CN1031975A - 带鳍板的螺旋桨桨毂盖 - Google Patents

Abstract

在螺旋桨上设置了一个带鳍板的螺旋桨毂盖，用 以提高螺旋桨特性，特别是提高其效率。由于毂盖上 有鳍板，毂盖后面的水流被导流以减小所产生的毂涡 流，因此增大了螺旋桨效率。鳍板应满足以下条件： (1)其数量相对于每个桨叶片是相等的。(2)-20°≤ α-ε≤30°，鳍板前沿位于两相邻桨叶根部之间。(3) 鳍板是大直径大于桨毂的毂盖安装端的直径，但不超 过螺旋桨直径的30％。这样，通过较简单的经济实 用的装置可以大大改善螺旋桨的特性。

Description

本发明涉及一种螺旋浆的浆毂盖，具体地说是涉及一种带有鳍板的螺旋浆浆毂盖。

为了改善螺旋浆的特性，特别是螺旋浆效率，工程师们已经对叶片的数量、形状，展开面积，螺距等方面的技术设计进行了广泛和深入的研究，目前，产生的研究成果实际上已经达到近乎最大的极限。因此，对这些项目的研究，很难期望对螺旋浆的性能获得新的重大改善。

从另一方面来说，人们已经知道螺旋浆的效率在浆毂附近是很低的。为此，曾经多次建议，在主螺旋浆的下游侧设置小直径的浆，以使浆毂附近的螺旋浆效率得以提高，这些可参见日本实用公开30，195/1981和139，500/82。不过，在实际上这种构思似乎并不成功，可能是因为当转矩增大时，推进力的增加并不很大，因此螺旋浆效率并没有获得予期的改进。

因此，本发明的目的是提供一种新技术，通过对螺旋浆附加一个带鳍板的浆毂盖，可以在很大程度上提高螺旋浆的性能，特别是螺旋浆的效率。

在附图的图3所示的先有技术中，平常的螺旋浆31包括若干个叶片33，等距离环绕配置在浆毂32外周，并通过浆毂32与旋转传动轴34相连。在与传动轴34相对的另一端装有锥形毂盖35，以尽量减少在浆毂32下游所产生的涡流。

本发明人把注意力集中到这样的事实，即甚至在这种螺旋浆毂盖的下游，也产生了很大的毂涡流36。考虑到先有技术的小直径附加螺旋浆会增大这种毂涡流，曾进行深入的研究以试图寻找其它装置来减小这种毂涡流。最后终于发现，在螺旋浆上附加一个带鳍板的毂盖，可以减小这种毂涡流，并有效地增加螺旋浆的效率。

这样，在本发明中，把一个毂盖安装在螺旋浆的浆毂上，毂盖有鳍板应满足下列条件。

（1）.对于每个螺旋浆叶片来说，鳍板的数目相同。

（2）.鳍板的“α”倾角与螺旋浆叶根部的几何螺距角“ε”角的差值在从-20°+30°的范围内，也即：-20°≤α-ε≤30°，并且其导缘位于两相邻的浆叶根部之间。

（3）它们的最大直径大于浆毂的毂盖安装端的直径，并且不超过螺旋浆直径的33%。

根据本发明，所配置的鳍板并不是靠其自身来产生推力，而是对毂盖后面的水流进行导向，以减少所产生毂涡流。

由于这种导流作用，毂盖后面的毂涡流被扩散，这样，涡流对螺旋浆平面所引起的阻力就被减小，结果，螺旋浆的性能，特别是螺旋浆效率可以大大提高而不需要显著增加转矩。

因此，总的趋向是，本发明可使具有较高螺距比H/D的螺旋浆获得特别高的效率，而这种螺旋浆会产生较大的毂涡流。

如下文中本发明的实施例所示，可以使鳍板相对于毂盖具有倾角，或者有正的或负的曲度。

附图图面说明如下：

图1是一个螺旋浆的前视图，浆上装有本发明的一个带有鳍板的浆毂盖的实施例;

图2是图1的侧视图;

图3是类似于图2的侧视图，但所示为先有技术中的螺旋浆和不带鳍板的毂盖，以及在毂盖后面所产生的毂涡流，

图4是在试验时所使用的螺旋浆特性测量装置的局部侧剖视图;

图5是显示在试验中所使用鳍板的平面形状的平面视图;

图6是显示鳍板在螺旋浆毂盖上的位置的侧视图;

图7显示试验一所获得的螺旋浆特性曲线;

图8-10分别表示在试验二到四中，浆叶根部与鳍板的相对位置的示意图;

图11是表示在试验五中的鳍板倾角的侧视图;

图12是沿图11中A-A线的剖视图;

图13是类似于图8-10的示意图，但所示是在试验六中的浆叶根部与鳍板的相对位置;

图14是表示试验七的结果的曲线图。

下文参照附图详述本发明的一些实施例。

试验是在水槽内进行，所使用的螺旋浆试样的数据表1所示。该水槽是环流式的，其监测部分的尺寸是长5.0米×宽2.0米×深1.0米。最大流速是2.0米/秒，流速均匀度在1.5%以内。

表1

型号    CP24    CP26

直径（mm）    220.0    220.0

螺距比    0.8    1.2

叶片展开面积比    0.55    0.55

毂径比    0.18    0.18

叶片厚度比    0.05    0.05

叶片断面形状    MAU型    MAU型

叶片数目    4    4

图4所示为螺旋浆特性测量装置的局部侧剖视图。该装置被放置在上述水槽的监测部分内，把其螺旋浆开式船体41固定到位于水槽上方的刚性托架（图中未示）上。船体41有传动机构43，以转动一个以可拆卸的方式安装在船体末端的螺旋浆42;船体还有推力探测器44和转矩探测器45。

虽然在图4中没有表示，螺旋浆的转速是用数字计数器TM-225（日本奥野（Ono）测量仪器公司的产品）测量的，而流速是用日本工业标准JIS型皮托管和压差转换器DLPU-0.02（日本东洋-宝云公司（Toyo    Boldwin    Company）的产品）联合测量的。这些推力、力矩和流速的模拟信号由压差等反映出来，它们通过放置在单独的控制器中的微处理机内的模拟数字转换器（A/D    Converter）转换成数字信号，并处理成实际数据，然后再用打印机打印出或由绘图机标绘出来。

推力系数（KT）和转矩系数（KQ）是在不同前进系数（J）下测量的，后者的调节是靠改变流速并同时保持螺旋浆转速基本恒定在每秒钟7.5-9.0转内实现的。螺旋浆中心在水中的深度是300mm，水流方向如图4中的箭头所示。

当螺旋浆试样要安装毂盖时，要制备圆锥形的毂盖，使其底部直径为3.5mm，高度为25.6mm。毂盖可以用任何已知的装置安装在螺旋浆上，在本实验中使用了螺栓-螺母联接。

当毂盖上要设置鳍板时，用1mm厚的平板按下列2所示的尺寸，制成如图5的平面图中所示的六种不同的三角形形状（A）-（F）。

表2

鳍板形状    宽    高

（X轴轴向）    （Y轴轴向）

（A）    20mm    20mm

（B）    26mm    16.5mm

（C）    26mm    21mm

（D）    26mm    28.5mm

（E）    26mm    34mm

（F）    26mm    39.5mm

图6显示了鳍板与毂盖的相对位置。在图6中，螺旋浆叶片61根部62的尾端0设在螺旋浆轴线63上，作为基淮点。在本说明书中，从鳍板64前端，到包含基淮点0及螺旋浆轴线63的平面的圆周距离称为“a”（顺箭头所示的螺旋浆旋转方向为正）。从鳍板64前端到包含基淮点0的圆周边的表面距离称为“b”。鳍板64对垂直于螺旋浆轴线的平面的夹角称为“α”角。螺旋浆叶片根部62的几何螺距角称为“ε”角。

在本说明书中，浆叶根部的几何螺距角“ε”角是一个基于浆叶根部的首尾线（nose-tail    line）角度。更准确地说，要考虑两个表面，一个是其轴线在螺旋浆轴线上其半径等于浆毂半径的圆柱面，另一个是浆叶表面或其延伸的假想面。将这两个表面之间的交线所截取的圆柱面，即圆柱断面在一个平面上展开。在展开的视图中，展开的圆柱断面所限定的叶片断面的首尾线与一条垂直于圆柱面母线的直线的夹角相当于“ε”角。

当没有给出倾角时，鳍板以垂直于图6纸面的方向安装在毂盖上。在这些试验中进行安装时，在毂盖上切削出槽来，把鳍板的底部***槽内，借助于粘接进行固定，当然有可能并且在实际情况下最好将毂盖与鳍板做成一个整体。在图5中所示的鳍板底部的虚线，表示把鳍板安装到毂盖之后，该两表面之间的交线。

试验一：

使用CP26型螺旋浆（ε＝67.4°）和图5（c）所示的鳍板进行水槽试验。鳍板总数为四个，每个浆叶一个，它们安装在毂盖上的位置为a＝10mm，b＝5mm，α＝66°在这种情况下，鳍板的最大直径，即鳍板离浆轴线的最远端与浆轴线之间的距离（在鳍板安装到毂盖上之后）的双倍（2r）与螺旋浆直径（2R）的比r/R是0.23。图1所示为这样构成的螺旋浆1、浆毂2、浆叶片3、轴4、毂盖5以及鳍板6的前视图，而图2所示为其侧视图。为了进行比较，还对不带鳍板的情况进行了试验。在0.0-1.1范围内的各种前进系数（J）的情况下，测量了推力系数（KT）和转矩系数（KQ），并且计算了螺旋浆效率（η＝J·KT/2PiKQ）。然后，计算出不带鳍板的情况改为带鳍板的情况的螺旋浆效率的增量比（△η）的百分数。结果表示于下列的表3和表4。

表3（不带鳍板的情况）

No.    J    KT    KQ×10    η

0    0.000    0.4816    0.9376    0.0000

1    0.050    0.4715    0.9092    0.0413

2    0.100    0.4606    0.8823    0.0831

3    0.150    0.4489    0.8565    0.1251

4    0.200    0.4363    0.8316    0.1670

5    0.250    0.4230    0.8071    0.2085

6    0.300    0.4088    0.7829    0.2493

7    0.350    0.3940    0.7586    0.2893

8    0.400    0.3785    0.7342    0.3282

9    0.450    0.3623    0.7094    0.3657

10    0.500    0.3454    0.6839    0.4019

11    0.550    0.3281    0.6578    0.4365

12    0.600    0.3102    0.6309    0.4695

13    0.650    0.2919    0.6031    0.5007

14    0.700    0.2731    0.5743    0.5299

15    0.750    0.2541    0.5445    0.5571

16    0.800    0.2349    0.5138    0.5820

17    0.850    0.2154    0.4820    0.6046

18    0.900    0.1959    0.4494    0.6244

19    0.950    0.1764    0.4159    0.6413

20    1.000    0.1570    0.3817    0.6547

21    1.050    0.1378    0.3468    0.6639

22    1.100    0.1189    0.3115    0.6680

表4（带鳍板的情况）

No.    J    KT    KQ×10    η    △η（%）

0    0.000    0.4985    0.9154    0.0000

1    0.050    0.4894    0.8914    0.0437    5.55

2    0.100    0.4785    0.8677    0.0878    5.35

3    0.150    0.4660    0.8440    0.1318    5.09

4    0.200    0.4522    0.8204    0.1755    4.81

5    0.250    0.4373    0.7965    0.2184    4.54

6    0.300    0.4215    0.7724    0.2605    4.29

7    0.350    0.4050    0.7479    0.3016    4.09

8    0.400    0.3880    0.7229    0.3417    3.96

9    0.450    0.3705    0.6973    0.3806    3.90

10    0.500    0.3528    0.6710    0.4184    3.95

11    0.550    0.3349    0.6441    0.4552    4.09

12    0.600    0.3168    0.6164    0.4909    4.35

13    0.650    0.2986    0.5879    0.5255    4.73

14    0.700    0.2803    0.5585    0.5590    5.21

15    0.750    0.2617    0.5284    0.5913    5.78

16    0.800    0.2430    0.4974    0.6220    6.42

17    0.850    0.2239    0.4655    0.6506    7.07

18    0.900    0.2044    0.4328    0.6762    7.66

19    0.950    0.1843    0.3994    0.6976    8.07

20    1.000    0.1634    0.3652    0.7123    8.09

21    1.050    0.1417    0.3303    0.7168    7.38

22    1.100    0.1187    0.2947    0.7053    5.29

图7用图解表示表3和表4的结果，横座标表示前进系数（J），纵座标表示推力系数（KT）、转矩系数乘以10（KQ×10）和螺旋浆效率（η）。7中，曲线T2、Q2和P2代表表3中的KT、KQ×10和η，而曲线T3、Q3和P3则代表表4中的KT、KQ×10和η。从图7和表4可以了解，在J＝0.05-1.10的全部范围内，螺旋浆效率约增加4-8%，而在常用的J＝0.9时，则为7.66%。

另外，在这些试验中，用人工将针孔管从水槽上方放入水中靠近毂盖尾端Γ靡蕴峁┢荨Ｒ狄逊⑾郑诓淮宓那榭鱿拢写罅康钠菅刈怕菪嵯叱梢恢毕撸诖绪宓那榭鱿拢荼焕┥⒁灾料А？梢匀衔捎邝宓墓停蟠蠹跎倭遂蔽辛鳌?

试验二：

进行了类似于试验一所示的试验，但鳍板采用不同的位置，即不同的a、b和α角。在常用的前进系数（J）＝0.9的情况下，所获得的螺旋浆效率增量比如表5所示。

表5

NO.    a    b    α    α-ε  r/R    △η

（mm）    （mm）    （°）    （°）    （%）

1    10    0    64    -3.4    0.25    5.49

2    15    0    61    -6.4    0.25    7.32

3＊    10    5    66    -1.4    0.23    7.66

4    14    5    59    -8.4    0.23    39

＊取自试验一的数据

鳍板与浆叶根部的相对位置关系示于图8，其中，图6所示的一个浆叶根部的尾端O被放置在基线X上，而叶片位置被表示为一条线段，它从基线X开始，带有ε角，其长度与浆叶根部的首尾线长度相当。与上述浆叶根部相邻的另一个浆叶根部也以同样方式表示出来，但是它们尾端之间的圆周距离被表示在基线X的方向上。表示鳍板的位置时，将图6中的“a”放进基线X的方向，而将图6中的“b”放进基线Y的方向，基线Y通过基准点O并与基线X垂直。鳍板线段的长度与图5中用虚线表示的鳍板和毂盖之间的交线的长度相当。从表5和图8可以了解，当鳍板前沿被放置在两相邻浆叶根部之间，即在两相邻浆叶根部的延长首尾线之间的空间内时，螺旋浆效率可以获得显著改善。

试验三：

进行类似于试验一的试验，但是只改变α角。前进系数（J）＝0.9时，所获得的螺旋浆效率增量比如表6所示。

表6

No.    α（°）    α-ε（°）    r/R    △η（%）

1    45    -22.4    0.24    0.34

2    50    -17.4    0.235    3.46

3＊    66    -1.4    0.23    7.66

4    85    17.6    0.22    3.80

5    90    22.6    0.22    2.19

6    95    27.6    0.22    2.38

7    100    32.6    0.22    0.77

8    105    37.6    0.22    0.47

＊取自试验一的数据

表6中的结果，类似于试验二的情况被表示在图9中。从表6和图9可以了解，在-20°≤α-ε≤30°的范围内，螺旋浆效率可以获得显著提高。

试验四：

进行了类似于试验二的试验，但是使用的螺旋浆是CP24型（ε＝57.4°），使用的鳍板如图5（A）和图5（C）所示。在螺旋浆常用的前进系数为（J）＝0.6时，所获得的螺旋浆效率增量比如表7所示。

表7

No.    a    b    α    α-ε    r/R    鳍板形状    △η

（mm）    （mm）    （°）    （%）

1    0    5    80    22.6    0.21    （A）    2.03

2    10    17    63    5.6    0.18    （A）    3.02

3    5    12    63    5.6    0.20    （A）    2.06

4    5    9.5    63    5.6    0.21    （A）    2.32

5    5    7    63    5.6    0.215    （A）    2.84

6    10    7    63    5.6    0.23    （C）    3.93

7    10    7    57    -0.4    0.22    （C）    2.32

8    6    7    63    5.6    0.22    （C）    2.57

9    4    5    35    -22.4    0.235    （C）    -0.09

10    4    5    90    32.6    0.22    （C）    -0.19

与试验二的情况相同，将表7的结果示于图10。应该理解，在鳍板形状（A）与（C）之间没有本质的区别，鳍板位置应该满足这样的条件，即鳍迩把匚挥诹较嗔诮陡恐洌⑶吟宓那憬潜３衷?20°≤α-ε≤30°范围内，与上述图9中的情况一样。

试验五：

重复试验四中No.6的试验，对鳍板增加±30°的倾角。倾角是从垂直于图6纸面的方向向着螺旋浆的旋转方向进行测量的。结果如表8所示。

表8

No.    a    b    α    α-ε    r/R    倾角    △η

（mm）    （mm）    （°）    （°）    （°）    （%）

6F    10    7    63    5.6    0.21    +30    1.46

6M＊    10    7    63    5.6    0.23    0    3.93

6B    10    7    63    5.6    0.21    -30    4.47

＊取自试验四的数据

从表8可以理解，当鳍板上增加一个与螺旋浆的转向相反的倾角时，△η有进一步改善的趋势。鳍板的安装位置用侧视图示于图11，这与图6相似。并用沿图11中A-A线截取的剖视图示于图12。

试验六：

重复进行了试验四中No.7的试验，但是改变了鳍板的数量和位置。结果示于表9。

表9

No.    a    b    α    α-ε    r/R    鳍板数量    △η

（mm）    （mm）    （°）    （°）    （%）

7-N2    10＊＊    7    57    -0.4    0.22    2    -0.12

7-N3    10＊＊    7    57    -0.4    0.22    3    0.49

7-N4＊    10    7    57    -0.4    0.22    4    2.32

7-N5    10＊＊    7    57    -0.4    0.22    5    -1.12

＊取自试验四的数据

＊＊一个特定鳍板的数值;其它鳍板的数值与由360°除以鳍板数所得商数所确定的位置相对应。

浆叶根部与鳍板圆弧的相对位置在图13中借助于X-Y平面显示，如在图8-10中所显示一样。相对于四个浆叶根部B1-B4配置鳍板，在二个鳍板的情况下，挥?/F和2/2;在三个鳍板的情况下，位于1/F，2/3和3/3;在四个鳍板的情况下，位于1/F，2/4，3/4和4/4;而在五个鳍板的情况下，位于1/F，2/5，3/5，4/5，5/5，如图13所示。从图中可以看出，在二个鳍板的情况，浆叶根部B2和B3之间以及B4和B1之间没有配置鳍板;而在三个鳍板的情况，浆叶根部B3和B4之间没有鳍板。另外，在五个鳍板的情况，浆叶根部B3和B4之间有两个鳍板。这样，在二个、三个和五个鳍板的情况，鳍板的配置不均匀。

从表8可以理解，在两相邻浆叶根部之间的每个空间内，鳍板数量应该相等。

试验七：

进行了类的于试验一的试验，但是所使用的图5（B）-5（F）中的各种鳍板，它们宽度相同而高度不同。总数为四个形状相同的鳍板，每个浆叶片一个，它们被安装在a＝10mm，b＝5mm，α＝66°所确定的位置上。前进系数（J）＝0.9时所获得的螺旋浆效率增量比如表10所示。

表10

No.    a    b    α    α-ε    r/R    鳍板形状    △η

（mm）    （mm）    （°）    （°）    （%）

1    10    5    66    -1.4    0.2    （B）    4.12

2＊    10    5    66    -1.4    0.23    （C）    7.66

3    10    5    66    -1.4    0.3    （D）    6.08

4    10    5    66    -1.4    0.35    （E）    0.87

5    10    5    66    -1.4    0.4    （F）    -0.50

＊取自试验一的数据

表10中的结果用图解表示于图14中，把r/R入机横座标，而△η列入纵座标。

由于CP26型螺旋浆的浆毂比是0.18，可以理解，为了使螺旋浆效率显著改进，鳍板的最大直径应该大于浆毂上的盖安装端的直径，但不超过螺旋浆直径的33%。

试验八：

进行了类似于试验一的试验，但使用如图5（C）的鳍板，弯成半径为50mm的圆弧。采用两种鳍板，其一在螺旋浆旋转方向上弯成凸形圆弧（外曲度），而另一个则在螺旋浆施转方向上弯成凹形圆弧（内曲度）。总数为四个相同形状的鳍板，每个浆叶片一个，它们被安装在由a＝10mm，b＝5mm，α＝66°（圆弧弦方向的角度）所确定的位置。前进系数为（J）＝0.9时所获得的螺旋浆效率增量比示于表11。

表11

No.    a    b    α    α-ε    r/R    鳍板形状    △η

（mm）    （mm）    （°）    （°）    （%）

1    10    5    66    -1.4    0.23    C-外    6.46

2＊    10    5    66    -1.4    0.23    C    7.663

3    10    5    66    -1.4    0.23    C-内    6.94

＊取自试验一的数据

从上面的数据可以了解，鳍板的形状并不限于平面，可以有正的或负的曲度。

如上文所详述的那样，根据本发明，把配置有鳍板的毂盖安装在螺旋浆上，依靠对毂盖后面的水流的导流作用以减少产生的毂涡流，就有可能改善螺旋浆的特性，特别是螺旋浆的效率，而不用增加转矩。

根据本发明，还可以取得其它的好处，例如，螺旋浆性能的巨大改进，可以只通过对较小的毂盖稍加改变，不需要对附加毂盖的螺旋浆本身作重大变化，而对螺旋浆的加工是困难的并且成本高。实际上，本发明还可以应用于已经安装在现有船只上的螺旋浆，只要简单地更换或加工毂盖就行，不需要花费大的成本。

Claims (1)

1、一种用于安装在螺旋浆浆毂上的毂盖，其特征在于该毂盖上的鳍板满足下列条件：

(1)鳍板的数目相对于每个浆叶片是相等的，

(2)鳍板的倾角α相对于浆叶根部几何螺距角“ε”的差值在-20°到+30°的范围内，即-20°≤α-ε≤30°，并且其导缘位于两相邻浆叶根部之间，

(3)鳍板的最大直径大于浆毂的毂盖安装端的直径，但不超过螺旋浆直径的33%。

Images