桨进流预旋，提高螺旋桨自身效率，减小船舶尾流损失。

本发明实施例的提供的节能导轮，包括内层半导管、外层半导管、多个外层定子叶片和多个内层定子叶片；通过设置内层定子叶片的根部与船体艉部固定连接，内层定子叶片的梢部与内层半导管的内壁固定连接；外层定子叶片的根部与内层半导管的外壁固定相连，外层定子叶片的梢部与外层半导管的内壁固定相连，可以增加定子叶片强度，减小定子叶片振动，提升该节能装置的结构可靠性；通过设置外层半导管的弦长小于内层半导管的弦长，可以减小外层半导管的湿表面积，减小节能导轮的自身阻力，从而提高船舶推进效率。

继续参考图1，节能导轮还包括外层半导管固定支撑60，外层半导管20通过外层半导管固定支撑60与船体艉部50固定连接。通过设置外层半导管固定支撑60可以增加节能导轮的强度，提高节能导轮的结构可靠性。连接外层半导管固定支撑60在安装前，根据节能导轮的屈服强度满足规范要求、螺旋桨的激振频率和所述前置节能装置的固有频率，对其形状进行设计，其中螺旋桨的激振频率为F1，节能导轮的固有频率为F2，则F2＜0.7F1，或F2＞1.3F1。

在优选实施例中，通过有限元仿真计算对节能导轮进行强度评估，在屈服强度满足规范要求的前提下，应用有限元仿真，结合兰索斯法以及流体边界元法对节能导轮进行仿真计算得到固有频率F2。

进一步地，在计算固有频率时，固有频率的计算公式：

k与节能导轮自身的结构布置、材料规格和船体的连接形式相关；m与节能导轮自身的结构材料规格相关。影响节能导轮的振动因素包括：螺旋桨的激振频率、节能导轮自身的固有频率。如果两个频率接近，则会产生共振破坏，所以需要将两个固有频率错开设计，错开30％以上就不会产生共振破坏。一般情况下，螺旋桨的激振频率不变，只能通过改变节能导轮的固有频率来进行错开设计，根据固有频率的计算公式可见，固有频率与刚度系数k,重量m有关，k与节能导轮自身的结构布置、材料规格、与船体的连接形式相关；m与节能导轮自身的结构材料规格相关。首先通过计算验证节能导轮结构屈服强度满足，还需满足频率错开的要求；对于前置导轮的连接形式对节能效果影响较小。所以需要寻求合适的结构布置、材料规格、连接形式，并达到结构的轻量化。对节能导轮及外层半导管固定支撑60的形式进行设计，提高节能效果，通过有限元仿真计算对节能导轮及外层半导管固定支撑60的规格选择进行强度评估，在满足屈服强度的前提下，对节能导轮及外层半导管固定支撑60进行精确的仿真计算得到固有频率，然后评估与螺旋桨激励频率的错开值，避免发生共振。从而得到节能导轮合适的结构布置、材料规格。

本实施例中，内层半导管10的弦长大于内层定子叶片40的弦长并且大于外层定子叶片30的弦长；外层半导管20的弦长小于外层定子叶片30的弦长。

内层半导管10所对应的弧度角范围为70°～130°，内层半导管10的半径与螺旋桨半径的比值取值范围为0.25～0.5，外层半导管的弦长与外层定子叶片的弦长的比值范围为0.2～0.6；外层半导管10所对应的弧度角范围为50°～100°。通过控制内层半导管10周向角度范围和内层半导管10的半径，以及控制外层半导管的弦长小于外层定子叶片30的弦长，可以减小节能导轮的湿表面积，减小节能导轮的自身阻力，提高船舶推进效率。

图3为本发明实施例提供的又一种节能导轮的结构示意图，如图3所示，节能导轮包括：内层半导管10、外层半导管20、多个外层定子叶片30和多个内层定子叶片40；外层半导管20的弦长小于内层半导管10的弦长；内层定子叶片40周向分散设置，且一片或者两片内层定子叶片40设置在船体艉部50的右舷侧，其余内层定子叶片40设置在船体艉部50的左舷侧；内层定子叶片40的根部与船体艉部固定连接，内层定子叶片40的梢部与内层半导管10的内壁固定连接；外层定子叶片30周向分散设置在船体艉部50的左舷侧，外层定子叶片30的根部与内层半导管10的外壁固定相连，外层定子叶片30的梢部与外层半导管20的内壁固定相连。设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片的数量和设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片的数量相同，且设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40和设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30为一体设置。

设置在船体艉部左舷侧的内层定子叶片40或者设置在船体艉部左舷侧的外层定子叶片30包括第一定子叶片11、第二定子叶片12和第三定子叶片13。

节能导轮还包括外层半导管固定支撑60，外层半导管20通过外层半导管固定支撑60与船体艉部50固定连接。

图4为本发明图3提供的一种节能导轮的正视图。如图4所示，第一定子叶片11与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为60°～85°；第二定子叶片12与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为30°～60°；第三定子叶片13与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为0°～30°。

继续参考图4，当船体艉部50的右舷侧设置一片内层定子叶片40时，内层定子叶片40船体艉部的中纵剖面夹角的范围为0°～30°。

本实施例中，内层半导管10的弦长大于任一内层定子叶片40或者大于任一外层定子叶片30的弦长；外层半导管20的弦长小于任一内层定子叶片40或者小于任一外层定子叶片30的弦长。

本发明实施例还提供了一种船舶，该船舶包括上述任意实施例的节能导轮，具备节能导轮相应的功能模块和有益效果。

本发明实施例还提供了一种节能装置的设计评估方法：节能装置包括前置导叶、前置导管、前置导叶与导管的组合装置、毂帽鳍、反应舵、舵球、舵附加鳍等，节能装置性能计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)评估方法，根据节能装置种类不同，可分为以下2种：

1)与螺旋桨一体安装的节能装置，如桨毂消涡鳍，可视作推进器的一部分，因此其性能评估时，可通过对比螺旋桨带与不带桨毂消涡鳍时的敞水效率得到其节能效果，并定义参数：

其中：K_T0,K_Q0,η₀分别表示螺旋桨加装常规桨帽时的推力系数、扭矩系数及敞水效率；而K'_T,K'_Q,η'则分别表示螺旋桨加装消涡鳍时的推力系数、扭矩系数及敞水效率。

2)安装于船体或舵上的节能装置，在对其进行节能效果评估时将其视作船舶附体的一部分。因此在节能效果评估时，需分别进行相同航速下加装与不加装节能装置时的船舶自航计算，并得到2种情况下的船舶水动力性能，然后以不加装节能装置的船体+平舵+螺旋桨的CFD数值计算得到的螺旋桨收到功率为基础，如果在相同航速下加装节能装置后的螺旋桨收到功率小于原型，则该节能装置具有节能效果。CFD评估主要流程如下：

1)带与不带节能装置时的船体阻力及流场计算分析；

2)带与不带节能装置时的船舶自航性能计算分析；

3)在设计航速下，通过改变螺旋桨转速进行一系列的船舶自航计算，并通过比较不同螺旋桨转速下的船体阻力和螺旋桨推力得到新的平衡点，进而得到船模自航点处的船体阻力、螺旋桨水动力和螺旋桨收到功率；

4)通过比较带与不带节能装置时的螺旋桨收到功率，从而得到节能装置的节能效果。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节能导轮，其特征在于，包括：内层半导管、外层半导管、多个外层定子叶片和多个内层定子叶片；

所述外层半导管设置在船体艉部的左舷侧；

所述外层半导管的弦长小于所述内层半导管的弦长；

所述内层定子叶片周向分散设置，且一片或者两片所述内层定子叶片设置在船体艉部的右舷侧，其余所述内层定子叶片设置在船体艉部的左舷侧；所述内层定子叶片的根部与船体艉部固定连接，所述内层定子叶片的梢部与所述内层半导管的内壁固定连接；

所述外层定子叶片周向分散设置在船体艉部的左舷侧，所述外层定子叶片的根部与所述内层半导管的外壁固定相连，所述外层定子叶片的梢部与所述外层半导管的内壁固定相连。

2.根据权利要求1所述的节能导轮，其特征在于，设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片的数量小于设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片的数量，且设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片与设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片之间设置成不同的周向安装角和扭曲角。

3.根据权利要求1所述的节能导轮，其特征在于，设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片的数量和设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片的数量相同，且设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片和设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片为一体设置。

4.根据权利要求3所述的节能导轮，其特征在于，所述设置在船体艉部左舷侧的所述内层定子叶片或者所述设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片包括第一定子叶片、第二定子叶片和第三定子叶片。

5.根据权利要求4所述的节能导轮，其特征在于，所述第一定子叶片与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为60°～85°；所述第二定子叶片与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为30°～60°；所述第三定子叶片与船体艉部的中纵剖面夹角的范围为0°～30°。

6.根据权利要求1所述的节能导轮，其特征在于，设置在船体艉部的左舷侧的所述内层定子叶片与设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片为非一体设置；所述内层半导管的弦长大于所述内层定子叶片的弦长并且大于所述外层定子叶片的弦长；所述外层半导管的弦长小于所述外层定子叶片的弦长；

或者，

设置在船体艉部的左舷侧的所述内层定子叶片与设置在船体艉部左舷侧的所述外层定子叶片为一体设置；所述内层半导管的弦长大于任一所述内层定子叶片或者大于任一所述外层定子叶片的弦长；所述外层半导管的弦长小于任一所述内层定子叶片或者小于任一所述外层定子叶片的弦长。

7.根据权利要求1所述的节能导轮，其特征在于，所述内层半导管所对应的弧度角范围为70°～130°，所述内层半导管的半径与螺旋桨半径的比值取值范围为0.25～0.5。

8.根据权利要求1所述的节能导轮，其特征在于，所述外层半导管的弦长与所述外层定子叶片的弦长的比值范围为0.2～0.6；所述外层半导管所对应的弧度角范围为50°～100°。

9.根据权利要求1所述的节能导轮，其特征在于，还包括外层半导管固定支撑，所述外层半导管通过所述外层半导管固定支撑与船体艉部固定连接。

10.一种船舶，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的节能导轮。

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