CN117337523A - 双螺旋桨和单螺旋桨 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有一前螺旋桨的双螺旋桨，所述前螺旋桨具有增加的载荷分布和叶尖附近的高旋流。所述双螺旋桨具有一后螺旋桨，所述后螺旋桨具有更优化的载荷分布，可以抵消来自前螺旋桨的高叶尖旋流。所述双螺旋桨增强了所述后螺旋桨捕获所述前螺旋桨的流出的旋流而损失的能量的能力。

Description

双螺旋桨和单螺旋桨

背景技术

已经开发了对转(CR)螺旋桨解决方案，其中两个螺旋桨在同轴反向旋转轴上串联运行，沿相反方向旋转。CR螺旋桨也被称为“双螺旋桨”或“同轴对转”螺旋桨。单台发动机可以驱动两个螺旋桨，通过齿轮组件传递动力。

理想情况下，前螺旋桨的流出的旋流所损失的能量被第二后螺旋桨捕获，所述第二后螺旋桨被配置为利用所述流出提高整体系统性能。前螺旋桨产生的旋流能量在一定程度上取决于螺旋桨叶片叶尖的载荷。在常规螺旋桨中，可行的载荷量受到会引起阻力的涡流产生的限制。此外，由前螺旋桨产生的流体流会干扰后螺旋桨的运行，从而对后螺旋桨相对于前螺旋桨的直径产生限制。在传统螺旋桨中，后螺旋桨直径被限制为等于或小于前螺旋桨的直径，以防止叶尖涡流撞击后螺旋桨叶片，所述撞击可能是气蚀、噪音和振动的来源。

因此，需要一种如下双螺旋桨：前螺旋桨具有改进的载荷和更高的旋流，后螺旋桨具有更优化的载荷分布，以消除来自前螺旋桨的高叶尖旋流。

发明内容

本发明公开一种具有一前螺旋桨的双螺旋桨，与传统螺旋桨相比，所述前螺旋桨具有更优化的载荷分布和叶尖附近更高的旋流。所述双螺旋桨还可以具有一后螺旋桨，所述后螺旋桨具有更优化的载荷分布，可以抵消来自前螺旋桨的高叶尖旋流。

螺旋桨叶片的纵倾(rake)值和侧斜(skew)值一起形成环形叶片，所述环形叶片具有附接到桨毂的入口根部和出口根部。入口根部和出口根部在所述桨毂上间隔开，使得所述桨毂的一部分是环的部分。此结构最大限度地减少了叶片叶尖的涡流。

与常规螺旋桨相比，双螺旋桨的实施例提供了增加的旋流，并且增强了后螺旋桨捕获前螺旋桨流出的旋流而损失的能量的能力。与常规螺旋桨不同的是，叶尖附近的可行载荷量不受会引起阻力的叶尖涡流的限制。此外，所公开的螺旋桨设计减少了由前螺旋桨产生的流体流动对后螺旋桨效率的干扰。因此，关于后螺旋桨相对于前螺旋桨的直径的标准限制并不适用。这允许后螺旋桨的直径大于或等于前螺旋桨的直径，尽管如果后螺旋桨和前螺旋桨的直径相等，双螺旋桨仍然比常规双螺旋桨更具有效率优势。

附图说明

详细描述参考附图，附图示出了示例性实施例，在附图中：

图1示出了一个示例性CR螺旋桨。

图2示出了一个具有多个参数区段的示例性叶片。

图3通过引用叶片的横截面轮廓示出了示例性叶片参数区段几何形状。

图4A-F示出了螺旋桨叶片的进气部分、叶尖部分和排气部分中的参数区段的纵倾的测量值。

图5A-F示出了螺旋桨叶片的进气部分、叶尖部分和排气部分中的参数区段的侧斜角和垂直角的测量值。

图6A-D示出了选定参数区段的α(垂直角)和半径值的实例。

图7A-F示出了叶片的选定参数区段的桨距角。

图8A、8B示出了将被称为“1型”螺旋桨的螺旋桨。

图9A、9B示出了将被称为“2型”螺旋桨的螺旋桨。

图10示出了包括2型前螺旋桨和1型后螺旋桨的双螺旋桨。

图11示出了包括1型前螺旋桨和2型后螺旋桨的双螺旋桨。

图12示出了包括2型前螺旋桨和2型后螺旋桨的双螺旋桨。

图13示出了包括1型前螺旋桨和1型后螺旋桨的双螺旋桨。

图14示出了显示其尾流的1型螺旋桨。

图15示出了显示其尾流的2型螺旋桨。

图16示出了显示其尾流的3型螺旋桨。

图17示出了右旋、右环螺旋桨，其示出1型、2型和3型螺旋桨的入口根部的各种可能位置。

图18A-C示出了1型、2型和3型叶片类型。

图19A、19B示出了用于1型螺旋桨的叶片环方向。

图20A、20B示出低纵倾和高纵倾。

图21A、22B示出了CR螺旋桨的横截面，其示出可用于旋转两个螺旋桨的示例性齿轮组件。

图22示出了一个示例性贯穿桨毂的排气螺旋桨。

图23示出了在中性纵倾的任一侧的正纵倾角和负纵倾角的范围。

图24进一步示出了纵倾角。

图25示出了螺旋桨的入口部分、出口部分和叶尖部分的示意图。

具体实施方式

本文提供的图和描述可能已被简化，以说明与本文描述的装置、系统和方法的理解相关的方面，同时为了清楚起见，消除了在典型装置、系统和方法中可能发现的其它方面。本领域普通技术人员可以认识到，其它元件或操作对于实施本文所述的装置、系统和方法来说可能是所期望的或必需的。因为这类元件和操作在本领域中是众所周知的，并且因为它们不利于更好地理解本公开，所以本文中可以不提供对这类元件和操作的论述。然而，本公开被认为固有地包括可以由本领域普通技术人员实施的所描述方面的所有这类元件、变化和修改。

图1示出了示例性CR螺旋桨100。术语“双螺旋桨”也可以用来代替“CR螺旋桨”。螺旋桨100包括一前螺旋桨102和一后螺旋桨104。前螺旋桨102与后螺旋桨104同轴对准。前螺旋桨102包括三个叶片106a、106b、106c(106c在图1中未示出)。后螺旋桨104包括叶片108a、108b、108c。叶片106a、b、c和108a、b、c各自形成环。CR螺旋桨可包括额外的叶片，例如四个、五个或六个。螺旋桨102沿与螺旋桨104相反的方向旋转。

本文使用的术语“螺旋桨”可包括旋转叶片装置，所述旋转叶片装置可用于推进流体以推动装置，或用于例如冷却风扇或其它空气循环风扇等固定装置中，所述固定装置使例如空气等流体通过它或围绕它移动。

图2示出了具有参数区段1-29的示例性叶片200，其中参数区段1在进气根部204附近，参数区段29在排气根部206附近。每个参数区段表示一组物理属性或测量值，其值决定了叶片的特性。参数区段作为一个整体来确定叶片200的形状和其性能。在示范性实施例中，参数区段的间距相等，但也可选择不相等的间距。图2仅用于说明如何布置叶片参数区段以限定可应用于本文公开的任何类型的叶片的叶片几何形状。参数区段表示叶片200在沿着叶片的特定位置处的形状和定向。在各参数区段之间形成平滑过渡以形成叶片。如本文所用的“定向”可包括位置。在图2的示例性实施例中，叶片区段1-29是沿着不规则螺旋中线202布置的平面区段。“不规则螺旋”在本文中是指与数学螺旋定义公式不同，或者作为3-D空间中的螺旋，其中螺旋上任何一点的切线与螺旋桨轴之间的角度不是恒定的。叶片可以至少部分地具有不规则的非螺旋中线，或者中线可以是整个不规则的螺旋。

虽然在图2中示出了29个叶片区段，不过可以使用更多或更少的区段来限定叶片。此外，未示出或未完全示出的区段可能位于桨毂内部或部分位于桨毂内部。叶片可以由平面或圆柱形参数区段来限定。

参数区段1-29由例如滚转角和垂直角(α)的定向变量限定，并且可包括位置变量；和形状变量，例如弦长、厚度和弧度。额外的示例性定向或位置变量包括纵倾、侧斜角和半径。一些或多个变量可以在整个叶片或一叶片部分中改变，而一些变量可以在整个叶片中保持不变。定向变量可以相对于X-Y-Z坐标系来测量。X-Y-Z坐标系具有轴中心线处的原点和一条垂直于桨毂或轴210或桨毂轴的生成线，如图1所示的桨毂轴103。X轴沿桨毂轴103正向向下。Y轴沿所述生成线向上，Z轴正对着右旋螺旋桨的左舷。左旋螺旋桨是通过切换Z轴并且制作左手坐标系来创建的。

参数区段可以通过其翼弦(头部到尾部)中点来定位，例如通过使用半径、纵倾和侧斜来定位。参数区段可以使用角度(侧斜)、ψ(滚转)和α(俯仰)来定向，将在下文进一步描述。

图25是螺旋桨叶片的示意图，其示出了螺旋桨叶片的入口部分、叶尖部分和出口部分。所述叶尖部分是连接入口部分与出口部分的较暗区域。此图示可应用于本文公开的任何叶片。在螺旋桨的示例性实施例中，所述入口部分从入口根部延伸到叶片参考线为叶片外半径的88％并递增的位置。所述出口部分从叶片参考线为叶片外半径的88％并递减的位置延伸到出口根部。所述叶尖是入口部分与出口部分之间的部分。所述叶片参考线是连接所有参数区段中翼弦点的曲线。在另一示例性实施例中，所述入口部分和出口部分中的每一个均从其各自的根部延伸到叶片参考线在叶片外半径的75％到100％的范围内并递增的位置。所述叶尖部分在剩余部分中处于入口部分与出口部分之间。

图3引用叶片的横截面轮廓示出了示例性叶片参数区段几何形状。图示仅仅是为了提供定义，并且可以应用于本文描述的任何叶片或螺旋桨实施例。示例性参数区段呈不对称翼型的形式。翼型由弯曲的叶片表面线302和大致平坦的叶片表面线304限定，在参数区段的前缘310处具有圆形的头部306，在参数区段300的后缘312处具有尖的或不太圆的尾部308。参数区段也可具有对称翼型的形状。额外的参数区段形状包括例如具有平行叶片表面线302、304的形状。叶片表面线302、304也可以是线性的并且彼此成一定角度。头部和尾部边缘可以都是圆形的，都是平的(垂直于叶片表面线302、304中的一条或两条)，或者头部或尾部中的一个可以是圆形的，而两个中的另一个是平的。例如，由片状材料形成的叶片通常展现出平行的叶片表面线302、304。在由片材形成的叶片的示例性实例中，叶片的前缘是圆形的，后缘是平的或不太圆的，不过进气边缘和后缘都可以是圆形的。

参数区段的说明性形状变量定义如下：

半径：术语半径用于定义参数区段的形状和其相对于X-Y-Z坐标系的定向。关于参数区段形状，半径例如可以指参数区段300的头部306的曲率，因此将被称为“头部半径”。参数区段300上的其它点可以用于计算半径。举例来说，可以基于最大厚度316和翼弦314的长度来计算参数区段前缘半径。还应注意，术语半径在相对于螺旋桨使用时是从桨毂半径到螺旋桨叶片最外点的垂直测量值。

翼弦：翼弦是参数区段的头尾线314。

厚度：各种厚度测量值可以定义参数区段，例如最大厚度316。另一示例性实例是后缘厚度，其可以计算为最大厚度316的百分比。例如，后缘厚度可以是参数区段300的最大厚度316的6％-10％。

弧度：弧度318定义参数区段的曲率。

示例性定向变量包括：

纵倾：纵倾是一个参数区段翼弦中点的轴向位置。在此示例中，“轴向位置”是指沿着X轴，与螺旋桨旋转轴重合。

桨距角：桨距角是参数区段的翼弦线与垂直于X轴的平面之间的角度。可以基于俯仰距离和叶片半径来计算桨距角。在图7A-7C中提供参数区段的桨距角的实例。

滚转：例如，滚转角(ψ)是关于翼弦314的定向角。

半径：定向半径是从桨毂中心208到参数区段的翼弦314的中点320的距离。翼弦314也可以被称为头尾线。本段中描述的半径将被称为参数区段定向半径，以区别于头部半径或其它参数区段形状半径，所述头部半径或其它参数区段形状半径不是相对于X-Y-Z坐标系测量的。翼弦314的中点320是参数区段翼弦线上的点，中线202将穿过该点。这在图2中由从桨毂中心208延伸到参数区段5的翼弦的中点的线R示出。应注意，参数区段5的翼弦和其中点在图2中没有具体示出。

在图4A-F中示出了各种参数区段的示例性纵倾测量值。图4A-F大致描述了螺旋桨叶片的各种参数，并且可以应用于本文描述的叶片或螺旋桨实施例中的任何一个实施例。图4A-F中的每一图示出坐标X、Y和Z，其中X轴与螺旋桨旋转轴重合，Y轴和Z轴垂直于X轴，并且三个轴相互垂直。参数是从坐标系的原点开始测量的。在示例性实施例中，坐标系的零点沿着螺旋桨旋转轴，并且相比于靠近排气根部，更靠近进气根部。如图所示，沿着X轴朝向进气根部的值为负，朝向排气根部的值为正。通常，可以根据需要定位坐标系，并且从选定坐标系的原点测量所有参数或几何形状。

图4A和4B示出了叶片400的进气部分402上的参数区段412、414的纵倾。图4A中的参数区段412朝向叶片400的叶尖部分404。图4B中的参数区段414朝向进气根部406。纵倾是沿着螺旋桨旋转轴或沿着平行于旋转轴的线测量的。在图4A、4B的示例性实例中，纵倾是从X等于零的点A到点B的X坐标值的距离，其中点B在参数区段412、414的翼弦的中点410处。点B的X坐标值在图4A-F中由Bx表示。图4A-F所示的参数区段的翼弦由端点408、416限定。

图4C和4D示出了叶片400的叶尖部分404上的参数区段418、420的纵倾。图4C中的参数区段418位于叶片400的叶尖部分404中的第一位置处，其中滚转值(下文进一步描述)大于零且小于90度。图4D中的参数区段420位于叶尖部分404中的第二位置处，其中滚转值等于或大于90度。在图4C、4D的示例性实例中，纵倾是从X等于零的点A到点B的X坐标值Bx的距离，其中点B在参数区段418、420的翼弦的中点410处。图4E和4F示出了叶片400的排气部分426上的参数区段422、424的纵倾。图4E中的参数区段422朝向叶片400的叶尖部分404。参数区段424朝向排气根部428。在图4E、4F的示例性实例中，纵倾是从X等于零的点A到点B的X坐标值的距离，其中点B在参数区段422、424的翼弦的中点410处。

图30和31示意性地描述与上述线性纵倾测量值不同的纵倾角。纵倾是叶片在旋转轴103的方向上的轴向扫掠。纵倾值随着叶片旋转轴103与叶片的中间纵倾线之间的角度减小而增大。实际上，实际的纵倾线通常是非线性曲线。纵倾是叶片间轴向分离的决定性因素。

如图30所示，负纵倾将是相对于叶片根部位置的前向角，而正纵倾将是相对于叶片根部位置的后向角。

本发明公开的新型螺旋桨的独立构形的叶片在入口区段和出口区段具有唯一性纵倾值。图30和31中所示的点划线表示对于任何给定的设计都存在“总体纵倾”。螺旋桨可以被描述为低纵倾(图30)和高纵倾(图31)。

纵倾角可通过以下方式计算：

纵倾角＝反正切(从桨毂到叶尖的总纵倾/径向距离)

其中

从桨毂到叶尖的径向距离＝(螺旋桨直径-桨毂直径)/2

且其中

位移是相对于零纵倾的。在一个示例性过程中，起点是在入口根部处或正好在入口根部内部的叶片部分的零纵倾。这使得出口根部纵倾非常高。然后计算根部纵倾的平均值。

在另一个示例性实施例中，通过以下方式计算纵倾：

纵倾角＝反正切((叶尖总纵倾-根部总纵倾平均值)/从桨毂到叶尖的径向距离)

叶片区段或参数区段是用于构建叶片的每个展向位置的翼型区段，而不是3D叶片的分段切割。在示例性实施例中，这些区段基于由美国国家航空航天局(NASA)的前身——美国国家航空咨询委员会(NACA)开发的标准区段。然后对标准区段进行按比例缩放，以获得我们在每个位置想要的绝对厚度和弧度。

可以从任一根部限定几何形状(尤其是纵倾和侧斜)。在一个示例性实施例中，从入口限定几何形状。传统上，螺旋桨几何形状是基于(或靠近)根部，从此点确定纵倾，并且从此点确定纵倾角。相反，对于本文公开的螺旋桨的实施例，几何形状是基于(或靠近)入口根部，且纵倾角是由入口根部和/或出口根部的平均值确定。

图5A-F示出了沿着叶片旋转轴X观察的叶片400。图5A-F标识代表性参数区段半径和侧斜角。图5A-F通常可应用于本文描述的叶片或螺旋桨实施例中的任一个实施例。图5A示出了叶片400的进气部分402中的参数区段412的半径。图5B示出参数区段414的半径，所述参数区段414在叶片400的进气部分402中比参数区段412离进气根部406更远。图5C和5D分别示出了参数区段418和420的半径，其中参数区段418、420位于叶尖部分404中。图5E和5F分别示出了排气部分426内的排气参数区段422和424的半径。参数区段412、414、418、420、422和424在进气部分402、叶尖部分404或排气部分426中的位置仅为便于论述而提供。实际参数值和产生的流体流量可以以其它方式限定区段的位置。

图5A-F示出参数区段412、414、418、420、422、424的侧斜角。侧斜角是从穿过翼弦314的中点410的线到生成线的投影角，在此示例性实施例中，Y轴沿着桨毂轴103(X轴)观察。

图6A-D除了示出了侧斜角和半径之外，还示出了在图6A-D中的每个图上标记的参数区段垂直角α。图6A-D大体描述螺旋桨叶片的各种参数，并且可以应用于本文描述的叶片或螺旋桨实施例中的任何一个实施例。垂直角也可以称为“升力角”。α是参数区段相对于垂直于侧斜线的线旋转的角度，这在图6A-D中标识。上述侧斜线是指与零侧斜线一起形成侧斜角的线。根据α的值，参数区段的头部将从与形成相对于零侧斜线的侧斜角的侧斜线垂直的线“提升”或“下垂”，其中零侧斜线与图6A-D上标识的坐标系的Y轴重合。

将通过特性组合来描述各种示例性实施例。所公开的螺旋桨包括特性的不同组合、元件的等效物，并且还可以包括其中不包括所有特性的实施例。

图7A-F提供各种参数区段的桨距角的示意性表示。桨距角在整个叶片上变化，最大值出现在进气根部和排气根部。

将描述可以单独使用或组合使用以形成双螺旋桨的单螺旋桨的实施例。

图8A、8B示出了将被称为“1型”螺旋桨的螺旋桨500。图8A、8B分别示出了等距视图和从前端的视图。图9A、9B示出了将被称为“2型”螺旋桨的螺旋桨600。图9A、9B分别示出了等距视图和从前端的视图。

图10-13示出了用于形成CR螺旋桨(例如CR螺旋桨100)的螺旋桨的示例性组合。每个CR螺旋桨具有图1所示的通用CR螺旋桨100中标识的部件。这些部件至少部分地包括前螺旋桨102、后螺旋桨104、叶片106a、106b、106c、叶片108a、108b、108c、后缘110、前缘112和螺旋桨轴103。CR螺旋桨100可以由1型螺旋桨500和2型螺旋桨600的组合形成，其中1型螺旋桨500位于2型螺旋桨600的后部，如图10所示。前螺旋桨具有高纵倾(R2)，后螺旋桨具有最小纵倾R0。图11示出另一示例性CR螺旋桨100，其中1型螺旋桨500位于2型螺旋桨600的前方。图11的前螺旋桨和后螺旋桨均具有高纵倾R2。可替代地，CR螺旋桨100可以由两个2型螺旋桨600(如图12所示，其中后螺旋桨和前螺旋桨均具有高纵倾R2)或两个1型螺旋桨500(如图13所示，其中前螺旋桨具有高纵倾R2，后螺旋桨具有低纵倾R0)的组合形成。3型叶片形式也是可行的，但未示出。未示出但隐含的是T1和T2样式的所有R0、R1和R2变化形式，以及所有前和后位置排列。T3叶片形式也是可行的。

图14、15、16分别示出了1型、2型和3型螺旋桨。穿过每个螺旋桨叶片根部的线显示了叶片产生的尾流的方向。

如图14所示，1型螺旋桨500的叶片具有设置在出口根部区段504的轴向前方和旋转前方的入口根部区段502。1型入口叶片尾流506和出口叶片尾流208的路径基本上是平行的，并且不容易彼此交叉。尾流对这种类型的螺旋桨特别重要，因为它对流过叶片出口部分的水有强烈的影响。出口部分被设计为在从入口后缘出来的尾流片中或在非常靠近所述尾流片的位置运行。选择出口部分相对于来自入口后缘的尾流片的位置，以优化螺旋桨的性能，使其位置可以与其它设计要求相平衡。在示例性实施例中，通过选择螺旋桨的类型，例如1型、2型或3型来制造专用螺旋桨。选定的类型决定了入口根部和出口根部在桨毂上相对于彼此的位置。例如，对于1型螺旋桨，出口根部将靠近入口根部的延伸翼弦线，如图14所示。在另一个实例中，对于3型螺旋桨(如下所述)，出口根部将靠近与入口根部相同的轴向位置，并且不会靠近延长翼弦线，如图16所示。

如图15所示，2型螺旋桨600具有叶片根部区段602的入口区段，所述入口区段布置在桨毂610上，处于与出口根部区段604大致相同的轴向位置，并且可旋转地位于出口根部区段604的后面。与1型螺旋桨500一样，对于2型螺旋桨，入口叶片尾流606和出口叶片尾流608叶片尾流的路径基本上是平行的，并且不容易彼此交叉。1型螺旋桨与2型螺旋桨的区别与叶片根部的轴向位置有关。尾流对此螺旋桨类型来说不太重要，这是因为出口区段不在入口区段尾流附近运行。对于2型螺旋桨600，叶尖的设计优先于相对于从入口后缘出来的尾流片的出口部分的位置。

在常规CR螺旋桨中，前螺旋桨的直径比后螺旋桨大，叶片数量也不同。对于本文公开的螺旋桨，前螺旋桨和后螺旋桨可以具有相同的直径、不同的直径、相同数量的叶片或不同数量的叶片，或其组合。直径差异的示例性范围包括后螺旋桨的直径在前螺旋桨的直径的80％-100％的范围内。在进一步的示例性范围内，后螺旋桨的直径在前螺旋桨的直径的100％-130％的范围内。当考虑非圆柱形桨毂时，直径差异的示例性范围包括后螺旋桨的直径在前螺旋桨的直径的33％-100％的范围内。在进一步的示例性范围内，后螺旋桨的直径在前螺旋桨的直径的100％-175％的范围内。

优化螺旋桨性能的一个关键参数是螺旋桨之间的叶片到叶片的距D。该距离D是从前叶片的后缘110到后叶片的前缘112平行于桨毂轴测量的。后螺旋桨上的叶片和前螺旋桨上的叶片在相反的方向上旋转时，二者必须不接触。此外，轴向叶片到叶片的距离D与其它参数一起影响效率。在特定实施例中，最优的是叶片到叶片的距离尽可能小，限制因素是防止碰撞的最小余量。

另一个重要的一般性螺旋桨参数是叶片和桨毂所需的轴向长度和空间，以适配发动机配置和船体构造。螺旋桨所需的轴向长度和空间受到方向舵以及靠近船体和轴承前部的后方位置的限制。此外，系统的总长度可能受到防通风板的位置和长度的限制。

其它关键参数包括纵倾和侧斜，这两个参数是为叶片的每个展向部分选择的，以便创建本发明的对转螺旋桨。

在对转系统中，本发明公开的螺旋桨类型比标准螺旋桨受到的限制更少。例如，三叶环形螺旋桨的下游尾流系统与六叶螺旋桨的较弱下游尾流系统表现相似，这通常是有利的，因为后螺旋桨叶片经历的尾流极值较小(6个较弱对3个较强)。

本发明公开的螺旋桨具有改进的效率，因为叶尖部分降低了所需的扭矩。叶尖还改变了叶片内部部分的水流，使得通过产生更大的推力和/或更小的扭矩来提高内部部分的效率。

螺旋桨100以及螺旋桨500、600的组合都显示为前螺旋桨和后螺旋桨上各有三个叶片。如上所述，叶片的数量可以大于三个。此外，后螺旋桨上的叶片数量可不同于前螺旋桨上的叶片数量。例如，前螺旋桨上的叶片数量可以从2、3、4、5、6和7中选择，后螺旋桨上的叶片数量可以从2、3、4、5、6和7中选择，允许前螺旋桨上的叶片数量和后螺旋桨上的叶片数量之间的任意组合。本发明的对转螺旋桨可包括叶片或螺旋桨样式的任意组合，例如，1型螺旋桨500或2型螺旋桨600、各种数量的叶片以及各种直径组合。

本发明的CR螺旋桨具有独特的参数，例如：

●叶片的入口部分和出口部分相对于彼此的位置。

●叶片的每个元件的侧斜和纵倾：入口、叶尖/环区、出口。

在双螺旋桨的示例性实施例中，选择叶片尾流的位置和强度，以实现螺旋桨上的期望力。

如图16所示出了，对于3型螺旋桨700，入口根部区段702位于出口根部区段704的轴向前方。入口根部尾流706可以穿过出口尾流708，或者可以穿过叶片本身的出口部分。在图14-16中，水从顶部流向底部，尾流随水一起流动。在图16中，来自入口根部702的尾流经过出口根部704的右侧。从出口(左下角)出来的尾流进一步向下和向左移动。

图17示出了右旋、右环螺旋桨，其示出1型、2型和3型螺旋桨500、600、700的入口根部的各种可能位置。如本文所用，右旋螺旋桨在前进档顺时针旋转。顺时针旋转是指从船的后部观察时的旋转。出口根部的尾流也由线120、122、124示出。对于1型和2型螺旋桨，由入口根部502、602产生的尾流506、606分别大体平行于由出口根部504、606产生的尾流508、608。由3型叶片入口根部产生的尾流706将穿过由出口叶片根部404产生的尾流408。

对于双螺旋桨，离开前螺旋桨的尾流的强度通常通过轴向加速度和旋流对后螺旋桨产生强烈影响。后螺旋桨通常通过轴向加速度对前螺旋桨产生较小的影响。当后螺旋桨在与前螺旋桨相反的方向上转动时，它并不总是在与前螺旋桨尾流相同的相对位置上运行，因此尾流的位置可能不那么重要。

与常规螺旋桨相比，所述双螺旋桨的实施例提供了增加的旋流，并且增强了后螺旋桨捕获前螺旋桨流出的旋流而损失的能量的能力。后螺旋桨被配置为利用所述流出来提高整体系统性能。前螺旋桨产生的旋流能量的在一定程度上取决于螺旋桨叶片叶尖的载荷。与常规螺旋桨不同的是，叶尖附近的可行载荷量不受会引起阻力的叶尖涡流的限制。这是通过提供纵倾和侧斜来实现的，所述纵倾和侧斜创建一种叶尖部分很少或没有涡流的环形叶片。此外，本发明公开的螺旋桨设计减少了由前螺旋桨产生的流体流对后螺旋桨效率的干扰。因此，后螺旋桨相对于前螺旋桨的直径的标准限制并不适用。这允许后螺旋桨的直径大于或等于前螺旋桨的直径，尽管如果后螺旋桨和前螺旋桨的直径相等，所述双螺旋桨仍然比常规双螺旋桨更具有效率优势。

在螺旋桨的示例性实施例中，旋流能量的产生和回收在很大程度上是由桨距和弧度或弧度/弦线(cord)控制的。叶尖的环形形状也会有助于旋流能量的产生和回收。桨距角的示例性范围是0到+75度。弧度/弦线的示例性范围是-0.2到+0.2。一般来说，桨距角和/或弧度越高，载荷越高。如本文所述，叶尖形状主要由侧斜和纵倾共同进行描述。

在螺旋桨的一个示例性实施例中，入口根部和出口根部的位置可以优化螺旋桨强度，而入口和出口叶片区段的其它部分以及叶尖部分的设计参数集中于性能上，例如效率。对于单个螺旋桨，可布置根部以增加应力裕度，从而提高或最大限度地提高结构完整性。通过根部布置提高应力裕度，叶片其它部分的设计可以专注于更高的效率，即使这些部分的参数不能最大限度地提高结构完整性。换句话说，在根部布置中优先考虑结构完整性，在螺旋桨叶片的其它地方强调水动力性能。

两个螺旋桨——叶片根部的相对位置(前螺旋桨的出口和后螺旋桨的入口)可能只有在它们决定其它螺旋桨参数以适应位置时，才会对流体动力学产生影响。然而，对于常规螺旋桨，在根部有很高的应力。1型和2型螺旋桨的形状减少了这些应力，通常使它们从根本上比常规螺旋桨更坚固。

额外参数是使每个叶片区段头尾线相对于轴心线定向的垂直角和使叶片区段相对于桨毂定向的滚转角。在示例性实施例中，滚转角在入口根部接近0°，在叶尖接近90°，在出口根部接近180°。

纵倾、侧斜、垂直角和滚转角共同作用形成环形形状。所得到的螺旋桨实施例的环形形状减少了叶尖处的空化，因此比常规螺旋桨损失更少的能量。本发明公开的螺旋桨在叶尖附近比常规螺旋桨产生更大的推力。叶尖的额外载荷使得螺旋桨更高效。

本发明公开的双螺旋桨的螺旋桨嵌套，使得后螺旋桨入口的前缘大致跟随前螺旋桨出口后缘的后缘。

根据本发明的示例性实施例的双螺旋桨的后螺旋桨具有考虑由前螺旋桨产生的水加速度的参数。此外，前螺旋桨是基于考虑后螺旋桨产生的水加速度的参数创建的。

1型、2型和3型螺旋桨以及可用于CR螺旋桨中的前螺旋桨或后螺旋桨的其它螺旋桨的关键参数的示例性范围如下。侧斜的示例性范围是-135度到+135度。进一步的示例性范围是-120度到+120度。

纵倾的示例性范围是-0.9OD到+0.9OD。进一步的示例性范围是-0.7OD到+0.7OD。又一示例性范围是-0.5OD到+0.5OD。

纵倾角的示例性范围(从入口根部和出口根部的平均值测量，如图30和31中的虚线所示)是-60度到+60度。进一步的示例性范围是-45度到+45度。图30和31分别说明低纵倾角和高纵倾角。零纵倾在本文被称为“中性纵倾”。在图23中，正纵倾角和负纵倾角的范围被指示在中性纵倾的两侧。点划线指示该特定螺旋桨的纵倾角值。类似地，图24指示不同螺旋桨的纵倾角。

一般的纵倾角可以被称为低纵倾角、高纵倾角、中等纵倾角和负纵倾角。低纵倾角可以是例如0-15度，中等纵倾角可以是例如15-30度，高纵倾角可以是例如30-45度或更高。在说明性示例性实施例中，负纵倾角从零到-45度。垂直角的示例性范围包括-60度到+60度。进一步的示例性范围是-45度到+45度。

在本发明的示例性实施例中，纵倾从入口根部到螺旋桨叶尖部分增加。所述纵倾可以从叶尖到出口根部增加或减少。类似地，在示例性实施例中，侧斜从入口根部到叶尖增加。

纵倾和侧斜可能从入口根部向外一点儿先下降一点儿，然后再朝向叶尖增加，从入口根部到叶尖部分平均来说是增加的。类似地，侧斜从根部起可在一开始减小，然后再朝向叶尖增加。在这些示例性实施例中的两种情况下，平均来说，侧斜和/或纵倾将从根部到叶尖增加。

图18A-C以附加细节示出了1型、2型和3型叶片类型500、600、700、叶片环方向和叶片倾角类型。螺旋桨500、600、700显示为具有右旋、右环方向和低纵倾(“R0”)。图中的“上”是“前”。对于左旋螺旋桨旋转，所示的所有螺旋桨将围绕旋转轴为镜像的。

如图18A所示，1型入口尾流506和1型出口尾流508不交叉，且入口根部502和出口根部504沿着桨毂510的长度方向位置不同，即处于不同的轴向水平处。如图18B所示，2型入口尾流606和2型出口尾流608不交叉，且入口根部602和出口根部604沿着桨毂的长度方向处于相同位置，即处于相同的轴向水平处。如图18C所示，3型入口尾流和3型出口尾流交叉，且入口根部702和出口根部704沿着桨毂710的长度方向处于不同水平处，即处于不同的轴向位置。

图19A、19B示出了一种1型螺旋桨的叶片环方向。同样，螺旋桨旋转是右旋，上是前，且都具有R0，即低纵倾。具有右旋环的1型螺旋桨500显示入口根部502在出口根部504的右侧。对于2型螺旋桨600，由于入口根部302和出口根部304具有相似的轴向位置，所以在右旋环与左旋环之间不会有太大的差异。具有左旋环的1型螺旋桨500显示入口根部502在出口根部504的左侧。

图20A、20B示出了低或高的纵倾类型。尽管在其它地方，纵倾角范围被分类为低、中或高，但此处的纵倾仅被分解为低和高，其中低纵倾可以是例如0-25度，高纵倾可以是例如25度到45度。在图20A中示出低纵倾R0，其中图示出平均纵倾角的示例性实例。纵倾值R0.5、R1.0、R 1.5等是其它可能的纵倾值。图20B示出了高纵倾R2的实例。1型螺旋桨500、3型螺旋桨600和4型螺旋桨400的示例性变型包括：

●1型R0左旋环

●1型R0右旋环

●1型R2左旋环

●1型R2右旋环

●2型R0

●2型R2

●3型R0左旋环

●3型R0右旋环

●3型R2左旋环

●3型R2右旋环

右旋螺旋桨可以被镜像以形成左旋螺旋桨，反之亦然(环方向也将被镜像)。

双螺旋桨可以由上述螺旋桨类型的任意组合构造而成。所选择的组合将部分地取决于两个螺旋桨的兼容性或组合的性能效果。

示例性命名提供了按大小对纵倾的一般分类，所述分类表示整个叶片的净纵倾，与单个叶片区段的纵倾值无关。命名为R0表示最小量的总体纵倾，R1、R2等表示增加的纵倾值。图30示出了具有被指定为R0的相对低纵倾的螺旋桨。图31示出具有被指定为R2的相对高纵倾的螺旋桨。0和2之间的数值指示在R0和R2之间展示的纵倾值。

图21A、22B示出了CR螺旋桨的横截面，其示出可用于旋转两个螺旋桨的示例性齿轮组件。齿轮组件由单个电机驱动，并向CR螺旋桨的两个螺旋桨施加反向旋转运动。

图22示出了可用于舷外和艉机驱动装置的示例性贯穿桨毂排气螺旋桨900。所公开的任何螺旋桨都可以具有贯穿桨毂。贯穿桨毂排气螺旋桨900具有贯穿桨毂902，所述贯穿桨毂902由圆柱形筒904组成，叶片906a、906b和906c附接到所述圆柱形筒904。这允许排气流过筒904，在筒后端908排出，因此不干扰叶片906a、906b、906c周围的水流和穿过叶片906a、906b、906c的水流。贯穿桨毂排气螺旋桨900可以是CR螺旋桨的部件。本文公开的叶片配置也可以用在非贯穿桨毂排气螺旋桨、过桨毂(over-hub)排气螺旋桨和过/贯穿桨毂排气螺旋桨上。并非所有的对转螺旋桨都涉及排气。对于大型船舶和吊舱驱动系统，没有废气流量的规定。应注意，穿孔背景不是螺旋桨的一部分。

示例性螺旋桨样式包括：

●舷外：3个叶片

●货船：有3个叶片

●方位推进器，其中螺旋桨直接连接到电机轴以绕垂直轴线旋转(例如ABB的)：/>3个叶片

●机动游艇：4个叶片。

虽然上文提到了叶片的示例性数量，但每种样式可能有2个、3个、4个或5个叶片。螺距和任何叶片面积比值可以根据具体的使用和性能要求而变化。

螺旋桨的应用不限于小尺寸或舷外电机应用。

尽管已经以具有一定程度特殊性的示范性形式描述和说明了某些实施例，但应注意，所述描述和说明仅作为实例进行。可以对零件和操作的构造、组合和排列的细节进行许多改变。本发明的每个实施例可以具有不同的元件组合。本发明包括所公开的元件的不同组合，省略一些元件或将元件替换为这类结构的等效物。因此，这类改变旨在包括在本公开的范围内，其受保护的范围由权利要求限定。

Claims (30)

1.一种提高双螺旋桨中的螺旋桨有效旋流的方法，所述双螺旋桨包括在同轴反向旋转轴上串联运行的一前螺旋桨和一后螺旋桨，所述方法包括：

通过改变弧度和桨距角(叶尖载荷)来控制所述前螺旋桨产生旋流能量以及所述后螺旋桨回收旋流能量，同时最大限度地减少叶尖涡流。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括改变所述后螺旋桨的直径，以减少由所述前螺旋桨产生的流体流对所述后螺旋桨的效率的干扰。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，桨距角处于0到+75度的范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，弧度处于-0.2到+0.2的范围内。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

选择纵倾值和侧斜值，所述纵倾值和侧斜值共同形成一具有附接到桨毂的一入口根部和一出口根部的环形叶片；

所述入口根部和所述出口根部在所述桨毂上间隔开，使得所述桨毂的一部分是环的部分；

选择所述叶尖的所述纵倾值大于所述入口根部的所述纵倾值；和

选择所述叶尖的所述侧斜值大于所述入口根部的所述侧斜值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个的所选侧斜值为-135度到+135度的范围。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个的所选侧斜值处于-120度到+120度的范围内。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个的所选纵倾值处于-0.9OD到+0.9OD的范围内，其中OD是所述螺旋桨的外径。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个的所选纵倾值处于-0.5OD到+0.5OD的范围内，其中OD是所述螺旋桨的所述外径。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个的所选纵倾角值处于-60度到+60度的范围内。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个的所选纵倾角值处于-45度到+45度的范围内。

12.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将所述双螺旋桨作为一个系统进行设计，所述系统包括使第二螺旋桨的设计部分地基于第一螺旋桨的水加速度，所述水加速度包括由所述第一螺旋桨产生的尾流。

13.根据权利要求1所述的方法，包括将所述后螺旋桨的直径选择为处于所述前螺旋桨的直径的100％到130％的范围内。

14.根据权利要求1所述的方法，包括将所述后螺旋桨的直径选择为处于所述前螺旋桨的直径的100％到175％的范围内。

15.根据权利要求1所述的方法，包括将所述双螺旋桨配置为所述第一螺旋桨与所述第二螺旋桨嵌套，使得后螺旋桨入口的前缘大致跟随所述前螺旋桨的出口后缘。

16.根据权利要求1所述的方法，包括将所述螺旋桨配置为对于所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个，入口尾流路径大致平行于出口叶片尾流路径。

17.根据权利要求1所述的方法，包括对于所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个，从入口基底入口根部附近限定纵倾和侧斜，并从所述入口根部和/或所述出口根部的平均值确定纵倾角。

18.一种双螺旋桨，其包括：

在同轴反向旋转轴上串联运行的前螺旋桨和后螺旋桨；和

桨距角和弧度，以优化所述前螺旋桨产生旋流能量和所述后螺旋桨回收旋流能量的操作，同时最大限度地减少叶尖涡流。

19.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，桨距角处于0到+75度的范围内。

20.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，弧度/帘线处于-0.2到+0.2的范围内。

21.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个具有处于-135度到+135度的范围内的侧斜值。

22.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个具有处于-120度到+120度的范围内的侧斜值。

23.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个具有处于-0.9OD到+0.9OD的范围内的纵倾值，其中OD是所述螺旋桨的外径。

24.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个具有处于-0.5OD到+0.5OD的范围内的纵倾值，其中OD是所述螺旋桨的外径。

25.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述前螺旋桨或后螺旋桨中的至少一个具有处于-45度到+45度的范围内的纵倾角。

26.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述后螺旋桨的直径处于所述前螺旋桨的直径的100％到130％的范围内。

27.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述后螺旋桨的直径处于所述前螺旋桨的直径的100％到175％的范围内。

28.根据权利要求18所述的双螺旋桨，其中，所述第一螺旋桨与所述第二螺旋桨嵌套，使得后螺旋桨入口的前缘大致跟随所述前螺旋桨的出口后缘。

29.根据权利要求18所述的螺旋桨，其中，所述入口部分和所述出口部分中的每一个均从其各自的根部延伸到叶片参考线处于叶片外半径的75％到100％的范围内并递增的位置，且所述叶尖部分是所述入口部分与所述出口部分之间的剩余部分。

30.一种螺旋桨，其包括：

多个叶片，所述叶片具有：

处于0到+75度的范围内的桨距角；

处于-0.2到+0.2的范围内的弧度/弦线；

处于-135度到+135度的范围内的侧斜值；

处于-0.85OD到+0.85OD的范围内的纵倾值；和

处于-45度到+45度的范围内的纵倾角。