CN116062141A - 一种浮力式推进器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浮力式推进器，包括一个或多个推进器本体单元。推进器本体单元包括锥形头部、浮筒和螺旋桨，浮筒外壁设置鳍板，并可根据需要设置浮力板、浮漂；浮力板是与推进器本体单元轴向之间呈相应俯仰角的平板或是经过流动优化设计的曲面板，推进器向前运动时，来流流经浮力板可产生浮力；浮漂是流线型的构件，通常是空心结构或者由轻质材料构成。本发明提供的浮力式推进器航行阻力小，推进效率高，使用方式灵活，可明显减小船体在航行过程中的流动阻力，达到更高航速，降低航行过程中的能量消耗，节能减排效果明显，提高经济性。本发明可广泛应用于各类水面舰船，也可以用于水上运动项目。

Description

一种浮力式推进器

技术领域

本发明属于舰船用动力领域，具体涉及一种浮力式推进器。

背景技术

船用推进装置是指为舰船提供动力，驱动舰船航行的动力装置，主要分为人力和机械两大类，其中人力推进装置包括船橹和船桨等，机械推进装置主要指螺旋桨，螺旋桨通常是发动机驱动，也可以是电机驱动。

人力类的船用推进装置为舰船提供的动力较小，主要为航行速度不高小型船只提供动力，常应用于水上娱乐、体育竞技等场景。

机械类的船用推进装置提供的动力可大可小，是目前舰船的主要动力装置。目前大中型舰船的航速通常小于30节，航速较低，如果再提高航速，需要增加较大的功率，大大降低经济性。对于少数高速船艇，较高的航速也是在消耗较大功率的情况下获得的，推进效率较低。如何有效降低舰船航行过程中的能源消耗，提升推进效率，在不增加能耗的前提下提升舰船的航速是我们面临的一大课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提出新的解决方案，为此，我们首先需要进一步分析现有舰船航行能效较低的原因。通过分析，我们发现主要的原因有两点：一是舰船的浸润面积、迎流面积较大，这是大型舰船航行效能较低的主要原因；二是航行时舰船的俯仰姿态控制不佳。由于现有船用螺旋桨通常安装在船尾底部，在推进过程中除了产生推力，还会产生一个力矩，这个力矩会让船体头部抬高，产生较大的迎角，增大航行阻力，难以提速，这是小型舰船航行过程中普遍存在的问题。

通过上述分析，我们新型推进器主要从两个方向进行改进，一是减小舰船的浸润面积，尤其是设计航速下的浸润面积，二是必须对舰船航行过程中的俯仰姿态进行有效控制，使得航行阻力始终保持在较小范围。为此，本发明提供了一种浮力式推进器，该推进器具有较小的迎流面积和浸润面积，具有较小的航行阻力，并且可以使得舰船保持在阻力较小的俯仰姿态范围内，因而可以明显降低舰船航行过程中的流动阻力和能耗，提升舰船的最高航速，利于节能减排。

本发明采用的技术方案是：一种浮力式推进器，其特征在于，包括一个或多个推进器本体单元，所述推进器本体单元包括头部、浮筒和螺旋桨推进装置。所述头部为半球形，半球形头部有利于减小推进器本体单元在推进过程中的流动阻力；所述浮筒为圆柱形空心薄壁结构或者为由轻质材料构成的实心结构，浮筒可以产生浮力，浮筒的长度和径向尺寸越大，产生的浮力越大，但流动阻力也会相应增大；所述浮筒外侧壁上设置有鳍板，鳍板通常只设置一个，也可以根据需要设置多个，所述鳍板为类鱼鳍的板状结构，鳍板可以起到引导水流、提高流动效率、稳定航向的作用，也可以将推进器的推力传递出去；所述螺旋桨推进装置包括螺旋桨、传动机构或者驱动电机，螺旋桨的旋转可以产生推力，传动机构则可将发动机的动力传递给螺旋桨，如果采用电推进，则螺旋桨由驱动电机驱动；如果推进器由多个推进器本体单元构成，则多个推进器本体单元需要保持方向相同，彼此间平行且相对位置固定，为此，所述多个推进器本体单元之间通过连接件进行刚性连接，在流动阻力小、结构简单、重量轻的要求下，连接的方式可以灵活多样。为了增加船体的横向稳定性，防止船体左右摇摆，推进器本体单元之间的距离可以较大。

通常，一个浮力式推进器由偶数个结构参数相同的推进器本体单元组成，因为螺旋桨在运行过程中会产生一定的扭矩，将推进器本体单元数量设置成偶数，并且使得一半数量和另一半数量的螺旋桨旋转方向相反，则可以使得总扭矩为0。多数情况下，一个浮力式推进器由两个推进器本体单元组成，这两个推进器本体单元的浮筒可以较长，以便能产生较大的静止浮力，并排布置在船体的下方或者船体两侧，两个推进器本体单元鳍板的上沿与船体底部固连或者通过其他连接件与船体相连，浮力式推进器静止浮力的作用点在船体的重心和船首之间，这样设置，在静止浮力的作用下，船首被适当抬高，使得船体底部平面与水平面产生一定的俯仰角，这个俯仰角使得舰船航行时会在船体底部与水流之间存在一定的攻角，进而产生动浮力，将船首和船体中部托出水面，进而减小舰船的浸润面积和迎流面积，从而大幅减小航行阻力，提高航速和推进效率。

优选的，所述推进器本体单元头部为锥形，锥形的顶角小于45°。将推进器本体单元的头部由半球形改进为锥形，有利于进一步减小推进器本体单元航行时的阻力，锥形的顶角越小，航行时阻力越小。但随着顶角的减小，航行器本体单元的头部轴向尺寸会变大，因此，通常只在设计航速很高时才将锥形的顶角设置成较小值。当然，在锥形头部基础上，也可以根据流体动力学、仿生学的原理，进一步优化它的流动外形，以达到进一步减小阻力的目的。

优选的，所述的一种浮力式推进器本体单元浮筒为符合流体动力学的流线型外形。将圆柱形浮筒改进为流线型外形，有利于进一步减小推进器本体单元航行过程中的流动阻力。通常，浮筒呈长的水滴型或者纺锤型。

优选的，所述推进器本体单元浮筒内部设置有气囊。一种气囊为多个小型条状气囊，这种气囊充气后不再放气，主要是为了提高安全性，当浮筒结构遭到破坏时，气囊仍然可提供浮力，一部分气囊破坏后其他气囊仍然可维持一定的浮力，防止下沉。如果浮筒是用轻质材料做成的实心结构，则不需要设置气囊。

优选的，所述推进器本体单元设置有浮力板，浮力板设置在鳍板上方，所述浮力板是与推进器本体单元轴向之间呈一定俯仰角的平板或是经过流动优化设计的曲面板，浮力板与鳍板上沿固定连接，浮力板再通过其他刚性构件与船体固连。浮力板平面与推进器本体单元轴线之间形成俯仰角，俯仰角的范围通常为1-15°。在推进器本体单元航行过程中，浮力板与水流之间存在夹角即攻角，浮力板下铣水流，因而会产生向上的升力，这个升力我们称为动浮力，以区别于静止时产生的静浮力。由于浮力板产生动浮力，推进器本体单元浮筒的静止浮力可以设计得较小，推进器本体单元的浮筒尺寸可以相应减小，从而可进一步降低推进器的航行阻力。每个推进器本体单元均可配置独立的浮力板，也可以多个推进器本体单元共用一个浮力板。

优选的，所述浮力板上设置有用于调整浮力板俯仰角大小的控制执行机构。控制执行机构可以是步进电机或者液压等其他控制方式，通过控制执行机构，可以改变浮力板与推进器本体单元轴线之间的夹角，从而控制航行过程中浮力板与水流之间的攻角，进而调整浮力板产生的动浮力大小。浮力板和控制执行机构，类似于飞机的升降舵和相关的控制机构，可以改变浮力板产生的浮力大小，进而实现舰船俯仰姿态的灵活控制。

优选的，所述推进器本体单元设置有浮漂，所述浮漂是流线型外形构件，重量较轻，通常呈纺锤型，以减小流动阻力，它既可以是空心薄壁结构，也可以是由轻质材料构成的实心结构，也可以是可充放气的橡胶结构。如果推进器本体单元设置有浮力板，则浮漂设置在浮力板的上方，通常通过板状结构与浮力板固定连接，如果推进器本体单元不设置浮力板，则浮漂通常直接与推进器本体单元鳍板固定连接，此外，也可以通过绳索等与推进器本体单元连接。一个浮力式推进器可以根据需要设置多个浮漂，采用比较灵活的连接方式。浮漂可产生浮力，且浮力随吃水深度增加而增大，当其脱离水面时则不会产生浮力。在静止状态时，浮漂可以大致控制推进器本体单元的下潜深度，防止推进器本体单元下潜过深，或者浮出水面；在航行状态下，浮漂与水面相互作用，还可产生动浮力，此外，在某些应用场景下，浮漂还可以起到保持船体横向稳定的作用。

推进器本体单元的浮筒、浮漂是空心薄壁结构时，也可以作为容器。如果采用电机驱动，可以将动力电池、相应的驱动、控制系统放置在浮筒、浮漂内；如果采用发动机驱动，可以将发动机放置在浮筒、浮漂内部，将发动机的进气管和排气管引出到浮筒、浮漂外部。

涉及的浮力式推进器通常由两个推进器本体单元组成，对称设置在船体的左右两边，通过连杆等连接构件与船体连成一体。连杆的长度可以根据需要设置，通常，连杆的长度越大，船体的横向稳定性越好，但会增大舰船的总体宽度，连杆也可以设计成液压控制可伸缩的，根据需要改变长度。除此之外，浮力式推进器还可以与船体分离，作为一个相对独立的动力装置放置在船体的前方和后方，与船体保持一定的距离。当放置在船体的前方时，浮力式推进器作为牵引船体的动力使用，浮力推进器通过牵引绳索与船体相连；当放置在船体后方的时候，浮力式推进器作为推动船体的动力使用，通过刚性构件与船体的尾部相连，为船体提供推力，为了推进过程中保持船体的稳定性，浮力式推进器的推力作用线大致要对准船体的重心位置。

涉及的浮力式推进器作为一个独立的动力装置设置在船体的前方或者后方时，除了在每个推进器本体单元上方分别设置浮漂，还可以根据需要在浮力式推进器尾部设置单独的浮漂，以增加稳定性。为了防止浮力式推进器在推进或者牵引时发生翻转，动力输出的连杆或者牵引绳索要与两个浮力式推进器本体单元浮筒的轴线在同一个平面内，且居于两个推进器本体单元浮筒轴线的中间位置，否则会由于扭矩的存在导致浮力式推进器无法稳定工作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明可明显提升舰船航行的经济性，实现一定程度的节能减排。由于浮力式推进器具有较小的流动阻力，其提供的浮力可以更好地控制舰船航行过程中的姿态，进而降低了舰船在航行过程中的能量消耗，在设计航速航行时所需要的驱动功率明显减小。

2、本发明可明显提升大型舰船的航速。浮力式推进器产生的浮力可将船体大部分托出水面，大大减小舰船的浸润面积和流动阻力，对船体进行空气动力学优化设计，可使得空气阻力较小，因此同样的推进功率，可以达到更高的航速，进一步提升船舶运输的效率和竞争力。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明中推进器本体单元的正面示意图。

图2是本发明中推进器本体单元俯视图。

图3是本发明中锥形头部的受力示意图。

图4是本发明中浮力式推进器和船体在设计航速下的受力示意图。

图5是本发明中牵引用浮力式推进器俯视图。

图6是本发明中牵引用浮力式推进器与船体的连接示意图。

附图标记说明：

1—螺旋桨；          2—驱动电机；               3—浮筒；

4—鳍板；            5—锥形头部；               6—浮力板；

7—流体压力；        8—压力轴向分量；           9—压力展向分量；

10—船体；           11—推力；                  12—浮力板动浮力；

13—船体重力；       14—推进器静浮力；          15—船体风阻；

16—锥形头部流阻；   17—船尾浮力；              18—连杆；

19—水面线；         20—尾翼板；                21—拉环；

22—水翼；           23—牵引绳索；              24—浮漂。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种浮力式推进器，包含两个推进器本体单元，推进器本体单元正面示意图如图1所示，俯视图如图2所示，每个推进器本体单元由头部、中部和尾部三部分组成，三部分的分界线如图1中虚线所示。头部是锥形头部5，锥形头部5是空心的薄壁结构，锥形头部5的顶角为26°；中部是浮筒3，浮筒3也是空心的圆柱型薄壁结构，内部设置有动力电池；浮筒的外壁设置有鳍板4，鳍板4是类似于鱼鳍的板状结构，鳍板4上沿与下沿之间的夹角为5°，鳍板下沿与浮筒3的轴线平行，鳍板4下沿与浮筒3的外壁固连，鳍板4的上方设置有浮力板6，浮力板6的上方设置有浮漂24，两者之间通过板状构件固定连接，浮漂24是纺锤型空心结构，可产生浮力；尾部是螺旋桨推进装置，包括螺旋桨1以及驱动电机2，驱动电机2驱动螺旋桨1旋转，驱动电机2由动力电池通过控制系统进行驱动，控制系统可以控制驱动电机的转速和转向，进而控制螺旋桨1的推力大小和方向。

浮力式推进器的两个推进器本体单元分别对称设置在船体10的左右两侧，每个推进器本体单元通过连杆18与船体10连为一体，连杆18一端与浮漂24相连，另一端与船体10固定连接。在静止状态下，推进器本体单元的浮漂24漂浮在水面，有利于保持船体10的横向(水平面内与航向垂直的方向)平衡。

本实施例中，推进器本体单元的头部采用的锥形头部，以进一步减小流动阻力。图3是锥形头部上某微元面的压力分解示意图，设其在轴向的投影面积(迎流面积)为dS，微元面法线与轴向的夹角为锥形头部5顶角26°的一半，即13°，则微元面的面积为dS/cos(13°)，流体作用在微元面上的流体压力7的值是dF，方向是微元面法线方向，流体压力7的值dF可分解成压力轴向分量8，其值为dFx，以及压力展向分量9，其值为dFy；dFx会阻碍潜艇前进，这个分量越小越好，dFy则可被轴对称微元面的另一个相反的分量抵消掉。从图3可以看出，dF与轴向的夹角为13°，则有dFx＝P*cos(13°)*dS/cos(13°)＝PdS，可见，决定锥形头部5压力轴向分量dFx主要有两个因素，一个是表面压强P，另一个是迎流面积dS，对于相同迎流面积而言，如果能减小压强P，则可获得更小的dFx，从而减小阻力。压强P由两部分组成，P＝Ph+Pc，一部分是静压Ph，这个值与水深h有关，并且通常可以认为推进器本体单元的头部和尾部会相互抵消掉，不予考虑，另一部分压强产生于迎流面对来流方向的改变，为Pc，由动量定理可知，Pc由流经微元面的流量与速度改变量的乘积决定，流量由航速和水的密度的乘积决定，而速度改变量主要由两个因子决定，一个因子是微元面与来流方向之间的折转角，这个因子可以理解为一阶因子，起主要作用，另一因子是当前微元面与来流方向前一个微元面之间的折转角，这个因子可以理解为二阶因子，起次要作用。为便于对一阶因子和二阶因子作用机理的理解，引入一个近面层的概念，所谓近面层，是指附面层外侧的一层流体，这层流体的流速已经发生转折，基本上与迎流面贴合流动。一阶因子主要影响近面层外侧(远离迎流面一侧)的压强，二阶因子主要影响近面层内侧(紧贴附面层一侧)的压强，下面对这两个因子做进一步分析：

先分析影响Pc的一阶因子，这个因子是主要因子。我们可以得到锥形头部的剖面线为两条斜的直线段，将锥形头部5的顶点作为原点，轴线为x轴，将展向作为y轴，则其中一条线段的描述函数为y＝tan(13°)x，对它进行求导，得到导数函数y'＝tan(13°)，它的值表示了剖面线的斜率，也反映了微元面与来流方向之间的折转角大小，斜率越大，折转角越大，Pc越大。

再分析影响Pc的二阶因子，对剖面线描述函数的导数函数y'＝tan(13°)再次求导，得y”＝0，由此可知二阶因子对Pc值的影响为0。

设浮力式推进器的航行速度为V，水的密度为ρ，锥形头部5的底面积为S，结合伯努利方程，将水的流动理想化，且锥形头部的顶角θ值较小(通常θ<45°)时，则我们可以推导出锥形头部5在航行时轴向阻力Fx'的近似公式：

Fx'＝Ph*S+1/2*ρ*V²*tan(θ/2)*S

通过上述分析，我们可知，上述轴向阻力公式中有一个因子为tan(θ/2)，这个因子可改变轴向阻力的大小，减小锥形头部5的顶角θ可以有效减小航行时的轴向阻力，顶角θ越小，轴向阻力越小，上述轴向阻力公式中有一个航速V的平方因子，随着航速提高，轴向阻力会迅速增大，因此，当舰船的设计航速较高时，我们可以设计较小的顶角θ，防止轴向阻力过大。

本实施例中，浮力式推进器的两个推进器本体单元尾部的螺旋桨旋转方向相反，便于实现扭矩平衡，通过控制系统改变两个螺旋桨的转速和旋转方向，可以实现浮力式推进器的前进、转向、倒退。在设计航速下，船体受力简图如图4所示，浮力式推进器的重心在船体重心13和船首之间的位置，在设计航速下，浮力板6的高度与水面线19大致持平，浮力板6与水面线19的夹角(攻角)为5°，浮力板动浮力12和推进器静浮力14共同将船体10前部托出水面，此时浮漂24也被托出水面，不产生浮力，此时主要受力包括：推力11，浮力板动浮力12，船体重力13，推进器静浮力14，船体风阻15，锥形头部流阻16，船尾浮力17(包括动浮力和静浮力)。在设计航速下，这些受力必须在水平方向和垂直方向达到平衡，即水平方向和垂直方向的合力为0，并且相对于船体10的重心，力矩总和为0。

浮力板动浮力12的大小和作用点与浮力板6的吃水深度有关，也与浮力式推进器的航速、俯仰姿态有关。当浮力式推进器头部上仰时，浮力板6的攻角增大，浮力板动浮力12也增大，反之，浮力板动浮力12减小；当浮力式推进器俯仰姿态和航速一定时，浮力板6完全浸入水下，浮力板动浮力12达到最大值，其作用点可以近似认为在浮力板的中心，动浮力12的方向可以近似认为与浮力板6垂直；当浮力板6的吃水深度减小，则浮力板动浮力12也会减小，浮力作用点会后移，可大致认为在浮力板6吃水部分的中心位置；当浮力板的攻角和吃水深度一定时，航速越高，则浮力板动浮力12越大，静止时，浮力板动浮力12为零。

由于浮力板动浮力12的上述特点，因此，它能够将浮力板6的高度自动保持在水面线19附近。在设计航速下，当浮力板6的高度高于水面线时，其受力面积减小，因此浮力板动浮力12也会减小，促使浮力板6回落到水面线，当浮力板6低于水面线19时，浮力板动浮力12增大，增大的浮力促使浮力板6回到水面线附近。浮力板动浮力12变化的上述特性可使得船体在行驶过程中姿态保持基本稳定。

在设计航速下，浮力板动浮力12将船体10的前部托出水面，使得船体10的底部与水面线19之间存在攻角，这个攻角也使得船体10的底部产生动浮力，这个动浮力也能将船体10的后部抬高，使得船体10只有船尾部分浸入水中，这样，船尾浮力17(包括静浮力和动浮力)以及推进器静浮力14和浮力板动浮力12共同将船体10抬高，使得船体10的浸润面积大幅减小，流动阻力也大幅减小。

本实施例中，两个推进器本体单元分别设置在船体的左右两侧，进一步增加了横向稳定性，设计航速下船体的大部分被托出水面，阻力较小，可达到较高的航速，经济性也更好，可适用于各种类型的舰船。

实施例2

本实施例提供的浮力式推进器放置在船体的前方，漂浮在水面，通过牵引绳索对船体进行牵引，为牵引用浮力式推进器。推进器采用遥控电推进，动力电池、电机调速器放置在推进器的浮筒3内，浮筒3为水滴型，有利于减小流动阻力，锥形头部5的顶角为10°，使得头部流阻很小；遥控器接收机放置在浮漂24内，浮漂24为纺锤型，有利于减小阻力。牵引用浮力式推进器不需要将船体托起，所需的浮力较小，只需要将推进器部分浮出水面即可，因此，推进器本体单元未设置浮力板，而且浮筒3和浮漂24的尺寸都比较小，这有利于减小航行时的流动阻力。

牵引用浮力式推进器的俯视图如图5所示，推进器设置有2个推进器本体单元，还设置有尾翼板20，尾翼板20上方设置有一个浮漂24，浮漂24与尾翼板20之间通过薄板相连。另外，每个推进器本体单元鳍板上方各设置有一个浮漂24，推进器共设置有3个浮漂24，有助于推进器在水平面上保持平衡状态。两个推进器本体单元上的浮漂24通过连杆18固定连接，两个推进器本体单元尾部的螺旋桨旋转方向相反，便于实现扭矩平衡，改变两个螺旋桨的转速，可以实现牵引用浮力式推进器的转向。两个推进器本体单元后部通过刚性的尾翼板20固定连接，尾翼板20上设置有拉环21，牵引绳索23一端固定在拉环21上，另一端与船体相连。尾翼板20与两个推进器本体单元浮筒3的轴线在同一个平面内，且居于两根轴线的中间位置，这样可以防止航行过程中发生翻转和不稳定的现象，尾翼板20除了将推力传递给绳索23，还有助于在航行过程中使推进器在水平方向保持平衡，当水平方向出现俯仰，尾翼板20与水流之间产生夹角，进而产生力，这个力可使推进器恢复到水平方向。

牵引用浮力式推进器与船体的连接如图6所示。船体的前部设置有水翼22，水翼22在航行时也可产生动浮力，动浮力可抬高船体的头部，减少船体的浸润面积；水翼22通过牵引绳索23与牵引用浮力式推进器的拉环21相连，推进器的动力就通过牵引绳索23传递给了船体。

如果要获得更高的航速，螺旋桨可采用半浸桨，由于半浸桨的吃水深度会比较浅，推进器本体单元可以不设置浮漂，而是适当增大浮筒的浮力，浮筒的浮力可使推进器漂浮在水面。

牵引用浮力式推进器体积较小，重量较轻，具有很大的灵活性，尤其适合中小型舰船使用，此外还可以用于滑水等水上运动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种浮力式推进器，其特征在于，包括一个或多个推进器本体单元，所述推进器本体单元包括头部、浮筒和螺旋桨推进装置，所述头部为半球形，所述浮筒为圆柱形空心薄壁结构或者为轻质材料构成的实心结构，所述浮筒外侧壁上设置鳍板，所述鳍板为类鱼鳍的板状结构，所述螺旋桨推进装置包括螺旋桨和传动机构或者驱动电机，多个所述推进器本体单元之间相对位置固定，方向相同，多个推进器本体之间通过连接件进行刚性连接。

2.根据权利要求1所述的一种浮力式推进器，其特征在于，所述推进器本体单元的头部为锥形，锥形的顶角小于45°。

3.根据权利要求1所述的一种浮力式推进器，其特征在于，所述推进器本体单元浮筒呈流线型，呈长的水滴型或者纺锤型。

4.根据权利要求1所述的一种浮力式推进器，其特征在于，所述推进器本体单元浮筒内部设置有气囊。

5.根据权利要求1所述的一种浮力式推进器，其特征在于，所述推进器本体单元上设置有浮力板，所述浮力板是与推进器本体单元轴向之间呈一定俯仰角的平板或是曲面板，浮力板与浮筒之间通过鳍板固定连接，浮力板平面与推进器本体单元浮筒的轴线之间形成俯仰角，俯仰角的范围为1-15°。

6.根据权利要求5所述的一种浮力式推进器的浮力板，其特征在于，所述浮力板上设置有用于调整浮力板俯仰角大小的控制执行机构。

7.根据权力要求1所述的一种浮力式推进器，其特征在于，所述推进器本体单元置有浮漂，所述浮漂是重量较轻的流线型外形构件。

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