RU2791969C1 - Ship's propeller - Google Patents
Ship's propeller Download PDFInfo
- Publication number
- RU2791969C1 RU2791969C1 RU2022108081A RU2022108081A RU2791969C1 RU 2791969 C1 RU2791969 C1 RU 2791969C1 RU 2022108081 A RU2022108081 A RU 2022108081A RU 2022108081 A RU2022108081 A RU 2022108081A RU 2791969 C1 RU2791969 C1 RU 2791969C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- propeller
- noise
- blades
- hub
- angle
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES
Настоящее изобретение, в общем, относится к области судовых гребных винтов и их шума.The present invention generally relates to the field of marine propellers and their noise.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
В технике хорошо известен гребной винт, представляющий собой тип вентилятора, который передает мощность путем преобразования вращательного движения в тягу. Между передней и задней поверхностями лопасти в форме аэродинамического профиля создается разница давлений, и текучая среда (например, воздух или вода) ускоряется позади лопасти. Большинство судовых гребных винтов представляют собой гребные винты с фиксированными спиральными лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной (или почти горизонтальной) оси или вала гребного винта.A propeller is well known in the art, which is a type of fan that transfers power by converting rotational motion into thrust. A pressure difference is created between the front and rear surfaces of the airfoil blade and the fluid (eg air or water) is accelerated behind the blade. Most marine propellers are propellers with fixed helical blades rotating about a horizontal (or nearly horizontal) axis or propeller shaft.
Шум гребного винта состоит из дискретных частот (тональных частот), наложенных на широкополосный спектр. Шум гребного винта возникает из-за сложного взаимодействия гребного винта с текучей средой. Шум гребного винта изучали разные исследователи, но подходы к прогнозированию варьируются от сложных аналитических формулировок до эмпирических оценок. Несмотря на то, что вычислительные методы предсказывают шум при заданной геометрии, для каждого изменения параметров конструкции, таких как количество лопастей и шаг лопастей, необходимо повторять весь процесс моделирования и решения. Шум, излучаемый гребным винтом под водой, имеет решающее значение, а снижение шума гребного винта необходимо для усовершенствования технологии малозаметности.Propeller noise consists of discrete frequencies (tonal frequencies) superimposed on a broadband spectrum. Propeller noise arises from the complex interaction of the propeller with the fluid. Propeller noise has been studied by various researchers, but prediction approaches range from complex analytical formulations to empirical estimates. Although computational methods predict noise for a given geometry, for every change in design parameters such as the number of blades and blade pitch, the entire modeling and solution process must be repeated. Propeller noise underwater is critical, and propeller noise reduction is essential to improving stealth technology.
Вследствие этого, в данной области техники существует потребность в подходе к прогнозированию шума гребного винта и гребного винта для решения вышеупомянутых ограничений.As a result, there is a need in the art for a propeller and propeller noise prediction approach to address the above limitations.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECTS OF THE INVENTION
Основная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы оптимизировать параметры конструкции гребного винта (в особенности, угол наклона и количество лопастей гребного винта) для снижения уровня шума.The main purpose of the present invention is to optimize the design parameters of the propeller (in particular, the angle of inclination and the number of propeller blades) to reduce the noise level.
Другой целью настоящего изобретения является разработка модели нечеткой логики для прогнозирования шума гребного винта для нескольких возможных совокупностей влияющих параметров.Another object of the present invention is to develop a fuzzy logic model for predicting propeller noise for several possible sets of influencing parameters.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Одним из аспектов настоящего изобретения является решение вышеупомянутых проблем и/или недостатков и обеспечение по меньшей мере преимуществ, описанных ниже.One aspect of the present invention is to solve the aforementioned problems and/or disadvantages and provide at least the advantages described below.
Соответственно, в одном аспекте настоящее изобретение относится к гребному винту, содержащему: ступицу, имеющую центральную ось, одну или несколько лопастей, имеющих длину лопасти с проксимальным концом, прикрепленным к ступице, и дистальным концом, протяженным радиально наружу от ступицы, при этом гребной винт имеет диаметр от 360 до 400 мм, в котором совокупность диаметра, угла наклона, угла перекоса, количества лопастей гребного винта обеспечивает необходимую тягу и создает низкий уровень шума. Другие аспекты, преимущества и характерные признаки изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из следующего подробного описания, которое вместе с прилагаемыми чертежами раскрывает примеры вариантов осуществления изобретения.Accordingly, in one aspect, the present invention relates to a propeller comprising: a hub having a central axis, one or more blades having a blade length with a proximal end attached to the hub and a distal end extending radially outward from the hub, wherein the propeller has a diameter of 360 to 400 mm, in which the combination of diameter, angle of inclination, skew angle, number of propeller blades provides the necessary thrust and creates a low noise level. Other aspects, advantages and features of the invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description which, together with the accompanying drawings, discloses exemplary embodiments of the invention.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Вышеупомянутые и другие аспекты, признаки и преимущества некоторых примеров вариантов осуществления настоящего изобретения станут более очевидными из следующего описания, взятого в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:The above and other aspects, features and advantages of some exemplary embodiments of the present invention will become more apparent from the following description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
фиг. 1 показывает твердотельную модель гребного винта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 1 shows a solid model of a propeller according to one embodiment of the present invention,
фиг. 2 показывает гребной винт в разрезе согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 2 shows a sectional propeller according to one embodiment of the present invention,
фиг. 3 показывает радиус, толщину, перекос и угол наклона гребного винта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 3 shows the radius, thickness, skew, and pitch of a propeller according to one embodiment of the present invention,
фиг. 4 показывает гребной винт, испытываемый в кавитационной трубе, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения,fig. 4 shows a propeller being tested in a cavitation tube, in accordance with one embodiment of the present invention,
фиг. 5 показывает твердотельную модель малошумного гребного винта (6 лопастей, угол наклона +5 градусов) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 5 shows a solid model of a low noise propeller (6 blades, +5 degrees angle) according to one embodiment of the present invention,
фиг. 6 показывает график основных эффектов для средних значений в методе Тагучи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 6 shows a plot of main effects for averages in the Taguchi method according to one embodiment of the present invention,
фиг. 7 показывает график оптимизатора отклика для методологии поверхности отклика согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 7 shows a response optimizer plot for a response surface methodology according to one embodiment of the present invention,
фиг. 8 показывает твердотельная модель 6-лопастного гребного винта диаметром 365 мм (оптимизированный гребной винт) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,fig. 8 shows a solid model of a 365 mm diameter 6-blade propeller (optimized propeller) according to one embodiment of the present invention,
фиг. 9 показывает интерполированные данные в системе нечеткой логики согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.fig. 9 shows interpolated data in a fuzzy logic system according to one embodiment of the present invention.
фиг. 10 показывает экстраполированные данные в системе нечеткой логики согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.fig. 10 shows extrapolated data in a fuzzy logic system according to one embodiment of the present invention.
Специалистам в данной области техники понятно, что элементы на фигурах проиллюстрированы для простоты и ясности и, возможно, не выполнены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на Фигуре могут быть преувеличены по сравнению с другими элементами, чтобы способствовать лучшему пониманию разных примерных вариантов осуществления настоящего раскрытия.Those skilled in the art will appreciate that elements in the figures are illustrated for simplicity and clarity and may not be drawn to scale. For example, the dimensions of some elements in the Figure may be exaggerated in comparison to other elements in order to facilitate a better understanding of various exemplary embodiments of the present disclosure.
На всех чертежах следует отметить, что одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одних и тех же или подобных элементов, признаков и конструкций.Throughout the drawings, it should be noted that the same reference numbers are used to refer to the same or similar elements, features and structures.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Следующее описание со ссылкой на прилагаемые графики/чертежи приведено для помощи в полном понимании иллюстративных вариантов осуществления изобретения, определенных пунктами формулы изобретения и их эквивалентами. Оно включает в себя разные конкретные детали, чтобы помочь в этом понимании, но их следует рассматривать только как пример. Соответственно, специалистам в данной области техники будет понятно, что разные изменения и модификации описанных здесь вариантов осуществления могут быть сделаны без отклонения от объема и сущности изобретения. Кроме того, описания известных функций и конструкций опущены для ясности и краткости.The following description, with reference to the accompanying graphics/drawings, is provided to assist in a full understanding of the illustrative embodiments of the invention as defined by the claims and their equivalents. It includes various specific details to help in this understanding, but they should be considered as an example only. Accordingly, those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications to the embodiments described herein may be made without departing from the scope and spirit of the invention. In addition, descriptions of known functions and constructions are omitted for clarity and brevity.
Термины и слова, используемые в нижеследующем описании и формуле изобретения, не ограничиваются библиографическими сведениями, а используются изобретателем только для обеспечения ясного и последовательного понимания изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что последующее описание иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения приведено только в целях иллюстрации, а не в целях ограничения изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.The terms and words used in the following description and claims are not limited to bibliographical information, but are used by the inventor only to provide a clear and consistent understanding of the invention. Accordingly, it will be apparent to those skilled in the art that the following description of exemplary embodiments of the present invention is for purposes of illustration only and not for purposes of limiting the invention as defined by the appended claims and their equivalents.
Необходимо понимать, что формы единственного числа “a”, “an” и “the” включают референты во множественном числе, если контекст явно не диктует иное. Таким образом, например, ссылка на “поверхность компонента” включает в себя ссылку на одну или несколько таких поверхностей.It is to be understood that the singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. Thus, for example, a reference to a “component surface” includes a reference to one or more such surfaces.
Под термином “по существу” подразумевается, что указанная характеристика, параметр или значение не обязательно должны быть достигнуты точно, но что отклонения или вариации, включая, например, допуски, погрешность измерения, ограничения точности измерения и другие факторы, известные специалистам в данной области техники может встречаться в количествах, которые не исключают эффекта, который должна была обеспечить данная характеристика.By "substantially" is meant that the specified characteristic, parameter or value need not be achieved exactly, but that deviations or variations, including, for example, tolerances, measurement error, measurement accuracy limitations, and other factors known to those skilled in the art may occur in amounts that do not preclude the effect that the characteristic was intended to provide.
Фигуры, обсуждаемые ниже, и разные варианты осуществления, используемые для описания принципов настоящего раскрытия изобретения в этом патентном документе, приведены только в качестве иллюстрации и не должны толковаться каким-либо образом, ограничивающим объем раскрытия. Специалистам в данной области техники будет понятно, что принципы настоящего раскрытия изобретения могут быть реализованы в любой соответствующим образом организованной системе. Термины, используемые для описания разных вариантов осуществления, являются типичными. Необходимо понимать, что они предоставлены только для облегчения понимания описания, и что их использование и определения никоим образом не ограничивают объем изобретения. Термины “первый”, “второй” и т.п. используются для различения объектов, имеющих одинаковую терминологию, и никоим образом не предназначены для представления хронологического порядка, если только явно не указано иное. Множество определяется как непустое множество, включающее хотя бы один элемент.The figures discussed below and the various embodiments used to describe the principles of the present disclosure in this patent document are for illustrative purposes only and should not be construed in any way limiting the scope of the disclosure. Those skilled in the art will appreciate that the principles of the present disclosure may be implemented in any suitably organized system. The terms used to describe the various embodiments are typical. It is to be understood that they are provided only to facilitate understanding of the description, and that their use and definitions do not in any way limit the scope of the invention. The terms “first”, “second”, etc. are used to distinguish between entities that have the same terminology and are in no way intended to represent chronological order unless explicitly stated otherwise. A set is defined as a non-empty set containing at least one element.
Настоящее изобретение сосредоточено на шуме гребного винта, его количественной оценке и минимизации. Как правило, шум гребного винта зависит от таких параметров, как количество лопастей, угол наклона, угол перекоса, толщина лопасти, площадь лопасти и диаметр гребного винта. Настоящее изобретение оптимизирует определенные параметры конструкции гребного винта (главным образом угол наклона и количество лопастей гребного винта) для снижения уровня шума. Хотя гребной винт создает необходимую тягу для движения вперед, он также создает шум из-за взаимодействия с структурой текучей среды.The present invention focuses on propeller noise, its quantification and minimization. Generally, propeller noise is dependent on parameters such as number of blades, pitch angle, skew angle, blade thickness, blade area, and propeller diameter. The present invention optimizes certain propeller design parameters (primarily the angle of inclination and the number of propeller blades) to reduce noise levels. While the propeller provides the necessary thrust to move forward, it also generates noise due to interaction with the fluid structure.
Как правило, уровень шума увеличивается с увеличением количества оборотов гребного винта, а также с увеличением скорости потока. Уровни шума оценивают/прогнозируют либо с помощью основных уравнений гидродинамики, либо путем расчетов с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). Эту оценка может быть измерена экспериментально. Однако проводить эксперименты для всех возможных конфигураций дорого и долго.As a rule, the noise level increases with the number of propeller revolutions, as well as with the increase in the flow rate. Noise levels are estimated/predicted either by basic fluid dynamics equations or by computational fluid dynamics (CFD) calculations. This estimate can be measured experimentally. However, it is expensive and time consuming to conduct experiments for all possible configurations.
Мощность движителя передается на гребной винт через вал гребного винта, который, в свою очередь, крепят к ступице гребного винта. Затем на гребном винте создают крутящий момент, который вращает гребной винт вокруг своей оси, так что создается тяга, перемещающая транспортное средство вперед. Из-за разницы давлений между входом и выходом лопастей происходит обмен импульсом между лопастями и текучей средой, окружающей гребной винт. Таким образом, механическая энергия гребного винта преобразуется в энергию статического состояния и кинетическую энергию текучей среды.Propulsion power is transmitted to the propeller through the propeller shaft, which, in turn, is attached to the propeller hub. A torque is then applied to the propeller which rotates the propeller around its axis so that thrust is generated to move the vehicle forward. Due to the pressure difference between the inlet and outlet of the blades, there is an exchange of momentum between the blades and the fluid surrounding the propeller. Thus, the mechanical energy of the propeller is converted into the energy of the static state and the kinetic energy of the fluid.
Как правило, шум гребного винта зависит от таких параметров, как количество лопастей, угол наклона, угол перекоса, толщина лопасти, площадь лопасти, диаметр гребного винта и т. д. Большинство параметров гребного винта влияют на уровень шума.In general, propeller noise is dependent on parameters such as number of blades, pitch angle, skew angle, blade thickness, blade area, propeller diameter, etc. Most propeller parameters affect the noise level.
На фиг. 1 показана твердотельная модель гребного винта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.In FIG. 1 shows a solid model of a propeller according to one embodiment of the present invention.
На этой фигуре показана твердотельная модель гребного винта. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к гребному винту, содержащему: ступицу, имеющую центральную ось, одну или несколько лопастей, имеющих длину лопасти с проксимальным концом, прикрепленным к ступице, и дистальным концом, протяженным радиально наружу от ступицы, гребной винт имеет диаметр от 360 до 400 мм, при этом совокупность диаметра, угла наклона, угла перекоса, количества лопастей гребного винта обеспечивает необходимую тягу и создает низкий уровень шума.This figure shows a solid propeller model. In one embodiment, the present invention relates to a propeller comprising: a hub having a central axis, one or more blades having a blade length with a proximal end attached to the hub and a distal end extending radially outward from the hub, the propeller having a diameter of 360 to 400 mm, while the combination of diameter, angle of inclination, skew angle, number of propeller blades provides the necessary thrust and creates a low noise level.
На фиг. 2 показан гребной винт в разрезе, на фиг. 3 - геометрические параметры: радиус, толщину, угол перекоса и наклон гребного винта.In FIG. 2 shows a propeller in section, Fig. 3 - geometric parameters: radius, thickness, skew angle and inclination of the propeller.
Основные параметры, влияющие на шум гребного винтаMain Parameters Affecting Propeller Noise
Существует несколько параметров, так или иначе влияющих на шум гребного винта. Краткое описание двух основных параметров, влияющих на шум гребного винта, представлено в следующем разделе.There are several parameters that affect propeller noise in one way or another. A brief description of the two main parameters that affect propeller noise is provided in the next section.
Количество лопастейNumber of blades
Как правило, гребной винт содержит несколько лопастей. Гребной винт в основном зависит от уровня действующих на него нестационарных сил. Оптимальный КПД гребного винта на открытой воде увеличивается с увеличением количества лопастей до определенного предела. Поэтому по существу требуется доработать оптимальное количество лопастей. Меньшее количество лопастей выбирают из-за меньшего сопротивления, но рекомендуется больший диаметр, чтобы получить необходимую площадь лопастей для эффективной тяги. Большее количество лопастей, обычно 5 или более, целесообразно из-за большей площади лопастей при меньшем диаметре. Кроме того, близкие друг к другу лопасти создают большую турбулентность, чем открытые лопасти, что автоматически компенсирует поток воды друг друга. Как правило, более высокие лопасти также используют для уменьшения вибрации, возникающей из-за изменения давления, которое создает толчок. Более высокие вибрации приводят к более высокому уровню шума. В настоящем изобретении к ступице гребного винта прикреплено от четырех до семи лопастей. В варианте осуществления количество лопастей гребного винта составляет около 6. Лопасти гребного винта имеют диаметр в пределах примерно 350-400 мм и длину примерно 130-145 мм. В варианте осуществления диаметр и длина лопасти гребного винта составляют примерно 389 мм (диаметр) и длина примерно 137,5 мм. Толщина лопасти гребного винта находится в диапазоне примерно от 8,69 до 0,33 мм, а отношение площадей лопасти гребного винта находится в диапазоне примерно 0,70-0,90, где в варианте осуществления отношение площадей лопастей гребного винта находится в диапазоне примерно 0,78.As a rule, the propeller contains several blades. The propeller mainly depends on the level of non-stationary forces acting on it. The optimum efficiency of a propeller in open water increases with an increase in the number of blades up to a certain limit. Therefore, in essence, it is required to refine the optimal number of blades. Fewer blades are chosen due to less drag, but a larger diameter is recommended to obtain the required blade area for efficient thrust. A larger number of blades, typically 5 or more, is desirable due to the larger blade area in a smaller diameter. In addition, blades that are close together create more turbulence than open blades, which automatically compensate for each other's water flow. Typically, taller vanes are also used to reduce vibration due to pressure changes that create shock. Higher vibrations result in higher noise levels. In the present invention, four to seven blades are attached to the propeller hub. In an embodiment, the number of propeller blades is about 6. The propeller blades have a diameter in the range of about 350-400 mm and a length of about 130-145 mm. In an embodiment, the propeller blade diameter and length are about 389 mm (diameter) and about 137.5 mm long. The propeller blade thickness is in the range of about 8.69 to 0.33 mm and the propeller blade area ratio is in the range of about 0.70-0.90, where in an embodiment the propeller blade area ratio is in the range of about 0 .78.
Ступица гребного винта соединена с валом гребного винта, при этом гребной вал передает мощность движения на ступицу гребного винта и создается крутящий момент, который вращает гребной винт вокруг своей оси, таким образом создается тяга, которая перемещает транспортное средство в прямом направлении.The propeller hub is connected to the propeller shaft, whereby the propeller shaft transmits propulsion power to the propeller hub and a torque is generated that rotates the propeller around its axis, thus creating thrust that moves the vehicle in the forward direction.
Угол наклонаTilt angle
Уровень шума гребного винта также зависит от угла наклона гребного винта. Угол наклона не является ни большим, ни низким, но он должен быть оптимальным в зависимости от оборотов, чтобы избежать повышенного уровня шума. Существуют разные разновидности гребных винтов с переменным углом наклона, рассчитанные на низкий уровень шума. Гребной винт с регулируемым углом наклона (CPP) или гребной винт с изменяемым углом наклона представляет собой тип гребного винта, в котором угол наклона гребного винта изменяется в соответствии с требованиями к скорости потока.The noise level of the propeller also depends on the angle of the propeller. The lean angle is neither high nor low, but it must be optimal depending on the rpm to avoid increased noise levels. There are different varieties of variable angle propellers designed for low noise levels. A control-pitch propeller (CPP) or variable-pitch propeller is a type of propeller in which the angle of the propeller changes according to flow rate requirements.
В настоящем изобретении исследуются изменения угла наклона и количества лопастей, а также изменение шума гребного винта. Кроме того, проводятся дополнительные исследования и анализ характеристик гребного винта. В этих исследованиях также занимаются разработкой модели нечеткой логики для прогнозирования шума гребного винта путем интерполяции (между) и экстраполяции (за пределами) входных параметров с доступными данными. Гребной винт имеет угол наклона примерно от +46° до +29°, в отдельных случаях +5°, +10°, -5°, -10° существующего угла наклона, а количество лопастей гребного винта находится в диапазоне от 5 до 7, в конкретных случаях шести лопастей.The present invention investigates changes in pitch angle and number of blades, as well as changes in propeller noise. In addition, additional research and analysis of the characteristics of the propeller is being carried out. These studies are also developing a fuzzy logic model to predict propeller noise by interpolating (between) and extrapolating (outside) input parameters with available data. The propeller has an inclination angle of approximately +46° to +29°, in some cases +5°, +10°, -5°, -10° of the existing angle of inclination, and the number of propeller blades is in the range from 5 to 7, in specific cases, six blades.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу прогнозирования шума гребного винта. Способ включает в себя этапы, на которых прогнозируют некавитационный шум по меньшей мере одной конфигурации гребного винта посредством CFD-анализа, измеряют шум гребного винта по меньшей мере одной конфигурации гребного винта с использованием кавитационной трубы и анализируют влияние параметров конструкции гребного винта (количество лопастей, угол наклона) с использованием методов Тагучи и RSM по меньшей мере конфигурации гребного винта. Этапы способа повторяются для разных конфигураций (изменяющихся параметров гребного винта) гребного винта.In another embodiment, the present invention relates to a propeller noise prediction method. The method includes the steps of predicting non-cavitational noise of at least one propeller configuration by CFD analysis, measuring the propeller noise of at least one propeller configuration using a cavitation tube, and analyzing the effect of propeller design parameters (number of blades, angle tilt) using the Taguchi and RSM methods at least the propeller configuration. The steps of the method are repeated for different configurations (changing propeller parameters) of the propeller.
Прогноз шума гребного винта осуществляют с помощью CFD и акустического анализа. Для того же гребного винта измерения шума проводят в кавитационной трубе и подтверждают экспериментально измеренный шум. Используя тот же способ прогнозирования, оценки шума производят с разным углом наклона (от -10° до +10° с изменением на 5° существующего гребного винта) и количеством лопастей (5, 6 и 7). Из эксперимента следует, что гребной винт с 6 лопастями и углом наклона +5 град обеспечивает наименьший шум среди исследованных конфигураций при большей тяге и крутящем моменте, чем требуется.Propeller noise prediction is performed using CFD and acoustic analysis. For the same propeller, noise measurements are made in the cavitation tube and confirm the experimentally measured noise. Using the same prediction method, noise estimates are made with different pitch angles (from -10° to +10° with a 5° change to the existing propeller) and number of blades (5, 6 and 7). It follows from the experiment that a propeller with 6 blades and an angle of inclination of +5 degrees provides the least noise among the studied configurations with more thrust and torque than required.
Прогноз шума гребного винтаPropeller Noise Prediction
В настоящем изобретении шум некавитационного подводного гребного винта оценивают аналитически с использованием вычислительных гидродинамических моделей (CFD). Твердотельную модель создают для морского гребного винта, и выполняют CFD-анализ с использованием моделирования больших вихрей для определения выходных значений давления. Усилие и крутящий момент также можно найти в анализе CFD. Выходные данные анализа CFD используют для проведения акустического анализа с использованием уравнения FW-H для определения уровней звукового давления. Предполагаемая цель настоящего изобретения достигается путем проведения анализа гребного винта, состоящего из шести лопастей.In the present invention, the noise of a non-cavitating subsea propeller is estimated analytically using computational fluid dynamics (CFD) models. A solid model is created for a marine propeller and a CFD analysis is performed using large eddy simulation to determine the pressure outputs. Force and torque can also be found in the CFD analysis. The output of the CFD analysis is used to perform acoustic analysis using the FW-H equation to determine sound pressure levels. The intended purpose of the present invention is achieved by analyzing a six-bladed propeller.
Экспериментальное измерение шума гребного винтаExperimental measurement of propeller noise
В настоящем изобретении шум гребного винта измеряют экспериментально с использованием системы акустических измерений в кавитационной трубе. Эксперимент проводят на 6-лопастном гребном винте и оценивают некавитационный шум гребного винта для той же скорости и скорости потока конфигурации гребного винта, которую использовали для прогнозирования. На фиг. 4 показан гребной винт, испытываемый в кавитационной трубе, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Предсказанные результаты подтверждены экспериментальными результатами, и это проложило путь для проведения дальнейших исследований по снижению шума гребного винта.In the present invention, propeller noise is measured experimentally using a cavitation tube acoustic measurement system. The experiment is run on a 6-bladed propeller and the propeller non-cavitational noise is evaluated for the same speed and flow rate of the propeller configuration used for prediction. In FIG. 4 shows a propeller being tested in a cavitation tube, in accordance with one embodiment of the present invention. The predicted results are confirmed by the experimental results and this has paved the way for further research into propeller noise reduction.
Снижение шума гребного винтаPropeller Noise Reduction
Шум гребного винта может быть уменьшен разными методами, одним из которых является геометрическая модификация. В настоящем изобретении модификации геометрии гребного винта осуществляю путем изменения угла наклона и количества лопастей гребного винта. Влияние изменения угла наклона и количества лопастей на шум гребного винта анализируют с помощью CFD и акустического анализа. На фиг. 5 показана твердотельная модель малошумного гребного винта (6 лопастей, угол наклона +5 градусов, диаметр 389 мм) из всех изученных вариантов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.Propeller noise can be reduced by various methods, one of which is geometric modification. In the present invention, modifications to the geometry of the propeller are carried out by changing the angle of inclination and the number of propeller blades. The effect of changing the angle of inclination and the number of blades on the noise of the propeller is analyzed using CFD and acoustic analysis. In FIG. 5 shows a solid model of a low noise propeller (6 blades, +5 degrees angle, 389 mm diameter) of all studied embodiments according to one embodiment of the present invention.
Используя экспериментальную конструкцию Тагучи, угол наклона и количество лопастей гребного винта используют в качестве входных параметров, а шум гребного винта используют в качестве выходного параметра. Оптимизированная совокупность влияющих параметров получено для оптимизированного шума гребного винта. Эта полученная оптимизированная совокупность влияющих параметров хорошо согласуется с параметрами предсказанного оптимизированного шума гребного винта. На фиг. 6 показан график основных эффектов для средних в методе Тагучи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.Using Taguchi's experimental design, the angle of inclination and the number of propeller blades are used as input parameters, and propeller noise is used as the output parameter. An optimized set of influencing parameters is obtained for an optimized propeller noise. This resulting optimized set of influencing parameters agrees well with the parameters of the predicted optimized propeller noise. In FIG. 6 is a graph of the main effects for Taguchi means according to one embodiment of the present invention.
В Методологии Поверхности Отклика (RSM) оптимизированный шум гребного винта получают после анализа оптимизированных входных параметров, таких как количество лопастей и угол наклона. На фиг. 7 показан график оптимизатора отклика для Методологии Поверхности Отклика согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.In Response Surface Methodology (RSM), the optimized propeller noise is obtained after analyzing optimized input parameters such as number of blades and angle of inclination. In FIG. 7 shows a plot of a response optimizer for a Response Surface Methodology according to one embodiment of the present invention.
Однако, поскольку основной функцией гребного винта для скомпонованного транспортного средства является создание требуемой тяги и крутящего момента, для этого же проверяют малошумный гребной винт. Поскольку анализ показал, что тяга и крутящий момент малошумного гребного винта выше требуемых, диаметр гребного винта рассчитывают для поддержания необходимой тяги и крутящего момента. Для этого гребного винта шум вычисляют снова с использованием CFD и акустического анализа. На фиг. 8 показана твердотельная модель оптимизированного гребного винта (6 лопастей, угол наклона +5 градусов с уменьшенным диаметром 365 мм) в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Таким образом, в данном изобретении достигается оптимальная конструкция гребного винта с меньшим уровнем шума и требуемой тягой.However, since the main function of the propeller for the assembled vehicle is to generate the required thrust and torque, a low-noise propeller is also tested for this. Since the analysis showed that the thrust and torque of the low-noise propeller are higher than required, the propeller diameter is calculated to maintain the required thrust and torque. For this propeller, the noise is calculated again using CFD and acoustic analysis. In FIG. 8 shows a solid model of an optimized propeller (6 blades, +5 degrees pitch with a reduced diameter of 365 mm) in accordance with one embodiment of the present invention. Thus, in this invention, an optimal design of the propeller with a lower noise level and the required thrust is achieved.
Разработка модели нечеткой логикиDevelopment of a fuzzy logic model
Методология прогнозирования шума морского гребного винта громоздка и требует много времени. В настоящем изобретении представлена методология, основанная на модели нечеткой логики, для сокращения времени прогнозирования шума при изменении параметров конструкции.The methodology for predicting marine propeller noise is cumbersome and time consuming. The present invention provides a methodology based on a fuzzy logic model for reducing noise prediction time when changing design parameters.
Используя систему нечеткой логики, шум гребного винта для интерполяции (между) и экстраполяции (за пределами) входных параметров определяют с помощью доступных данных. Создана и разработана методология прогнозирования шума гребного винта с использованием нечеткой логики. На фиг. 9 показан интерполированный шум гребного винта для любого угла наклона и любого количества лопастей в заданном диапазоне входных параметров. На фиг. 10 показан экстраполированный шум гребного винта для любого угла наклона и любого количества лопастей за пределами заданного диапазона входных параметров.Using a fuzzy logic system, the propeller noise for interpolation (between) and extrapolation (outside) of the input parameters is determined using the available data. A methodology for propeller noise prediction using fuzzy logic has been created and developed. In FIG. 9 shows the interpolated propeller noise for any angle of inclination and any number of blades over a given range of input parameters. In FIG. 10 shows the extrapolated propeller noise for any angle of inclination and any number of blades outside the specified input range.
Настоящее изобретение имеет своей целью снижение шума некавитационного гребного винта. Настоящее изобретение было осуществлено на разных этапах. На первом этапе было изучено прогнозирование шума, создаваемого некавитационным гребным винтом. В этой методологии метод моделирования больших вихрей использовали в анализе CFD, а метод FWH использовали в акустическом анализе. На втором этапе уровни шума гребного винта были экспериментально измерены в кавитационной трубе. Теоретическая модель была подтверждена экспериментальными результатами. Уровни шума, полученные экспериментально и с помощью теоретической модели, находятся в хорошем соответствии. Это подтверждает установление теоретической модели для прогнозирования шума.The present invention aims to reduce the noise of a non-cavitational propeller. The present invention has been carried out at various stages. At the first stage, the prediction of noise generated by a non-cavitating propeller was studied. In this methodology, the large eddy simulation method was used in the CFD analysis and the FWH method was used in the acoustic analysis. At the second stage, propeller noise levels were experimentally measured in the cavitation tube. The theoretical model was confirmed by experimental results. The noise levels obtained experimentally and with the theoretical model are in good agreement. This confirms the establishment of a theoretical model for noise prediction.
На третьем этапе было изучено влияние параметров конструкции гребного винта, а именно угла наклона и количества лопастей. С этой целью были проведены прогнозы для пятнадцати разных конфигураций гребного винта. Было обнаружено, что в настоящем изобретении гребной винт с 6 лопастями и углом наклона +5 градусов создает самый низкий уровень шума. То же самое было проверено при планировании экспериментов с использованием методов Тагучи и RSM. Этот гребной винт с 6 лопастями и углом наклона +5 градусов был дополнительно проанализирован на тягу и крутящий момент. Конфигурация была изменена за счет уменьшения диаметра гребного винта, чтобы настроить тягу и крутящий момент до исходного заданного уровня. Теоретический прогноз был выполнен для измененной конструкции гребного винта, что привело к дальнейшему снижению уровня шума. Имея данные об изученных конфигурациях гребных винтов, интерполяция и экстраполяция шума гребных винтов были выполнены с использованием нечеткой логики. Был предложен жизнеспособный подход к снижению уровня шума морского гребного винта путем точной настройки параметров конструкции для удовлетворения требований низкого уровня шума.At the third stage, the influence of the design parameters of the propeller, namely the angle of inclination and the number of blades, was studied. For this purpose, forecasts were made for fifteen different propeller configurations. In the present invention, the propeller with 6 blades and +5 degrees of inclination was found to produce the lowest noise level. The same was verified when designing experiments using the Taguchi and RSM methods. This 6-
Фигуры являются просто репрезентативными и не нарисованы в масштабе. Некоторые их части могут быть преувеличены, в то время как другие могут быть сведены к минимуму. На фигурах проиллюстрированы разные варианты осуществления изобретения, которые могут быть понятны и должным образом осуществлены специалистами в данной области техники.The figures are merely representative and are not drawn to scale. Some parts of them may be exaggerated, while others may be minimized. The figures illustrate various embodiments of the invention, which can be understood and properly carried out by experts in this field of technology.
В приведенном выше подробном описании вариантов осуществления изобретения разные признаки сгруппированы вместе в одном варианте осуществления с целью рационализации раскрытия. Это устройство, узел или схема раскрытия не должны быть интерпретированы как отражающие намерение, согласно которому заявленные варианты осуществления изобретения требуют большего количества признаков, чем прямо указано в каждой формуле изобретения. Скорее, как отражает следующая формула изобретения, объект изобретения заключается не во всех признаках одного раскрытого варианта осуществления. Таким образом, нижеследующая формула изобретения настоящим включена в подробное описание вариантов осуществления изобретения, при этом каждый пункт формулы изобретения представляет отдельный вариант осуществления.In the above detailed description of the embodiments of the invention, various features are grouped together in one embodiment for the purpose of streamlining the disclosure. This device, assembly, or disclosure scheme should not be interpreted as reflecting the intent that the claimed embodiments of the invention require more features than are expressly stated in each claims. Rather, as the following claims reflect, the subject matter of the invention lies not in all features of one disclosed embodiment. Thus, the following claims are hereby incorporated into the detailed description of the embodiments of the invention, with each claim representing a separate embodiment.
Понятно, что приведенное выше описание носит иллюстративный, а не ограничительный характер. Он предназначен для охвата всех альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые могут быть включены в сущность и объем изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения. Многие другие варианты осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники после ознакомления с вышеприведенным описанием. Таким образом, объем изобретения должен быть определен со ссылкой на прилагаемую формулу изобретения вместе с полным объемом эквивалентов, на которые распространяется такая формула изобретения. В прилагаемой формуле изобретения термины “включающий” и “в котором” используются как простые английские эквиваленты соответствующих терминов “содержащий” и “в котором” соответственно.It is understood that the above description is illustrative and not restrictive. It is intended to cover all alternatives, modifications and equivalents that may be included within the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. Many other embodiments will be apparent to those skilled in the art upon reading the above description. Thus, the scope of the invention must be defined with reference to the appended claims, together with the full scope of the equivalents to which such claims fall. In the appended claims, the terms "comprising" and "in which" are used as the plain English equivalents of the respective terms "comprising" and "in which", respectively.
Claims (15)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IN201911034767 | 2019-08-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2791969C1 true RU2791969C1 (en) | 2023-03-15 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2390464C2 (en) * | 2005-04-20 | 2010-05-27 | Роллс-Ройс Актиеболаг | Ship propulsing and steering device |
| EP1953083B1 (en) * | 2005-11-01 | 2013-09-18 | Kabushiki Kaisha Bellsion | Quiet propeller |
| RU2540684C1 (en) * | 2013-07-17 | 2015-02-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Icebreaker propeller screw blade |
| CN104417738A (en) * | 2013-08-19 | 2015-03-18 | 中国人民解放军海军工程大学 | Novel low-noise highly-skewed ducted propeller |
| WO2018033656A1 (en) * | 2016-08-16 | 2018-02-22 | Técnicas Y Servicios De Ingenieria, S.L. | Non-intrusive device and method for detecting cavitation in a ship |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2390464C2 (en) * | 2005-04-20 | 2010-05-27 | Роллс-Ройс Актиеболаг | Ship propulsing and steering device |
| EP1953083B1 (en) * | 2005-11-01 | 2013-09-18 | Kabushiki Kaisha Bellsion | Quiet propeller |
| RU2540684C1 (en) * | 2013-07-17 | 2015-02-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Icebreaker propeller screw blade |
| CN104417738A (en) * | 2013-08-19 | 2015-03-18 | 中国人民解放军海军工程大学 | Novel low-noise highly-skewed ducted propeller |
| WO2018033656A1 (en) * | 2016-08-16 | 2018-02-22 | Técnicas Y Servicios De Ingenieria, S.L. | Non-intrusive device and method for detecting cavitation in a ship |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gaggero | Numerical design of a RIM-driven thruster using a RANS-based optimization approach | |
| Seol et al. | Prediction of non-cavitating underwater propeller noise | |
| Yu et al. | Propulsion performance and unsteady forces of a pump-jet propulsor with different pre-swirl stator parameters | |
| CN105474216B (en) | The method modeled for the propeller blade to blunt form | |
| Gaggero et al. | Propeller modeling approaches for off–design operative conditions | |
| Rijpkema et al. | Viscous flow computations on propulsors: verification, validation and scale effects | |
| Razaghian et al. | Investigating the effect of geometric parameters on hydrodynamic and hydro-acoustic performances of submerged propellers | |
| Xing-Kaeding et al. | ESD design and analysis for a validation bulk carrier | |
| Zhang et al. | Excitation force on a pump-jet propeller: The effect of the blade number | |
| US20220289352A1 (en) | A marine propeller | |
| RU2791969C1 (en) | Ship's propeller | |
| Jiang et al. | Assessment of RANS and DES turbulence models for the underwater vehicle wake flow field and propeller excitation force | |
| Stark et al. | The influence of leading-edge tubercles on the sheet cavitation development of a benchmark marine propeller | |
| Yang et al. | Numerical prediction of the fluctuating noise source of waterjet in full scale | |
| Gaggero et al. | Design and analysis of pumpjet propulsors using CFD-based optimization | |
| Yurtseven et al. | The numerical investigation of spindle torque for a controllable pitch propeller in feathering maneuver | |
| Sbragio et al. | Design and CFD self-propulsion analysis of a ducted propeller for a DARPA SUBOFF hull autonomous underwater vehicle | |
| Kim et al. | Hydrodynamic optimization of energy saving devices in full scale | |
| Ramakrishna et al. | Study of sweep and induced dihedral effects in subsonic axial flow compressor passages—part I: design considerations—changes in incidence, deflection, and streamline curvature | |
| Asif et al. | A Contribution to the Design and Numerical Evaluation of Unconventional Tip-Rake Propeller | |
| Taskar et al. | Analysis of propulsion performance of KVLCC2 in waves | |
| Lloyd et al. | Progress in the prediction and mitigation of propeller cavitation noise and vibrations | |
| Prasad Sanaka et al. | Hydrodynamic Performance and Acoustic Response of Ship Propeller | |
| Hadipour et al. | Hydrodynamic analysis of noise propagation by the high skew marine propeller working in non-uniform inflow | |
| Jonson et al. | Influence of blade solidity on marine hydrokinetic turbines |