CN118254942A - 一种过渡段镂空型环形螺旋桨及船舶 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种过渡段镂空型环形螺旋桨及船舶，包括：一组环形螺旋桨桨叶、一个桨毂和一组镂空孔洞。所述环形螺旋桨桨叶，采用封闭环形结构，并以中心对称的方式排列在所述桨毂的外表面，包括：桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段；所述桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段的位置由侧倾角沿节距分布曲线的特点确定，所述桨叶过渡段连接所述桨叶前段和桨叶后端，用于抑制产生梢涡；所述镂空孔洞，位于桨叶过渡段位置，按位置分组，布置在所述环形螺旋桨过渡段叶片的高压侧和低压侧之间。本发明技术方案，能够减少环形螺旋桨工作时过渡段“兜水”效应带来的不利影响，减小不规则侧向非定常力波动的现象，实现减振降噪。
Description
技术领域
本发明属于螺旋桨技术领域，特别涉及一种过渡段镂空型环形螺旋桨及应用该环形螺旋桨的船舶。
背景技术
国际海事组织(IMO)制定的节能减排新规范，使得发展绿色船舶和绿色航运成为当今海洋装备领域的迫切需求。其中，研究并推行新型节能降噪推进器是提升船舶推进节能技术和装备研发水平的必要措施。
环形螺旋桨设计中，每个桨叶都是与桨毂相连的封闭环形结构，分为前段、过渡段和后段三个部分。前段与桨毂相连的部分被称为前段根部，其侧倾角为0°，并沿前段逐渐增加。过渡段连接前段和后段，使桨叶从前段平滑过渡到后段，在过渡段中侧倾角迅速增加，顶端角度约为90°。后段与桨毂相连的部分被称为后段根部，其侧倾角在后段缓慢增加到180°。环形螺旋桨独特的外形设计可以降低桨叶梢涡的泄出，具有高效推进、低噪声的特点。
由于过渡段的“兜水”效应以及较高的线速度，会产生较大的侧向波动，可能导致较大的振动和噪声，有必要减小过渡段“兜水”效应产生的不利影响。
因此，如何提供一种过渡段镂空型环形螺旋桨，当螺旋桨高速旋转时，高压区域的水流因压力梯度力和离心力的作用通过所开的孔隙流入低压区，平衡外侧压力，减少螺旋桨过渡段梢涡脱落和压力脉动，降低空化现象的危害性，实现节能高效、有效降低噪声和振动的目标，已经成为一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供一种过渡段镂空型环形螺旋桨及船舶，能够减少环形螺旋桨工作时过渡段“兜水”效应带来的不利影响，减小不规则侧向非定常力波动的现象，实现减振降噪。
本发明的一个实施例中，提供一种过渡段镂空型环形螺旋桨，包括：一组环形螺旋桨桨叶、一个桨毂和一组镂空孔洞。
所述环形螺旋桨桨叶，采用封闭环形结构，并以中心对称的方式排列在所述桨毂的外表面，包括：桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段；所述桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段的位置由侧倾角沿节距分布曲线的特点确定，所述桨叶过渡段连接所述桨叶前段和桨叶后端，用于抑制产生梢涡；
所述镂空孔洞，位于所述桨叶过渡段位置，按位置分组，布置在所述环形螺旋桨过渡段叶片的高压侧和低压侧之间。
进一步地，所述桨叶过渡段的侧倾角从所述桨叶过渡段与所述桨叶前段相交处叶剖面的≤25°增加至所述桨叶过渡段与所述桨叶后段相交处叶剖面的≤155°。
进一步地，所述镂空孔洞，位于所述桨叶过渡段位置，包括：
所述镂空孔洞布置在所述桨叶过渡段的侧倾角90°附近的过渡段剖面处，每个环形螺旋桨桨叶的叶片有一组10个至90个所述镂空孔洞，所述镂空孔洞的开孔方向垂直于桨叶曲面，开孔直径与桨叶直径之比为100-1000，开口直径为0.5mm-50mm。
进一步地，对于不同型号的环形螺旋桨，所述镂空孔洞的开口直径做相应调整。
进一步地，所述镂空孔洞按位置分组，包括：
所述镂空孔洞分组成为至少两行结构，其中，不同行结构之间存在至少由包括所述环形螺旋桨节距和侧倾角的变化影响的函数关系，同一行结构内的开孔间隔均匀或沿弦向变化。
进一步地，所述镂空孔洞的数量根据所述桨叶过渡段的面积和所述镂空孔洞的直径确定。
进一步地，所述镂空孔洞在环形螺旋桨的最佳位置和布置方式通过CFD模拟或试验测试方法确定。
本发明的又一个实施例中，提供一种船舶，所述船舶包括以上任一项所述的过渡段镂空型环形螺旋桨。
本发明所带来的有益效果如下：
从上述方案可以看出，本发明实施例提供一种过渡段镂空型环形螺旋桨，包括：一组环形螺旋桨桨叶、一个桨毂和一组镂空孔洞。所述环形螺旋桨桨叶，采用封闭环形结构，并以中心对称的方式排列在所述桨毂的外表面，包括：桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段；所述桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段的位置由侧倾角沿节距分布曲线的特点确定，所述桨叶过渡段连接所述桨叶前段和桨叶后端，用于抑制产生梢涡；所述镂空孔洞，位于桨叶过渡段位置，按位置分组，布置在所述环形螺旋桨过渡段叶片的高压侧和低压侧之间。本发明技术方案，能够减少环形螺旋桨工作时过渡段“兜水”效应带来的不利影响，减小不规则侧向非定常力波动的现象，实现减振降噪。
附图说明
图1表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的结构示意图；
图2表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨桨叶示意图；
图3表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的单排镂空孔洞示意图；
图4表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的双排镂空孔洞示意图；
图5表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的三排镂空孔洞示意图；
图6表示本发明实施例的一种环形螺旋桨桨叶不同段与侧倾角关系示意图；
图中，1为环形螺旋桨桨叶，2为桨毂，3为桨叶后段，4为桨叶过渡段，5为桨叶前段，6为桨叶导边，7为桨叶随边，8为镂空孔洞。
具体实施方式
为使本发明的目的、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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。
本发明的实施例提供了一种过渡段镂空型环形螺旋桨，旨在减少环形螺旋桨工作时过渡段“兜水”效应带来的不利影响，实现减振降噪。该螺旋桨具有稳定性好、可靠性高和普适性强的优点，能够有效稳定环形螺旋桨过渡段的压力差，抑制梢涡脱落和压力脉动，为环形螺旋桨的抑振降噪设计提供技术支持。
如图1和图2所示，图1表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的结构示意图；图2表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨桨叶示意图。
图中，一种过渡段镂空型环形螺旋桨，包括：一组环形螺旋桨桨叶1、桨毂2和镂空孔洞8。环形螺旋桨桨叶1采用封闭环形结构，每个环形螺旋桨桨叶1由桨叶前段5、桨叶过渡段4和桨叶后段3三部分组成。桨毂2与环形螺旋桨桨叶1连接，环形螺旋桨桨叶1以中心对称的方式排列在桨毂2的外表面。镂空孔洞8布置在环形螺旋桨1的叶片过渡段的高压侧和低压侧之间，开口靠近容易发生空化的过渡段区域。环形螺旋桨的桨毂2与环形螺旋桨桨叶1相连接，其与桨叶前段5连接处的叶剖面侧倾角为0°，与桨叶后段3连接处的叶剖面侧倾角为180°。
本发明实施例中，环形螺旋桨桨叶1，采用封闭环形结构，并以中心对称的方式排列在所述桨毂的外表面。桨叶前段5、桨叶过渡段4和桨叶后段3的位置由侧倾角沿节距分布曲线的特点确定，桨叶过渡段4连接所述桨叶前段5和桨叶后端3，用于抑制产生梢涡。通常情况下，桨叶前段5和桨叶后段3的侧倾角逐渐增加，而桨叶过渡段4的侧倾角迅速增加。
镂空孔洞8，位于桨叶过渡段4的位置，按位置分组，布置在所述环形螺旋桨过渡段叶片的高压侧和低压侧之间。通过CFD模拟或试验测试方法确定叶片上镂空孔洞的最佳位置和布置方式。
本发明实施例的一个实施方式中，若干环形螺旋桨桨叶1的过渡段4上设有若干个镂空孔洞8。镂空孔洞8开口的模式可以在每个桨叶1上重复。流体通过桨叶过渡段3内侧慢流速区和外侧快流区之间的压力差以及环形螺旋桨旋转作用于桨叶过渡段3内侧流体所产生的离心力驱动流体通过通道。
所述镂空孔洞布置在所述桨叶过渡段的侧倾角90°附近的过渡段剖面处，每个环形螺旋桨桨叶的叶片有一组10个至90个所述镂空孔洞，所述镂空孔洞的开孔方向垂直于桨叶曲面，开孔直径与桨叶直径之比为100-1000，开口直径为0.5mm-50mm。其中，对于小型环形螺旋桨，开孔直径相应减小。
本发明实施例中，镂空孔洞开口的形状和方式在每个桨叶上是相同的。
如图3至图5所示，图3表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的单排镂空孔洞示意图；图4表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的双排镂空孔洞示意图；图5表示本发明实施例的一种过渡段镂空型环形螺旋桨的三排镂空孔洞示意图。
图中，所述镂空孔洞8分组成为至少两行结构，其中，不同行结构之间存在至少由包括所述环形螺旋桨节距和侧倾角的变化影响的函数关系，同一行结构内的开孔间隔均匀或沿弦向变化。
本发明实施例中，使用CFD方法STAR-CCM+对环形螺旋桨进行动力学预测,确定环形螺旋桨桨叶过渡段4中内侧涡流位置。在该位置附近初步布置若干镂空孔洞8，后再进行过渡段镂空环形螺旋桨的CFD方法及试验模拟，对镂空孔洞8的布置进行调整。最终获得镂空孔洞8关于环形螺旋桨型值参数的函数关系。
在实际桨叶1上按位置开孔，工作状态下桨叶1内部由桨叶前段5进入的部分流体在桨叶过渡段4处由于压差力和离心力通过镂空孔洞8流出桨叶1，涡流减少，径向载荷减小，激振力减小。同时桨叶内部流体从镂空孔洞8内高速流出，输送到易发生空化的过渡段4外侧，抵消了低压蒸汽气泡的形成，从而减少空化。
本发明的一个实施例中，桨叶过渡段的侧倾角从所述桨叶过渡段与所述桨叶前段相交处叶剖面的≤25°增加至所述桨叶过渡段与所述桨叶后段相交处叶剖面的≤155°。
如图6所示，图6表示本发明实施例的一种环形螺旋桨桨叶不同段与侧倾角关系示意图。
图6中，过段段的侧倾角从与前段相交处(约0.9R)叶剖面的≤25°迅速增加到与后段相交处(约0.9R)叶剖面的≤155°。
对于不同型号的环形螺旋桨，镂空孔洞8的开口直径做相应调整。镂空孔洞8的数量根据桨叶过渡段4的面积和镂空孔洞8的直径确定。镂空孔洞8在环形螺旋桨的最佳位置和布置方式通过CFD模拟或试验测试方法确定。
本发明实施例中，一种过渡段镂空型环形螺旋桨，能够减少环形螺旋桨工作时过渡段“兜水”效应产生的不利影响，实现减振降噪。本发明技术方案，具有稳定性好、可靠性好、普适性高的优点，能够有效稳定环形螺旋桨过渡段压力差，抑制梢涡脱落和压力脉动，为环形螺旋桨抑振降、噪设计提供技术支持。
本发明的又一个实施例中，提供一种船舶，所述船舶包括以上任一项所述的过渡段镂空型环形螺旋桨。
本发明技术方案，提供一种过渡段镂空型环形螺旋桨及应用该环形螺旋桨的船舶，所述环形螺旋桨，包括：一组环形螺旋桨桨叶、一个桨毂和一组镂空孔洞。所述环形螺旋桨桨叶，采用封闭环形结构，并以中心对称的方式排列在所述桨毂的外表面，包括：桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段；所述桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段的位置由侧倾角沿节距分布曲线的特点确定，所述桨叶过渡段连接所述桨叶前段和桨叶后端，用于抑制产生梢涡；所述镂空孔洞，位于桨叶过渡段位置，按位置分组，布置在所述环形螺旋桨过渡段叶片的高压侧和低压侧之间。
本发明技术方案，能够减少环形螺旋桨工作时过渡段“兜水”效应带来的不利影响，减小不规则侧向非定常力波动的现象，实现减振降噪。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，所述螺旋桨，包括：一组环形螺旋桨桨叶、一个桨毂和一组镂空孔洞；
所述环形螺旋桨桨叶，采用封闭环形结构，并以中心对称的方式排列在所述桨毂的外表面，包括：桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段；所述桨叶前段、桨叶过渡段和桨叶后段的位置由侧倾角沿节距分布曲线的特点确定，所述桨叶过渡段连接所述桨叶前段和桨叶后端，用于抑制产生梢涡；
所述镂空孔洞，位于所述桨叶过渡段位置，按位置分组，布置在所述环形螺旋桨过渡段叶片的高压侧和低压侧之间。
2.根据权利要求1所述的一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，所述桨叶过渡段的侧倾角从所述桨叶过渡段与所述桨叶前段相交处叶剖面的≤25°增加至所述桨叶过渡段与所述桨叶后段相交处叶剖面的≤155°。
3.根据权利要求1所述的一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，所述镂空孔洞，位于所述桨叶过渡段位置，包括：
所述镂空孔洞布置在所述桨叶过渡段的侧倾角90°附近的过渡段剖面处，每个环形螺旋桨桨叶的叶片有一组10个至90个所述镂空孔洞，所述镂空孔洞的开孔方向垂直于桨叶曲面，开孔直径与桨叶直径之比为100-1000，开口直径为0.5mm-50mm。
4.根据权利要求1所述的一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，对于不同型号的环形螺旋桨，所述镂空孔洞的开口直径做相应调整。
5.根据权利要求1所述的一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，所述镂空孔洞按位置分组，包括：
所述镂空孔洞分组成为单行或至少两行结构，其中，不同行结构之间存在至少由包括所述环形螺旋桨节距和侧倾角的变化影响的函数关系，同一行结构内的开孔间隔均匀或沿弦向变化。
6.根据权利要求1所述的一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，所述镂空孔洞的数量根据所述桨叶过渡段的面积和所述镂空孔洞的直径确定。
7.根据权利要求1至6任一项所述的一种过渡段镂空型环形螺旋桨，其特征在于，所述镂空孔洞在环形螺旋桨的最佳位置和布置方式通过CFD模拟或试验测试方法确定。
8.一种船舶，其特征在于，所述船舶包括如权利要求7所述的过渡段镂空型环形螺旋桨。
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