CN102020011B - 管道式预旋定子组件 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种管道式预旋定子组件。所述管道式预旋定子组件包括预旋定子、圆筒形管道和支撑件。所述预旋定子设置在船体的尾轴毂上并具有基于螺旋桨的中心轴线在径向方向上延伸的至少一个叶片。所述圆筒形管道联接于所述预旋定子的叶片的外端部。所述支撑件将所述管道紧固于船体。所述管道的中心轴线相对于从船尾侧指向船首侧的方向从所述螺旋桨的中心轴线向上且向右偏离。在本发明中,所述预旋定子和所述管道被构造并设置成使得它们之间的最优联接得以实现,从而使所述螺旋桨的推进性能最佳。
Description
技术领域
本发明主要涉及管道式预旋定子组件,更具体地涉及一种管道式预旋定子组件,其中预旋定子和管道设置成能够实现它们之间的最优联接,从而提高船舶螺旋桨的推进性能。
背景技术
预旋定子通常设置于螺旋桨前面的船舶的尾轴毂上。预旋定子具有围绕尾轴毂设置并沿径向方向延伸预定长度的多个叶片。预旋定子改变螺旋桨前面的流体流向螺旋桨的流入角度,从而提高螺旋桨的推进效率。换言之,预旋定子是用于对相对于旋转方向的能量损失进行弥补的装置。
但是传统的预旋定子可能引发可归因于气穴的对叶片的损坏或是由于在叶片外端部上产生的梢涡空化所引起的对螺旋桨的损坏。此外,由预旋定子引起的螺旋桨上的逆流的增加降低了螺旋桨的转速。因此,考虑到这些问题,必须对螺旋桨进行重新设计。所以,在现有船舶上应用预旋定子存有很多限制。
同时,与预旋定子的叶片的外端部相联接的圆筒形管道设置成围绕预旋定子。所述管道作用为在通过螺旋桨的操作产生吸力的时候对螺旋桨前面的流体进行加速,从而在船舶行进方向上在管道本身内产生附加推力。这样,所述管道对螺旋桨前面流体的流动进行加速和矫正,从而提高螺旋桨的推进性能,并降低推进器引发的船体压力波动。但是,在圆筒形管道的尺寸很大的情况下,可能存在结构损坏的问题,并且很难保证结构的稳定性
在传统的技术中提出了多种预旋定子和管道相结合的结构。但是尚未开发出能够实现预旋定子与管道之间的最优联接并因此使推进效率最大化且保证管道结构稳定性的技术。
发明内容
相应地,本发明已经在考虑现有技术中出现的上述问题的情况下完成,并且本发明的目的是提供一种管道式预旋定子组件,其中,改变流体进入螺旋桨的流入角度从而提高推进性能的预旋定子以及对被吸入螺旋桨中的流体的流动进行加速和矫正从而进一步提高推进性能的管道被构造成和设置成使得实现它们之间的最优联接,从而使螺旋桨的推进性能最佳。
本发明的另一目的是提供一种管道式预旋定子组件,所述管道式预旋定子组件实现预旋定子与管道之间的最优设置,从而减少可归因于在螺旋桨中所产生的气穴的损坏、使得由气穴产生的船舶振动最小化、并可靠地保证将管道支撑于船舶的船体上的结构强度。
为了实现上述目的,本发明提供了一种管道式预旋定子组件,其包括:设置在船体的尾轴毂上的预旋定子,所述预旋定子具有基于螺旋桨中心轴线在径向方向上延伸的至少一个叶片;与预旋定子的叶片的外端部联接的圆筒形管道;以及将管道紧固于船体的支撑件。管道的中心轴线相对于从船尾侧指向船首侧的方向从螺旋桨的中心轴线向上且向右偏离。
优选地,管道的中心轴线与螺旋桨的中心轴线的偏心距可以相对于螺旋桨的直径Dp设定成使得向上偏心距(Hc)满足0<Hc<0.3Dp且向右偏心距(Bc)满足0<Bc<0.2Dp。此外,相对于螺旋桨的直径(Dp),管道的内径(Dd)可以满足0.5Dp≤Dd≤1.0Dp。
所述管道可以具有:位于管道前缘的内表面上的倾斜弯曲部,所述倾斜弯曲部以在从20°到30°的范围内变化的倾斜角度倾斜;位于管道后缘的内表面上的倾斜线性部,所述倾斜线性部以在从2°到6°的范围内变化的倾斜角度倾斜;以及形成于倾斜弯曲部和倾斜线性部之间的水平线性部,所述水平线性部与预旋定子的叶片的外端部相连接。倾斜弯曲部和倾斜线性部中每一个的倾斜角度可以相对于沿平行于水平线性部的方向从水平线性部延伸的直线来设定。
另外,倾斜弯曲部、水平线性部以及倾斜线性部的长度可以分别是管道的弦长的0.4倍、0.2倍和0.4倍。管道后缘的端部与螺旋桨的叶片的中心线之间的在船体纵向方向上的距离可以相对于螺旋桨的直径Dp设定成使得满足0.1Dp<H<0.3Dp。
支撑件可以包括:将管道的外表面与船体的下部相连接的上支撑构件;以及将管道的内表面与尾轴毂的下部相连接的下支撑构件,
预旋定子的叶片可以包括多个叶片,所述多个叶片设置成使得基于螺旋桨的中心轴线,两个叶片设置在左舷侧且一个叶片设置在右舷侧、或者两个叶片设置在左舷侧且两个叶片设置在右舷侧。预旋定子的左舷侧/右舷侧叶片中的至少一对叶片可以与螺旋桨的中心轴线平齐,并且预旋定子的余下的一个或多个叶片可相对于螺旋桨的中心轴线向上倾斜。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述能够更加清楚地理解本发明的上述和其它的目的、特征和优点,其中:
图1是示出了根据本发明的实施方式的管道式预旋定子组件的安装的立体图;
图2A和图2B分别是示出了根据本发明的管道式预旋定子组件的安装的侧视图以及示出了预旋定子、管道以及船体之间的联接的管道的局部断开视图;
图3和图4是示出了图1和图2所示的预旋定子和管道之间的设置在从船尾侧朝向船首侧的方向上的前视图;
图5是示出了管道的中心轴线相对螺旋桨的中心轴线的偏心率的视图;
图6是示出了与偏离螺旋桨的中心轴线的管道的设置相对应的预旋定子的叶片的长度的视图;
图7是示出了根据本发明的管道的截面的视图;
图8是对在仅安装预旋定子的情况下以及在既安装了预旋定子又安装了管道的情况下的逆流分布进行比较的曲线图;
图9具有以比较的方式示出在仅安装预旋定子情况下以及在既安装了预旋定子又安装了管道的情况下所形成产生的气穴的体积的曲线图;
图10是以比较的方式示出了在预旋定子和管道均没有安装的情况下、仅安装预旋定子的情况下以及既安装了预旋定子又安装了管道的情况下的推力和波动压力的增加的柱形图;
图11是对当管道的中心轴线从螺旋桨的中心轴线向上偏心移位时的逆流分布与在管道的中心轴线对准螺旋桨的中心轴线的情况下的逆流分布进行比较的曲线图;
图12是对在管道的中心轴线从螺旋桨的中心轴线向右且向上偏心移位的情况下的逆流分布与在管道的中心轴线仅从螺旋桨的中心轴线向上偏心移位的情况下的逆流分布进行比较的曲线图;
图13是以比较的方式示出了取决于传统技术和本发明的管道截面轮廓的流速变化分布的图;和
图14是以比较的方式示出了取决于管道的后缘与螺旋桨的轴线之间距离的流体流动矫正作用的曲线图。
具体实施方式
在下文中,将参考附图详细地描述根据本发明的优选实施方式的管道式预旋定子组件。
如图中所示,尾轴毂10设置在船体的尾部。螺旋桨12以可旋转地方式设置于尾轴毂10上使得螺旋桨12可以通过从发动机提供的驱动力转动。预旋定子14设置于尾轴毂10上且位于螺旋桨12前面,并且基于螺旋桨12的中心轴线X径向地延伸。联接于预旋定子14的外端部的圆筒形管道16围绕预旋定子14设置。
优选地,预旋定子14包括相对于螺旋桨12的中心轴线X径向延伸的至少一个或更多个叶片。预旋定子14的叶片能够以各种不同的方式设置。例如,基于螺旋桨12的中心轴线X,叶片可以设置成使得两个叶片设置在左舷侧且一个叶片设置在右舷侧,或者两个叶片设置在左舷侧且两个叶片设置在右舷侧。如图3和图4所示,在该实施方式中,在预旋定子14的左舷侧/右舷侧叶片中,至少一对叶片与螺旋桨12的中心轴线X平齐,并且预旋定子14的其余叶片相对于包括螺旋桨12的中心轴线X在内的水平面成大约45°的角度向上倾斜。
管道16通过支撑件18紧固于船体。如图2到图4所示,支撑件18包括上支撑构件18a和下支撑构件18b,上支撑构件18a将管道16的外表面连接至船体的下部,下支撑构件18b将管道16的内表面连接至尾轴毂10的下部。
图5示出了管道16的中心轴线Y相对螺旋桨12的中心轴线X的偏心率。在螺旋桨12是常规的顺时针旋转类型的情况下,管道16的中心轴线Y相对于从船尾侧指向船首侧的方向向上且向右偏离螺旋桨12的中心轴线X。管道16的中心轴线Y相对螺旋桨12的中心轴线X的偏心距设定成使得满足0<Hc<0.3Dp且0<Bc<0.2Dp。这里,Dp表示螺旋桨12的直径。Hc表示管道16的中心轴线Y向上偏离螺旋桨12的中心轴线X的向上偏心距。另外,Bc表示管道16的中心轴线Y向右偏离螺旋桨12的中心轴线X的向右偏心距。
此外,取决于管道16的中心轴线Y相对螺旋桨12的中心轴线X的偏心率,确定了预旋定子14的叶片长度。在基于螺旋桨12的中心轴线X在左舷侧和右舷侧各自设置两个叶片的情况下,如图6所示,预旋定子14的叶片的长度设定成使得满足3Dp≤D1≤0.7Dp、0.6Dp≤D2≤1.0Dp以及0.5Dp≤D3≤1.2Dp。这里,D1、D2和D3分别表示预旋定子14的叶片的长度。当预旋定子14的叶片从尾轴毂10的周向外表面沿基于螺旋桨12的中心轴线X的径向方向延伸使得这些叶片的长度满足上述条件时,两个叶片定向为与螺旋桨12的中心轴线X平齐,并且余下的两个叶片相对于包括螺旋桨12的中心轴线X的水平面向上倾斜。另外,管道16的内径Dd相对于螺旋桨12的直径Dp设定成使得满足不等式0.5Dp≤Dd≤1.0Dp。
图7示出了管道16的截面。管道16具有中空结构,该中空结构是以如下方式制造的:在管道16的前缘和后缘中分别设置杆16a,并且以杆16a为基础将板在内侧和外侧彼此附接。因此,使用杆16a能够将形成管道16的板更加容易的彼此附接。
在这种情况下,管道16的内表面按照从前缘到后缘的位置顺序包括彼此成一体的倾斜弯曲部16b、水平线性部16c和倾斜线性部16d。水平线性部16c连接于预旋定子14的叶片的外端部。这里,因为水平线性部16c平行于螺旋桨12的中心轴线X,所以能够促进管道16和预旋定子14的联接。
此外,倾斜弯曲部16b的水平长度L1、水平线性部16c的水平长度L2以及倾斜线性部16d的水平长度L3(在水平线性部的延长线上)分别为管道16的弦长的0.4倍、0.2倍和0.4倍。
这里,相对于水平线性部16c的延长线,由管道16前缘的内表面上的倾斜弯曲部16b限定的倾角α设定成使得该倾角α在从20°到30°的范围内变化,而由管道16后缘的内表面上的倾斜线性部16d限定的倾角β设定成使得该倾角β在从2°到6°的范围内变化。
因此,由于管道16前缘上的倾斜弯曲部16b的倾角α,倾斜弯曲部16b可以平稳地引导流体进入管道16并因此降低围绕管道16的入口的流体压力,从而增加流体的流速。另外,由于倾斜线性部16d的倾角β,倾斜线性部16d引导流体使得流体能够在其围绕管道16出口的流速增大后流入螺旋桨12。因此,管道16能够作用为对流体的流动进行加速和矫正,从而减小推进器引发的船体压力波动。
同时,如图2A所示,管道16后缘的端部和螺旋桨12的叶片的中心线之间的距离H设定成使得能够保证管道16与螺旋桨12之间的能够防止管道16与螺旋桨12的叶片相干涉的最小间隙并且距离H不大于螺旋桨12的直径Dp的0.3倍。优选地,距离H的最小值大于或等于螺旋桨12的直径Dp的0.1倍。此外,距离H的最大值小于或等于螺旋桨12的直径Dp的0.3倍。设定距离H的最大值的原因是防止流体的流动加速并且防止管道16的矫正效果变差。
在下文中,将解释根据本发明的管道式预旋定子组件的操作和效果。
如上所述,具有叶片的预旋定子14设置于尾轴毂10的周向外表面上,所述尾轴毂10设置在船体的尾部侧。管道16安装成使得其中心轴线Y设置在从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏离的位置处并且预旋定子14的叶片的外端部联接于管道16的内表面。此外,管道16通过支撑件18可靠地紧固于船体和尾轴毂10。管道16改变流体从预旋定子14被吸入螺旋桨12的流入角度,由此减小流体的动能的损失,并增大流体的轴向动能,从而显著地提高螺旋桨12的推进性能。
这里,管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏离的构造理由是气穴主要在从船尾侧指向船首侧的方向上出现在螺旋桨12上且处于基于螺旋桨12的中心轴线X的11点钟到3点钟的区间内。换言之,由于根据本发明的管道16的偏心结构,能够在螺旋桨12的上述11点钟到3点钟的区间内增大流体的流速,从而减小气穴。
通过图8的图表能够更加清楚地理解该事实,图8对在只有预旋定子14设置于尾轴毂10上的情况下以及在既安装了预旋定子14又安装了向上且向右偏心的管道16的情况下的逆流的分布进行比较。这里,管道16的中心轴线Y相对于螺旋桨12的中心轴线X的向上偏心距Hc和向右偏心距Bc是以上述方式设定的。
详细地,图8示出了仅设置预旋定子14的情况(浅色细线表示)以及既安装了预旋定子14又安装了向上且向右偏心的管道16的情况(深色粗线表示)。参考图8,关于螺旋桨12的处于叶片半径的50%部分以及70%部分中的轴向逆流的速度分布Vx,可以解释为,相比于仅设置预旋定子14的情况,在既具有预旋定子14又具有向上且向右偏心的管道16的结构的情况下,进入螺旋桨12的轴向速度增加了15%。
此外,如图9所示,当对在仅安装预旋定子14的情况下形成的气穴的体积以及在既安装了预旋定子14又安装了管道16的情况下形成的气穴的体积进行比较的时候,在管道式预旋定子的情况下,所形成的气穴的体积减小了60%,这是因为管道16围绕预旋定子14的叶片的外端部并因此执行了流体流动的加速和矫正功能。在此,由于管道16通过支撑件18牢固地紧固于船体和尾轴毂10,因此能够进一步提高管道16的结构稳定性。
因而,推进器引发的船体压力波动能够被减少到50%。因此,本发明能够显著地减少因为气穴产生而传递至船体的船体压力波动,从而提高船体的振动性能。此外,这可以由图10的图表更加清楚地解释,图10以比较的方式示出了在预旋定子14和管道16均没有安装的情况下、仅安装预旋定子14的情况下以及既安装了预旋定子14又安装了管道16的情况下对推力和波动压力的影响。就是说,预旋定子14的关于旋转方向的能量损失的恢复、以及管道的附加推力生成效果和管道的流入流加速效果增大了螺旋桨12的推力。另外,管道16用作为减少螺旋桨12中的波动压力。
此外,图11和图12对在管道16的中心轴线Y仅从螺旋桨12的中心轴线X向上偏离的情况下以及在管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏离的情况下的螺旋桨12中的轴向逆流的速度分布Vx进行了比较。
详细地,在沿基于离开船体的船尾侧所指示的方向的顺时针方向旋转的常规螺旋桨12的情况下,气穴主要产生于螺旋桨12的整个旋转区域的介于-10°与50°之间的区间内,也就是说,产生于在从船尾侧指向船首侧的方向上基于螺旋桨12的中心轴线X的11点钟到3点钟的区间内。因此,为了在该区间内增大被吸入螺旋桨12中的流体的轴向速度,管道16的中心轴线Y设定成使其从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏离。
因此,被吸入螺旋桨12中的流体的轴向速度能够在螺旋桨12的整个旋转区域的介于-10°与50°之间的区间内增大,从而减少气穴的产生。因而,能够显著地降低由于螺旋桨12内产生的气穴而施加于船体的波动压力。
换言之,以使得管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏心移位的方式来改善被吸入螺旋桨12中的流体的速度分布的效果可以通过对图11和图12所示情况下的螺旋桨12的轴向逆流的速度分布Vx而认识到,在图11所示情况下,管道16的中心轴线Y仅从螺旋桨12的中心轴线X向上偏心移位,在图12所示情况下,管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏心移位。
首先,图11是对在管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向上偏心移位的情况下的轴向逆流的速度分布Vx与中心轴线Y与中心轴线X对准的情况下的轴向逆流的速度分布Vx进行比较的图表。清楚的是,相比于对准轴线结构的情况,在向上偏心的轴线结构的情况下,流体的轴向速度在与螺旋桨12的整个旋转区域的0°相对应的区间的附近增大。另一方面,清楚的是,相比于对准轴线结构的情况,在向上偏心的轴线结构的情况下,流体的轴向速度在与螺旋桨12的整个旋转区域的50°相对应的区间的附近减小。
图12是对在管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向右且向上偏心移位的情况下的轴向逆流的速度分布Vx与和中心轴线Y仅从螺旋桨12的中心轴线X向上偏心移位的情况下的轴向逆流的速度分布Vx进行比较的图表。可以理解的是,相比于向上偏心的轴线结构的情况,在向上且向右偏心的轴线结构的情况下,流体的轴向速度在与螺旋桨12的整个旋转区域的50°相对应的区间的附近增大。
总之,能够认识到的是,相比于中心轴线Y对准中心轴线X或者中心轴线Y仅从中心轴线X向上偏心移位的情况下的被吸入螺旋桨12中的流体的轴向速度,在本发明的管道16的中心轴线Y从螺旋桨12的中心轴线X向上且向右偏心移位的情况下,被吸入螺旋桨12中的流体的轴向速度增大。这样,被吸入螺旋桨12中的流体的轴向速度的增大减少了气穴的产生并减轻了施加于船体的波动压力。特别地,在本发明中,被吸入螺旋桨12中的流体的轴向速度的增大集中在螺旋桨12的整个旋转区域中的主要产生气穴的区间,从而使本发明的上述效果最大化。
此外,参考示出管道16的截面的图7,以倾角α形成于管道16的前缘的倾斜弯曲部16b能够引导流体平稳地流入管道16中,从而促进流体流速的增大。这可以通过图13中的对本发明与传统技术之间的流体流速的变化进行比较的视图来进行解释。详细地,如形成于管道附近的流体流速变化的分布图所示,相比于传统技术,本发明的管道16使流体的流速增大5%。流体流速的增大表现为管道16的流体流动的加速和矫正效果,因此限制了螺旋桨12内气穴的产生,从而减轻推进器引发的船体压力波动。
另外,参考图14,图14示出了取决于管道16的后缘的端部与螺旋桨的中心轴线X之间的距离H的矫正效果,可以认识到,当距离H小于螺旋桨12的直径Dp的0.3倍时矫正效果得以最大化。详细地,当距离H大于或等于螺旋桨12的直径Dp的0.3倍的时候,相比于0.2倍的情况,速度分布Vx迅速减小。这证实了推进性能以及减小波动压力的效果的恶化。因此,在本发明中,管道16的后缘的端部与螺旋桨12的中心轴线X之间的距离H设定在介于一最小距离与一最大距离之间的范围,在所述最小距离处不发生螺旋桨12与管道16之间的干涉,在所述最大距离处不引起流速的降低。
如上所述,在根据本发明的管道式预旋定子组件中,预旋定子设置在船舶的螺旋桨前面,以而在船舶运动时改变流体被吸入螺旋桨中的角度,由此提高推进性能。管道设置在螺旋桨前面以对被吸入螺旋桨中的流体的流动进行加速和矫正,使得能够进一步提高推进性能。为了实现管道与预旋定子之间的最优联接,管道联接于预旋定子使得管道的中心轴线从螺旋桨的中心轴线偏离。因此能够尽最大可能提高螺旋桨的推进性能。
此外,由于实现了预旋定子与管道之间的最优设置,所以本发明能够减小在螺旋桨中产生的气穴的体积,因此减轻施加于船舶的船体上的螺旋桨波动压力,从而使船舶的振动最小化。
尽管已出于说明的目的公开了本发明的优选实施方式,但本领域技术人员将理解,在不偏离所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下,各种修改、增加以及替代都是可能的。
Claims (6)
1.一种管道式预旋定子组件,包括
预旋定子,所述预旋定子设置在船体的尾轴毂上,所述预旋定子具有基于常规的顺时针旋转类型的螺旋桨的中心轴线在径向方向上延伸的至少一个叶片;
圆筒形的管道,所述管道与所述预旋定子的叶片的外端部相联接;以及
支撑件,所述支撑件将所述管道紧固于所述船体,
其特征在于,所述管道的中心轴线相对于从船尾侧指向船首侧的方向从所述螺旋桨的中心轴线向上且向右偏离,以及
其中,所述管道具有:
位于管道前缘的内表面上的倾斜弯曲部,所述倾斜弯曲部以在从20°到30°的范围内变化的倾斜角度倾斜;
位于管道后缘的内表面上的倾斜线性部,所述倾斜线性部以在从2°到6°的范围内变化的倾斜角度倾斜;以及
形成于所述倾斜弯曲部与所述倾斜线性部之间的水平线性部,所述水平线性部与所述预旋定子的叶片的外端部相连接,
其中,所述倾斜弯曲部和所述倾斜线性部中每一个的倾斜角度都是相对于沿平行于所述水平线性部的方向从所述水平线性部延伸的直线来设定的,
其中,所述管道的后缘的端部与所述螺旋桨的叶片的中心线之间的在所述船体的纵向方向上的距离H相对于所述螺旋桨的直径Dp设定成使得满足0.1Dp<H<0.3Dp。
2.如权利要求1所述的管道式预旋定子组件,其中,所述管道的中心轴线与所述螺旋桨的中心轴线的偏心距相对于所述螺旋桨的直径Dp设定成使得向上偏心距Hc满足0<Hc<0.3Dp且向右偏心距Bc满足0<Bc<0.2Dp。
3.如权利要求2所述的管道式预旋定子组件,其中,相对于所述螺旋桨的直径Dp,所述管道的内径Dd满足0.5Dp≤Dd≤1.0Dp。
4.如权利要求1所述的管道式预旋定子组件,其中,所述倾斜弯曲部、所述水平线性部、以及所述倾斜线性部的长度分别是所述管道的弦长的0.4倍、0.2倍和0.4倍。
5.如权利要求1或2所述的管道式预旋定子组件,其中,所述支撑件包括:
上支撑构件,所述上支撑构件将所述管道的外表面与所述船体的下部相连接;以及
下支撑构件,所述下支撑构件将所述管道的内表面与所述尾轴毂的下部相连接。
6.如权利要求1或2所述的管道式预旋定子组件,其中,所述预旋定子的叶片包括多个叶片,所述多个叶片设置成使得基于所述螺旋桨的中心轴线,两个叶片设置在左舷侧且一个叶片设置在右舷侧、或者两个叶片设置在左舷侧且两个叶片设置在右舷侧,其中,所述预旋定子的左舷侧/右舷侧叶片中的至少一对叶片与所述螺旋桨的中心轴线平齐,并且所述预旋定子的余下的一个或多个叶片相对于所述螺旋桨的中心轴线向上倾斜。
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