CN220315274U - 一种船舶一体化水动力节能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种船舶一体化水动力节能装置，包括扭曲舵、襟翼和非对称舵球，所述襟翼与扭曲舵之间通过襟翼销轴可转动连接，所述扭曲舵与舵杆可转动连接，舵杆的上端与船体结构固定连接，所述非对称舵球固定于扭曲舵远离襟翼的一侧的轴心处，且非对称舵球的头部朝向螺旋桨桨毂端面，非对称舵球球头与螺旋桨桨毂端面之间间隔设置，间隙大小为螺旋桨盘面直径的0.15~0.25倍，所述扭曲舵曲舵舵叶导边一侧以螺旋桨轴为界，其上部和下部分别向左舷和右舷方向扭曲4°~6°。本实用新型提供了一种船舶一体化水动力节能装置，可通过调节螺旋桨后方尾流形态，在实现节能效果的同时，能够在一定程度上改善船舶的操纵性和舒适性。
Description
技术领域
本实用新型属于船舶节能技术领域，具体涉及一种船舶一体化水动力节能装置。
背景技术
船舶作为一种高耗能交通运输工具，开展相关水动力节能装置的研究设计在降低船舶能耗，节约企业航运燃油费用，以及保护海洋环境方面均具有重要意义。目前，船舶水动力节能装置分为桨前和桨后两大类，其中典型的桨后节能装置有舵球、扭曲舵和襟翼舵，这些装置可通过整理桨后来流来实现有利干扰，最终通过回收螺旋桨尾流能量损失达到节能目的。
舵球安装在舵叶上，定位在螺旋桨的中心线上，可通过占据毂帽后方的空间，对桨叶根部的尾流进行整流，进而抑制毂涡的发生、降低螺旋桨能量的损失，并可在螺旋桨较高负载时增加其推力。扭曲舵则根据来流方向将舵不同高度处的剖面偏转一个角度，可与桨后的尾流场充分配合、吸收螺旋桨尾流动能，吸收的这部分能量会为船舵提供一个较大的侧向推力，起到助推节能的作用。此外，扭曲舵可明显改善船舵表面的流体动压参数，进而降低空泡效应对船舵寿命和船舶舒适性的不利影响。襟翼舵由主舵叶和子舵叶组成，舵叶主体有导流作用且能延迟舵表面流动分离的发生。此外，襟翼舵的两个舵叶分别偏转了一定角度，整体来看增加了舵的拱度，因此能够产生更大的升力。船舶舵效因此得到提升，即船舶可从静止状态立即进入转向运动，增强了船舶的操纵性能。
随着船舶双碳减排政策实施，船舶快速性、操纵性、安全性需求的日益增长，传统的单一节能船舵装置已无法满足船舶设计能效指数的要求，如专利CN 211918969 U提及的一种新型渔船节能舵球，该船舵仅靠舵球来实现一定节能效果，未能有效改善船舶舒适性和操纵性。新型组合舵逐渐成为船舶水动力节能技术发展新趋势，如专利CN 218431705 U提及的一种带舵球的节能型襟翼舵，该船舵在实现节能效果的同时增强了船舶操纵性，但在降低舵表面空泡效应不利影响方面，即改善船舶舒适性方面表现欠佳。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提供了一种船舶一体化水动力节能装置，可通过调节螺旋桨后方尾流形态，在实现节能效果的同时，能够在一定程度上改善船舶的操纵性和舒适性。
为实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
一种船舶一体化水动力节能装置，包括扭曲舵、襟翼和非对称舵球，所述襟翼与扭曲舵之间通过襟翼销轴可转动连接，所述扭曲舵与舵杆可转动连接，舵杆的上端与船体结构固定连接，所述非对称舵球固定于扭曲舵远离襟翼的一侧的轴心处，且非对称舵球的头部朝向螺旋桨桨毂端面，非对称舵球球头与螺旋桨桨毂端面之间间隔设置，间隙大小为螺旋桨盘面直径的0.15～0.25倍，所述扭曲舵舵叶导边一侧以螺旋桨轴为界，其上部和下部分别向左舷和右舷方向扭曲4°～6°。
进一步的，所述非对称舵球外表面为类球鼻艏的流线型结构。
进一步的，在所述非对称舵球正视图上根据横向最大宽度线和垂向最大宽度线确定一局部二维坐标系，坐标原点为两条线的交点，非对称舵球为上下不对称的结构形式。
进一步的，所述非对称舵球顶部边缘到舵球横向最大宽度线的投影距离为d1，非对称舵球底部边缘到舵球横向最大宽度线的投影距离为d2，非对称舵球左右端部边缘到舵球垂向最大宽度线的投影距离为d3，非对称舵球轴心到舵球横向最大宽度线的投影距离为d4，螺旋桨盘面直径为D，其中，d1的取值范围为0.06～0.1D，d2的取值范围为0.09～0.1D，d3的取值范围为0.075～0.1D，d4的取值范围为0～0.03D；非对称舵球直径与螺旋桨盘面直径的比值为0.25～0.3，即(d1+d2)/D＝0.25～0.3。
进一步的，所述扭曲舵根据来流形态进行一定角度的旋转，即与艉轴轴心所在水平线之间形成一个转角α，所述襟翼根据来流形态进行一定角度的旋转，即与扭曲舵之间形成一个水平转角θ，转角θ与转角α的比值定义为转角比，转角比的取值范围为1～2。
进一步的，所述襟翼的水平截面面积与全舵水平截面面积的比值定义为襟翼比，其中全舵面积为襟翼的面积和裸露在外的扭曲舵的面积，襟翼比的取值范围为0.2～0.3。
进一步的，所述非对称舵球球头与螺旋桨桨毂端面之间间隙为螺旋桨盘面直径的0.15～0.25倍。
本实用新型的船舶一体化水动力节能装置，实现舵球、襟翼和扭曲舵水动力节能装置一体化，非对称舵球有效改善桨后水流；本实用新型的非对称舵球为上下不对称结构形式，并且本实用新型中的舵球类似球鼻艏，即舵球整体呈斜向上的结构形式，该结构形式允许舵球更靠近桨毂，可对桨后尾流起到更好的整流作用；扭曲舵舵叶导边一侧以螺旋桨轴为界，其上部和下部分别向左舷和右舷方向扭曲4°～6°，这一设计实现了当来流经过螺旋桨加速和旋转后，扭曲舵正好与扭曲后的舵叶剖面形成相对比较有利的攻角，抑制了桨后尾流的旋转，增大了轴向诱导速度，提升了推进效率。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
1、该一体化水动力节能装置可同时通过舵球和扭曲舵结构来改善螺旋桨后方尾流形态，在降低螺旋桨能量损失的同时还能从尾流中吸收部分动能用于产生一定推力，具备优良的助推节能效果。
2、该一体化水动力节能装置可通过扭曲舵结构来改善舵表面流场形态，进而在一定程度上削弱舵表面空泡效应，削弱了舵结构在船舶运行过程中的振动及噪音，延长舵使用寿命的同时可改善船舶舒适性。
3、该一体化水动力节能装置可通过调节襟翼结构来增加舵的整体拱度，增加了舵效，进而在一定程度上增强了船舶操纵性。
附图说明
图1为本实用新型所述的船舶一体化水动力节能装置的使用状态图；
图2为本实用新型所述的船舶一体化水动力节能装置的结构示意图；
图3为本实用新型所述的船舶一体化水动力节能装置自船首至船尾方向的正视图；
图4为图3中A部分的局部放大图；
图5为本实用新型所述的船舶一体化水动力节能装置从甲板至船底方向的俯视图。
其中，1-船体，2-螺旋桨，3-非对称舵球，4-扭曲舵，5-襟翼，6-舵杆，7-襟翼销轴。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1-图5所示的一种船舶一体化水动力节能装置，包括扭曲舵4、襟翼5和非对称舵球3，所述襟翼5与扭曲舵4之间通过襟翼销轴7可转动连接，所述扭曲舵4与舵杆6可转动连接，舵杆6的上端与船体1结构固定连接，所述非对称舵球3固定于扭曲舵4远离襟翼5的一侧的轴心处，且非对称舵球3的头部朝向螺旋桨2桨毂端面，非对称舵球3球头与螺旋桨2桨毂端面之间间隔设置，间隙大小为螺旋桨盘面直径的0.15～0.25倍，非对称舵球3球头与螺旋桨2桨毂端面之间间隙为螺旋桨盘面直径的0.15～0.25倍，所述扭曲舵4扭曲舵舵叶导边一侧以螺旋桨轴为界，其上部和下部分别向左舷和右舷方向扭曲4°～6°。该结构形式可在一定程度上减小舵剖面来流攻角，通过减小最大减压系数来延迟舵表面空泡的产生，延长舵使用寿命的同时还降低了空泡效应产生的振动及噪音，提高了船舶运行时的舒适性。
所述非对称舵球3外表面为类球鼻艏的流线型结构，在非对称舵球3正视图上根据横向最大宽度线和垂向最大宽度线确定一局部二维坐标系，坐标原点为两条线的交点，非对称舵球3为上下不对称的结构形式；所述非对称舵球3顶部边缘到舵球横向最大宽度线的投影距离为d1，非对称舵球3底部边缘到舵球横向最大宽度线的投影距离为d2，非对称舵球3左右端部边缘到舵球垂向最大宽度线的投影距离为d3，非对称舵球3轴心到舵球横向最大宽度线的投影距离为d4，螺旋桨盘面直径为D，其中，d1的取值范围为0.06～0.1D，d2的取值范围为0.09～0.1D，d3的取值范围为0.075～0.1D，d4的取值范围为0～0.03D，非对称舵球直径与螺旋桨盘面直径的比值为0.25～0.3，即(d1+d2)/D＝0.25～0.3。通过非对称舵球来挤压桨毂后方的低压区空间，桨毂附近的水流被强迫沿舵球表面流过，在舵球表面水流粘性的作用下，舵球附近的水流无法进行强烈旋转，从而达到整流的目的，降低了涡流引起的能量损失；非对称舵球3还能减少螺旋桨2后方尾流的收缩，这是因为舵球的存在直接将尾流向外半径排挤，增大了尾流截面面积。根据理想推进器理论可知：舵球增加的尾流的截面面积VA，整个推进器的理想推进效率ηiA因此会得到提升。
由于d1≠d2，舵球在x轴上下两侧的面积不相等，即形成非对称结构。螺旋桨2旋转工作时，毂涡会从桨叶根部和桨毂端部会向后方流场中泄出，并且这部分毂涡会在船体1尾部伴流的影响下与艉轴轴线发生偏移，呈现非对称性。因此，非对称舵球结构3可更好地与桨后流场匹配，对毂涡的形成与发展有更好的抑制效果，能进一步减少螺旋桨的能量损失，实现更好的节能效果。
所述扭曲舵4根据来流形态进行一定角度的旋转，即与艉轴轴心所在水平线之间形成一个转角α，所述襟翼5根据来流形态进行一定角度的旋转，即与扭曲舵4之间形成一个水平转角θ，转角θ与转角α的比值定义为转角比，转角比的取值范围为1～2。适当的转角比取值可以合理增加舵的整体拱度，从而增大舵的整体升力，即增加了舵效、改善了船舶的操纵性。
所述襟翼5襟翼水平截面面积与全舵水平截面面积的比值定义为襟翼比，其中全舵面积为襟翼5的面积和裸露在外的扭曲舵4的面积，襟翼比的取值范围为0.2～0.3。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，包括扭曲舵、襟翼和非对称舵球，所述襟翼与扭曲舵之间通过襟翼销轴可转动连接，所述扭曲舵与舵杆可转动连接，舵杆的上端与船体结构固定连接，所述非对称舵球固定于扭曲舵远离襟翼的一侧的轴心处，且非对称舵球的头部朝向螺旋桨桨毂端面，非对称舵球球头与螺旋桨桨毂端面之间间隔设置，间隙大小为螺旋桨盘面直径的0.15～0.25倍，所述扭曲舵舵叶导边一侧以螺旋桨轴为界，其上部和下部分别向左舷和右舷方向扭曲4°～6°。
2.根据权利要求1所述的一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，所述非对称舵球外表面为类球鼻艏的流线型结构。
3.根据权利要求2所述的一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，在所述非对称舵球正视图上根据横向最大宽度线和垂向最大宽度线确定一局部二维坐标系，坐标原点为两条线的交点，非对称舵球为上下不对称的结构形式。
4.根据权利要求3所述的一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，所述非对称舵球顶部边缘到舵球横向最大宽度线的投影距离为d1，非对称舵球底部边缘到舵球横向最大宽度线的投影距离为d2，非对称舵球左右端部边缘到舵球垂向最大宽度线的投影距离为d3，非对称舵球轴心到舵球横向最大宽度线的投影距离为d4，螺旋桨盘面直径为D，其中，d1的取值范围为0.06～0.1D，d2的取值范围为0.09～0.1D，d3的取值范围为0.075～0.1D，d4的取值范围为0～0.03D；非对称舵球直径与螺旋桨盘面直径的比值为0.25～0.3，即(d1+d2)/D＝0.25～0.3。
5.根据权利要求1所述的一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，所述扭曲舵根据来流形态进行一定角度的旋转，即与艉轴轴心所在水平线之间形成一个转角α，所述襟翼根据来流形态进行一定角度的旋转，即与扭曲舵之间形成一个水平转角θ，转角θ与转角α的比值定义为转角比，转角比的取值范围为1～2。
6.根据权利要求1所述的一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，所述襟翼的水平截面面积与全舵水平截面面积的比值定义为襟翼比，其中全舵面积为襟翼的面积和裸露在外的扭曲舵的面积，襟翼比的取值范围为0.2～0.3。
7.根据权利要求1所述的一种船舶一体化水动力节能装置，其特征在于，所述非对称舵球球头与螺旋桨桨毂端面之间间隙为螺旋桨盘面直径的0.15～0.25倍。
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