CN117622443A - 一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，包括舵和助推鳍；所述舵内部设置有伺服电机，所述舵两侧分别设置有一个所述助推鳍，所述助推鳍前端安装于所述伺服电机的输出轴，所述伺服电机用于驱动所述助推鳍绕前端转动从而调节所述助推鳍的倾角β，β为0～8°。本发明的技术方案能够改变舵侧面的助推鳍倾角达到自适应优化尾流的目的，并且利用回收螺旋桨尾流的旋转能量，提高船舶助推效率。

Description

一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍

技术领域

本发明涉及船舶推进技术领域，具体而言，尤其涉及一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍。

背景技术

关于舵附推力鳍的实验研究和工程应用，已经做了大量的调查。日本IHI公司1983年率先研制出舵附推力鳍，该装置安装在桨后舵之两侧，各有一定的迎角，其可以利用螺旋桨尾流的旋转能量，通过助推鳍，将其转化为附加推力，回收部分旋转能量，从而提高船舶助推效率。武汉水运工程学院的王德恂在1991年发表过助推鳍理论计算的研究论文，首次采用数值方法，对推力鳍进行了理论计算，结果表明，推力鳍能回收部分旋转能量，产生附加推力，其助推效率可达，是一种较好的节能装置。2006年哈尔滨工程大学的黄胜、郭春雨对奖后舵附推力鳍进行了理论计算，数值计算过程中考虑了推力鳍端部分离祸的影响，提高了理论预报的准确性，且采用非线性祸格法计算了奖后舵附推力鳍的水动力性能，对螺旋桨与舵附推力鳍分别采用升力面法和非线性祸格法计算，结果表明推力鳍安装角β对推力鳍助推效率产生影响，且在不同螺旋桨进速系数下，推力鳍助推效率最佳值与推力鳍安装角β有关。但是现有技术中，缺乏利用改变舵附推力鳍倾角方式，来获取最佳推力鳍助推效率的研究，改变舵附推力鳍倾角能够更好的回收部分旋转能量，提高船舶助推效率。

发明内容

根据上述提出现有技术存在的技术问题，而提供一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍。本发明通过在舵内部安装伺服电机改变舵侧面的助推鳍倾角，以达到自动化变倾角自适应优化尾流的目的，并且利用回收螺旋桨尾流的旋转能量，通过助推鳍将其转化为附加推力，从而提高船舶助推效率；本发明通过找到不同进速下所对应的效率与推力最大的最优安装角度：即在舵侧面通过伺服电机安装可变安装角的助推鳍，通过调节助推鳍的安装倾角至最佳，以适应提高推力鳍助推效率，优化尾流，达到提高船舶的推进性能的目的。

本发明采用的技术手段如下：

一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，包括舵和助推鳍；

所述舵内部设置有伺服电机，所述舵两侧分别设置有一个所述助推鳍，所述助推鳍前端安装于所述伺服电机的输出轴，所述伺服电机用于驱动所述助推鳍绕前端转动从而调节所述助推鳍的倾角β，β为0～8°。

进一步地，将所述舵附推力鳍安装至船舶上时，所述助推鳍前端与螺旋桨的轴线等高，且所述舵附推力鳍的竖直轴线与所述螺旋桨的轴线相互垂直。

进一步地，所述舵附推力鳍高度为0.25m，展长与所述螺旋桨的半径相等；将所述舵附推力鳍和安装至船舶上时，所述舵附推力鳍与所述螺旋桨桨轴和盘面的交点之间的距离为0.07m。

进一步地，所述螺旋桨为双叶鳍螺旋桨。

进一步地，将所述舵附推力鳍安装至船舶上之前，通过所述伺服电机将所述助推鳍调节至最佳倾角β，最佳倾角β通过以下方式确定：

采用参数化建模的方式建立所述舵附推力鳍的模型，可调节变量为所述助推鳍的倾角β；

采用数值仿真的方法计算所述螺旋桨与所述舵附推力鳍组合后，在设定的进速系数下，所述螺旋桨的助推效率随倾角β的变化情况，将最高助推效率对应的倾角β作为在设定的进速系数下，所述助推鳍的最佳倾角β。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，结合仿生学技术鱼鳍灵活优改变摆动角度来优化推力鳍设计，降低了船舶航行时的能量损失，增大了推力鳍助推效率，提高了尾流利用效率，从而提高船舶助推效率；可变倾角舵附推力鳍能够提高船舶的推进性能，降低船舶的燃油消耗。

基于上述理由本发明可在船舶推进领域广泛推广，还可以广泛满足不同类型的船舶对于节能系统的需求，如大型商业船舶、小型游轮、军事舰艇、科研船以及各种在敏感环境下工作的推进器、叶轮机及泵机叶片后方。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述舵附推力鳍结构示意图。

图2为本发明所述舵附推力鳍与螺旋桨组装状态示意图。

图3为本发明所述舵附推力鳍内部结构示意图。

图4为本发明所述舵附推力鳍可变安装倾角侧面示意图。

图5为本发明所述舵附推力鳍在进速系数为0.6时，螺旋桨助推效率随可变安装倾角变化状态示意图。

图6为本发明所述舵附推力鳍在不同进速系数下需要调整的安装倾角示意图。

图7为带本发明所述可变倾角舵附推力鳍的螺旋桨与普通螺旋桨助推效率对比图。

图中：1、舵；2、助推鳍；3、螺旋桨。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1-4所示，本发明提供了一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，包括舵1和助推鳍2；所述舵1为螺旋桨后舵；

所述舵1内部设置有伺服电机，所述舵1两侧分别设置有一个所述助推鳍2，所述助推鳍2前端安装于所述伺服电机的输出轴，所述伺服电机用于驱动所述助推鳍2绕前端转动从而调节所述助推鳍2的倾角β，β为所述助推鳍2与水平线之间的夹角，β为0～8°。

进一步地，将所述舵附推力鳍安装至船舶上时，所述助推鳍2前端与螺旋桨3的轴线等高，且所述舵附推力鳍的竖直轴线与所述螺旋桨3的轴线相互垂直，在均匀流场中，所述舵附推力鳍安装在此位置时，能够使所述螺旋桨3的助推效率最大。

进一步地，所述舵附推力鳍高度为0.25m，展长与所述螺旋桨3的半径相等；在本实施例中，所述舵附推力鳍的展长为0.2m；将所述舵附推力鳍和安装至船舶上时，所述舵附推力鳍与所述螺旋桨3桨轴和盘面的交点之间的距离为0.07m。

进一步地，所述螺旋桨3为双叶鳍螺旋桨。

进一步地，将所述舵附推力鳍安装至船舶上之前，通过所述伺服电机将所述助推鳍2调节至最佳倾角β，最佳倾角β通过以下方式确定：

采用参数化建模的方式建立所述舵附推力鳍的模型，可调节变量为所述助推鳍2的倾角β；

采用数值仿真的方法计算所述螺旋桨3与所述舵附推力鳍组合后，在设定的进速系数下，所述螺旋桨3的助推效率随倾角β的变化情况，将最高助推效率对应的倾角β作为在设定的进速系数下，所述助推鳍2的最佳倾角β，如图5所示；

通过控制所述伺服电机的工作将所述助推鳍2调节至最佳倾角β，所述助推鳍2能够将所述螺旋桨3尾流的旋转能力转化为附加推力，从而有效提高螺旋桨对船舶的助推效率；本发明中，β的变化范围控制在0～8°，针对确定的螺旋桨的进速系数，在此倾角范围内能够得到对应最高助推效率的最佳倾角β。

进一步地，针对不同型号的所述螺旋桨3，在不同的进速系数下均有一个相应的所述助推鳍2的最佳倾角β，如图6所示；针对某一个所述螺旋桨3，随着进速系数的变化，对应的所述助推鳍2的最佳倾角β也会随之改变；采用本发明提供的所述助推鳍2的最佳倾角β的确定方式来调节所述助推鳍2的倾角，能够更好的达到对所述舵附推力鳍对应的所述助推鳍2的倾角β的控制，从而更好的利用螺旋桨尾流，更利于提升船舶的推进性能。

本发明提供的舵附推力鳍有安装简便、成本低的优点，助推鳍的倾角β对推力鳍助推效率有一定影响；推力鳍有一最佳倾角，是由于鳍阻力一般包括由有限翼展引起的诱导阻力与和粘性有关的摩擦阻力，这两部分阻力各自存在使阻力值最小的安装角攻角，推力鳍的安装角越大，则其有效攻角也越大，其升力及阻力在其有效攻角在一定范围内时随之增大，但两种阻力与助推力在轴向的合力并不一定增大，因此助推鳍存在安装角最佳值；采用本发明提供的舵附推力鳍，能够针对不同进速系数确定能获得最佳助推效率的最佳安装倾角β，以提高推进器敞水效率；如图7所示，与普通螺旋桨相比，采用了本发明提供的舵附推力鳍的螺旋桨，在相同进度系数下，推进效率都高于普通螺旋桨。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，其特征在于，包括舵和助推鳍；

所述舵内部设置有伺服电机，所述舵两侧分别设置有一个所述助推鳍，所述助推鳍前端安装于所述伺服电机的输出轴，所述伺服电机用于驱动所述助推鳍绕前端转动从而调节所述助推鳍的倾角β，β为0～8°。

2.根据权利要求1所述的尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，其特征在于，将所述舵附推力鳍安装至船舶上时，所述助推鳍前端与螺旋桨的轴线等高，且所述舵附推力鳍的竖直轴线与所述螺旋桨的轴线相互垂直。

3.根据权利要求2所述的尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，其特征在于，所述舵附推力鳍高度为0.25m，展长与所述螺旋桨的半径相等；将所述舵附推力鳍和安装至船舶上时，所述舵附推力鳍与所述螺旋桨桨轴和盘面的交点之间的距离为0.07m。

4.根据权利要求2所述的尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，其特征在于，所述螺旋桨为双叶鳍螺旋桨。

5.根据权利要求1所述的尾流优化的可变倾角舵附推力鳍，其特征在于，将所述舵附推力鳍安装至船舶上之前，通过所述伺服电机将所述助推鳍调节至最佳倾角β，最佳倾角β通过以下方式确定：

采用参数化建模的方式建立所述舵附推力鳍的模型，可调节变量为所述助推鳍的倾角β；

采用数值仿真的方法计算所述螺旋桨与所述舵附推力鳍组合后，在设定的进速系数下，所述螺旋桨的助推效率随倾角β的变化情况，将最高助推效率对应的倾角β作为在设定的进速系数下，所述助推鳍的最佳倾角β。