TWI515147B - 擴散型端板螺槳 - Google Patents

Description

擴散型端板螺槳

本發明是有關於一種螺槳，且特別是有關於一種擴散型端板螺槳。

目前的船舶大多是以螺槳帶動流體來產生航行的動力，具體而言，當螺槳葉片旋轉時，會造成螺槳葉片的高壓面與低壓面之間存在一壓力差，而此壓力差即形成一推進力，以使船舶於水面上前進。

在現有的端板螺槳的設計之中，較為常見的是無翼尖渦漩(tip vortex free,TVF)螺槳以及收縮負載翼尖(contracted loaded tip,CLT)螺槳。無翼尖渦漩螺槳的端板切向於螺槳葉尖的圓柱面，也就是說，當螺槳轉動時，端板形成了此圓柱面的一部分，以降低端板的黏性阻力。然而，當流體通過一般螺槳時，會在葉尖尾跡流產生收縮的現象。因此，後續研究者進一步將端板設計成收縮形狀，亦即端板的導緣半徑大於艉緣半徑的收縮負載翼尖螺槳。值得注意的是，無論是無翼尖渦漩螺槳或收縮負載翼尖螺槳均能有效阻止螺槳葉片高壓面的流體流向低壓面，從而有效維 持葉尖的負載以及抑制翼尖渦漩的強度。據此，上述的無翼尖渦漩螺槳以及收縮負載翼尖螺槳所產生的推力，有相當大的比例是由其葉片的高壓面所提供，從而降低螺槳的低壓面產生空泡的情形。

然而，實務上卻發現收縮負載翼尖螺槳於均勻入流狀況下轉動時，無論其螺槳葉片轉動至任何周向位置，端板外側均會產生片狀的空化現象(cavitation)，造成端板的阻力升高以及螺槳的推進效率下滑，從而引發額外的船體振動與噪音的可能性，如此對於低振動與噪音的船舶設計需求是相當不利的。更為不利的是，若將收縮型端板螺槳應用於斜軸設計的船體例如是快艇，處於斜軸入流狀況下的收縮型端板螺槳，當葉片轉至正上方處會於端板處產生更嚴重的空化現象。

本發明提供一種擴散型端板螺槳，可大幅改善或消除螺槳葉片於斜軸入流的狀況下轉動至任何角度時端板所產生片狀空泡的現象。

本發明提供一種擴散型端板螺槳，用以驅動船體。此擴散型端板螺槳包括螺轂以及多個葉片。螺轂用以連接船體的一傳動軸。每個葉片分別具有相連的葉片本體及端板。每個葉片本體連接螺轂且朝遠離螺轂的方向延伸至對應的端板。每個端板自對應的葉片本體轉折朝向船體的船艉方向延伸。每個端板具有導緣 及艉緣。每個導緣與螺轂的一軸線保持一第一距離。每個艉緣與螺轂的軸線保持一第二距離。第一距離小於第二距離。

在本發明的一實施例中，上述的擴散型端板螺槳用以驅動船體朝一航行方向前進，而螺轂的軸線不平行於此航行方向。

在本發明的一實施例中，上述的葉片以放射狀設置於螺轂上。

在本發明的一實施例中，上述的擴散型端板螺槳為一體成型。

在本發明的一實施例中，上述的擴散型端板螺槳旋轉時，導緣的旋轉軌跡構成一圓柱面，各個端板與各個導緣形成的圓柱面具有一負的攻角

在本發明的一實施例中，上述的攻角為負1度。

基於上述，由於本發明的端板螺槳為一擴散型端板螺槳，簡言之，此擴散型端板螺槳旋轉時，不會在端板產生片狀空泡，從而提升端板螺槳的推進效率及降低振動與噪音的優點。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

20‧‧‧船體

22‧‧‧傳動軸

24‧‧‧船艉

100‧‧‧擴散型端板螺槳

110‧‧‧螺轂

120‧‧‧葉片

122‧‧‧葉片本體

124‧‧‧端板

124a‧‧‧導緣

124b‧‧‧艉緣

124c‧‧‧端板內表面

124d‧‧‧端板外表面

220‧‧‧圓柱端板

A2‧‧‧航行方向

C1‧‧‧第一切面

C2‧‧‧第二切面

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

I1‧‧‧交界線

L‧‧‧軸線

S1‧‧‧圓柱面

V1cosφ‧‧‧第一入流分量

V1sinφ‧‧‧第二入流分量

α‧‧‧端板的設計攻角

α1‧‧‧第一實際攻角

α11‧‧‧第一圓柱端板由斜流引起的攻角

α2‧‧‧第二實際攻角

α22‧‧‧第二圓柱端板由斜流引起的攻角

ωR‧‧‧圓周速度

ωR1‧‧‧圓柱切向入流速度

φ‧‧‧斜軸角

圖1是本發明一實施例的一種擴散型端板螺槳連接於船體的局部示意圖。

圖2是圖1的擴散型端板螺槳的立體視圖。

圖3是圖1的擴散型端板螺槳的朝船艉方向的正視圖。

圖4是圖2的擴散型端板螺槳沿順時針旋轉的示意圖。

圖5A是圖1的擴散型端板螺槳的斜軸入流速度的示意圖。

圖5B是圖5A的擴散型端板螺槳沿X軸向順時針旋轉的示意圖。

圖5C是5A的擴散型端板螺槳轉動至0度周向位置時端板入流速度的示意圖。

圖5D是習知螺槳於斜軸入流下轉動至0度周向位置時圓柱端板入流速度的示意圖。

圖5E是5A的擴散型端板螺槳轉動至180度周向位置時端板入流速度的示意圖。

圖5F是習知螺槳於斜軸入流下轉動至180度周向位置時圓柱端板入流速度的示意圖。

以下的敘述將伴隨著實施例的圖式，來詳細對本發明所提出的實施例進行說明。於附圖中，為求便於理解且清楚表示，各構件之間的比例或角度被適當地放大或縮小。因此，圖式的各構件之間的比例或角度是用來說明而非用以限制本發明。

圖1是本發明一實施例的一種擴散型端板螺槳連接於船體的局部示意圖。圖2是圖1的擴散型端板螺槳的立體視圖。圖3 是圖1的擴散型端板螺槳的朝船艉方向的正視圖。請參閱圖1至圖3，本實施例的擴散型端板螺槳100可用以驅動一船體20，此擴散型端板螺槳100包括螺轂110以及多個葉片120。螺轂110用以連接船體20的傳動軸22。每個葉片120分別具有相連的葉片本體122及端板124，其中每個葉片本體122連接螺轂110且朝遠離螺轂110的方向延伸至對應的端板124，每個端板124自對應的葉片本體122轉折朝向船體20的船艉24方向延伸。每個端板124具有導緣124a及艉緣124b，其中導緣124a與螺轂110的軸線L保持第一距離D1，艉緣124b與螺轂110的軸線L保持第二距離D2，且第一距離D1小於第二距離D2。

本實施例的擴散型端板螺槳100例如裝設於船體20的底部並且操作於斜軸狀況下。更詳細而言，擴散型端板螺槳100透過螺轂110連接傳動軸22的一端，而傳動軸22的另一端連接至船體20內的動力裝置(圖未示)。當動力裝置運轉時，帶動了傳動軸22以轉動擴散型端板螺槳100並且藉由葉片120的旋轉，將水流朝船艉24方向後推以產生向前的反作用力，用以驅動船體20朝一航行方向A2前進，其中螺轂110的軸線L不平行於此航行方向A2。

一般而言，螺槳葉片120的數目為2至6葉。在本實施例中，葉片120的數目例如是4葉，並以放射狀設置於螺轂110上。另一方面，擴散型端板螺槳100例如是利用金屬材料或複合材料經由鑄造的方式製造而成，換言之，螺轂110與葉片120可 以是一體成型，其具有較佳的剛性以負載水流的壓力。

請繼續參閱圖1及圖2，葉片120的葉片本體122可進一步包括朝向船艉24的一高壓面以及背向船艉24的一低壓面，其中擴散型端板螺槳100所產生的推進力有相當大的比例是由高壓面所提供。在此必須說明的是，由於本實施例的擴散型端板螺槳100例如是沿順時針方向旋轉，且端板124可用以阻止葉片120旋轉所帶動的水流於葉尖流動至低壓面，故可確保擴散型端板螺槳100的推進效率並且有效抑制葉尖渦(tip vortex)。

在本實施例中，導緣124a例如是用以引導螺槳高壓面之水流沿著端板124內側流動至艉緣124b，並藉由艉緣124b引導水流流出高壓面。更詳細來說，本實施例的端板124在弦向(chordwise)上自導緣124a延伸至艉緣124b，其中導緣124a與軸線L保持第一距離D1，艉緣124b與軸線L保持第二距離D2，且第一距離D1小於第二距離D2，也因此端板124在弦向上是呈現擴散的形狀。

圖4是圖2的擴散型端板螺槳沿順時針旋轉的示意圖。如圖4所示，當擴散型端板螺槳100順時針旋轉時，導緣124a的旋轉軌跡可構成一圓柱面S1，每個端板124與導緣124a形成的圓柱面S1具有一負的攻角α。具體而言，導緣124a與圓柱面S1的交界處構一交界線I1，其中導緣124在此交界線I1並且沿著端板124的弦向上具有一第一切面C1，而圓柱面S1在此交界線I1上具有一第二切面C2，第一切面C1與第二切面C2所構成的夾角即 為上述的攻角α。另一方面，在本實施例中，上述攻角α例如是負1度，亦即本實施例的端板124具有一負攻角(negative angle of attack)。

圖5A是圖1的擴散型端板螺槳的斜軸入流速度的示意圖。圖5B是圖5A的擴散型端板螺槳沿X軸向順時針旋轉的示意圖。圖5C是5A的擴散型端板螺槳轉動至0度周向位置時端板入流速度的示意圖。圖5D是習知螺槳於斜軸入流下轉動至0度周向位置時圓柱端板入流速度的示意圖。圖5E是5A的擴散型端板螺槳轉動至180度周向位置時端板入流速度的示意圖。圖5F是習知螺槳於斜軸入流下轉動至180度周向位置時圓柱端板入流速度的示意圖。請參閱圖5A，申請人進一步經由實驗證實，當擴散型端板螺槳100於斜軸狀況下旋轉時，擴散型式的端板124不僅阻止了高壓面的水流流動至低壓面，亦可消除葉片120旋轉至任何周向位置時端板124所產生的片狀空泡。

具體而言，螺轂110的軸線L與船體航行方向A2之間夾有一斜軸角φ，其中斜軸角φ的角度例如是介於8至12度之間，且適用在快艇類等高速船上。更進一步來說，船體20航行時會產生一螺槳入流V1，其中螺槳入流V1沿著與航行方向A2相反的方向進入擴散型端板螺槳100，而螺槳入流V1與軸線L所夾的角即為上述斜軸角φ。也因此，螺槳入流V1分別具有一平行於軸線L的第一入流分量V1cosφ以及一垂直於軸線L的第二入流分量V1sinφ。此第二入流分量V1sinφ會使得端板124旋轉至0度周向 位置的實際攻角增加，而端板124旋轉至180度周向位置的實際攻角減少。

如圖5B至圖5F所示，擴散型端板螺槳100例如是以一圓周速度ωR環繞X軸旋轉，圓周速度ωR會產生一相對的圓柱切向入流速度ωR1，且圓周速度ωR等於圓柱切向入流速度ωR1。當葉片120旋轉至0度周向位置時，圓柱切向入流速度ωR1與第二入流分量V1sinφ於端板124處構成由斜軸入流所產生的第一實際攻角α1。值得注意的是，在上述的相同狀態下，就習知螺槳的非縮收與擴散的圓柱端板220而言，圓柱切向入流速度ωR1與第二入流分量V1sinφ於圓柱端板220處會構成由斜軸入流所產生的第一圓柱端板攻角α11，其中第一圓柱端板攻角α11為正值。

另一方面，當葉片120旋轉至180度周向位置時，圓柱切向入流速度ωR1與第二入流分量V1sinφ於端板124處構成由斜軸入流所產生的第二實際攻角α2。值得注意的是，在上述的相同狀態下，就習知螺槳的非縮收與擴散的圓柱端板220而言，圓柱切向入流速度ωR1與第二入流分量V1sinφ於圓柱端板220處會構成由斜軸入流所產生的第二圓柱端板攻角α22，其中第二圓柱端板攻角α22為負值。具體而言，第一圓柱端板攻角α11與第二圓柱端板攻角α22分別是絕對值相同的正負攻角。反觀本發明的擴散型端板螺槳100是將葉片120的端板124的攻角α設計為負1度，因此葉片120旋轉至0度周向位置時，端板124的第一實際攻角α1是比第一圓柱端板攻角α11減少1度。換句話說，由於端板124 的實際攻角的下降，從而降低了低壓面產生片狀空化的現象。

此外，當葉片120轉至180度周向位置時，雖然斜軸入流下所引起的第二實際攻角α2為負，且端板124的攻角α亦設計為負，造成此處的真正入流與端板124的夾角(負值)增加，而使得端板124的端板內表面124c所承受的壓力較端板外表面124d為低，但由於端板內表面124c是與螺槳高壓面接觸，且位於180度周向位置處的端板124沒水深度較深，因而不會產生空泡現象，從而有效提升端板螺槳的推進效率，以及抑制空泡與降低螺槳誘導的振動與噪音。

綜上所述，本發明的擴散型端板螺槳可阻止螺槳葉片的高壓面的流體逆流至低壓面，且特別是於斜軸裝況下，大幅減緩端板上產生空泡的嚴重程度，甚至是消除了端板上形成空泡的情形。因此，可大幅提升螺槳的推進效率，並大幅降低螺槳產生的振動與噪音。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧擴散型端板螺槳

110‧‧‧螺轂

120‧‧‧葉片

122‧‧‧葉片本體

124‧‧‧端板

124a‧‧‧導緣

124b‧‧‧艉緣

D1‧‧‧第一距離

D2‧‧‧第二距離

L‧‧‧軸線

Claims (5)

1. 一種擴散型端板螺槳，用以驅動一船體朝一航行方向前進，該擴散型端板螺槳包括：一螺轂，用以連接該船體的一傳動軸，該螺轂的該軸線不平行於該航行方向；以及多個葉片，分別具有相連的一葉片本體及一端板，其中各該葉片本體連接該螺轂且朝遠離該螺轂的方向延伸至各該端板，各該端板自對應的該葉片本體轉折朝向該船體的船艉方向延伸，且各該端板具有一導緣及一艉緣，該導緣與該螺轂的一軸線保持一第一距離，該艉緣與該螺轂的該軸線保持一第二距離，且該第一距離小於該第二距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述的擴散型端板螺槳，其中該些葉片以放射狀設置於該螺轂上。
3. 如申請專利範圍第1項所述的擴散型端板螺槳為一體成型。
4. 如申請專利範圍第1項所述的擴散型端板螺槳旋轉時，該些導緣的旋轉軌跡構成一圓柱面，該些端板與該些導緣形成的該圓柱面具有一負的攻角。
5. 如申請專利範圍第4項所述的擴散型端板螺槳，其中該攻角為負1度。