CN107676214A - 一种船用桨后舵球涡轮发电装置 - Google Patents

一种船用桨后舵球涡轮发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于涡轮发电机领域，涉及一种船用桨后舵球涡轮发电装置，解决现有技术中船舶螺旋桨尾流能量回收的问题，包括舵球，涡轮，直驱式发电机，变频器，电缆和子舵；舵球的中心线与螺旋桨的桨轴重合，位于主舵前方，正对桨轴中心；涡轮位于舵球上，舵球安装在直驱式发电机的传动轴上，直驱式发电机通过电缆与变频器相连接。子舵安装在主舵后方。舵球为椭圆形回转体，直径为0.2～0.3倍的螺旋桨直径。涡轮叶片所在盘面与螺旋桨盘面间距通常取为螺旋桨直径的0.15～0.3倍。本发明实现了螺旋桨尾流旋转能量的回收，对提高船舶的续航能力，提高船舶的综合性能具有重要作用，同时也推动了船舶节能研究的总体进程。

Description

一种船用桨后舵球涡轮发电装置
技术领域
本发明属于涡轮发电机领域，尤其涉及一种船用桨后舵球涡轮发电装置。
背景技术
现在能源问题在世界范围内己经成为焦点问题之一，同时随着燃油价格的迅速上涨，各国己经开始将节能问题提上了议事日程。舟公舶作为当今主要运输工具之一，其节能效果的好坏对国民经济有很大的影响。因此各国造船和航运部门以期降低船舶运输的能源消耗，提高经济效益，船舶节能技术的开发与运用也因此备受关注。
为了使船舶能保持一定的速度航行，必须供给船舶一定的推力(或拉力)以克服其所受的阻力。推进器一般都是靠拨水向后来产生推力的，而水流受到推进器的作用获得与推力方向相反的附加速度(通常称为诱导速度)。显然推进器的作用力与其所形成的水流情况密切有关。船尾部水流经过螺旋桨加速之后所具有的能量可占推进总能量的15％一30％，这就造成了能量的损失，使螺旋桨效率的提高受到限制。从尾流所带走的能量百分比来看，将这一部分能量回收利用可以在很大程度上提高螺旋桨效率。随着船舶节能技术的发展，对螺旋桨后尾流所带走的能量的回收已经成为船舶节能技术研究的重要内容之一。
随着石油价格的飞速增长，各国航运迫切要求开发船舶节能新技术，以降低燃油费用。最初人们着眼于消耗燃油的主机上，相继研制出多种型号的长冲程节能主机，这种主机的热效率远远超过了蒸汽轮机和燃气轮机。之后，人们试图在此基础上进一步提高热效率时，发现付出的代价昂贵而节能收效却不大，于是只得另辟节能蹊径。从事船舶流体性能研究的学者们发现船舶尾部非常紊乱的流场白白消耗了主机的部分功率。各国学者纷纷尝试在尾部增加附体，以减少尾流的能量损失，提高推进效率。各种水动力节能附加装置的作用主要有:(1)改善螺旋桨进流，使之更加均匀；(2)产生附加推力；(3)使桨前流预旋，把原来尾流中损失的旋转能转化为推力功；(4)减少船尾的水流分离现象。这些装置中取得较显著节能效果的有:补偿导管，前置导管，舵球，舵附推力鳍，桨后固定叶轮，Grim自由旋转叶轮，桨前整流鳍等。
螺旋桨通过旋转产生向前的推力，同时使得水流旋转向后，造成15％～30％的螺旋桨能量以动能的形式残留在尾流当中，如何回收这部分能量促使多种节能推进装置的产生，比如对转桨、Grim叶轮等。尽管理论上这些装置的水动力性能都很好，但是实际中有些装置却因为各种各样的原因无法得到应用。比如对转桨，安装费用很高，而且复杂的转送***维护起来很麻烦，限制了其使用；而Grim叶轮的直径一般为前桨直径的1.15～1.3倍，直径很大，但叶片窄且薄，对材料强度要求太过苛刻，就目前的材料工艺水平而言还很难制造出理想的Grim叶轮。
申请号为201420178955.1的专利，“船用叶轮发电***”，在螺旋桨后加装可自由旋转的叶轮，将桨轴分为内外轴，外轴驱动前桨旋转，而内轴则是由叶轮驱动。叶轮在前桨尾流的作用下旋转，并通过叶轮内轴驱动发电机发电。该发明存在明显的不足，桨后旋转尾流作用在叶轮上，会使叶轮产生与船舶航行方向相反的力，降低整个***的推进效率。同时其轴系结构复杂，内外轴分别由桨后叶轮驱动和驱动前桨，很难推广应用。
在现今大力倡导节能减排的大背景下，开发螺旋桨尾流旋转能量回收装置必将成为船舶节能的主要研究课题。
发明内容
本发明的目的在于提供回收螺旋桨尾流旋转能量的一种船用桨后舵球涡轮发电装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种船用桨后舵球涡轮发电装置，包括舵球2，涡轮3，直驱式发电机4，变频器5，电缆8和子舵11；舵球2的中心线与螺旋桨1的桨轴6重合，位于主舵10前方，正对桨轴6中心；涡轮3位于舵球2上，舵球2安装在直驱式发电机4的传动轴7上，直驱式发电机4通过电缆8与变频器5相连接。子舵11安装在主舵10后方。
舵球2为椭圆形回转体，直径为0.2～0.3倍的螺旋桨1直径。
涡轮3叶片所在盘面与螺旋桨1盘面间距通常取为螺旋桨1直径的0.15～0.3倍。
本发明的有益效果为：
本发明实现了螺旋桨尾流旋转能量的回收，对提高船舶的续航能力，提高船舶的综合性能具有重要作用，同时也推动了船舶节能研究的总体进程。
附图说明
图1是一种船用桨后舵球涡轮发电装置总体结构图；
图2是一种船用桨后舵球涡轮发电装置尾流收缩示意图；
图3a是螺旋桨速度多角形；
图3b是涡轮速度多角形。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明。
如图1，一种船用桨后舵球涡轮发电装置，包括舵球2，涡轮3，直驱式发电机4，变频器5，电缆8和子舵11。舵球2的中心线与桨轴6重合，涡轮3位于舵球2上，舵球2安装在直驱式发电机4的传动轴7上，直驱式发电机4通过电缆8与变频器5相连接。子舵11安装在主舵10后方。舵球2为椭圆形回转体，位于主舵10前方，正对桨轴6中心。
螺旋桨1由船舶主机驱动，螺旋桨旋转尾流作用在涡轮3上，驱动涡轮3和舵球2前端旋转，并带动传动轴7旋转，驱动布置在舵内的直驱式发电机4发电，并通过电缆8与布置在机舱9的变频器5相连，从而并入船舶主电网，为船舶的正常运转提供额外的电能。
舵球2为椭圆形回转体，位于主舵10前方，正对桨轴6中心，舵球2前端与榖帽间距尽量小但要满足实际安装工艺要求，应方便螺旋桨2和榖帽的拆装。舵球2的直径约为0.2～0.3倍螺旋桨1直径Dp。涡轮3叶片所在盘面与螺旋桨1盘面间距D通常取为螺旋桨1直径Dp的0.15-0.3倍，为了避免前桨梢涡对涡轮3产生冲击，根据螺旋桨1尾涡在涡轮3所在盘面处的收缩率来确定涡轮3直径，如图2所示。为了使螺旋桨1尾涡的旋转能量能够被最大限度地回收并兼顾结构强度安全，涡轮3一般安装5～8个叶片，结构上与Grim叶轮的涡轮段相似，直径相比Grim叶轮而言明显减小，避免了材料强度不足的问题。通过调整发电机负载，舵球-涡轮的转速也可调整，最佳运行状态下，舵球-涡轮的转速一般为螺旋桨转速的0.15～0.3倍左右，避免了Grim叶轮自由旋转在某些工况下产生的不良影响。
当螺旋桨旋转时，榖帽后方会形成强烈的榖涡，在舵上安装舵球后，可以打散榖涡，吸收榖涡能量，使得榖帽的表面压力回升，螺旋桨和榖帽整体推力增加，从而提高推进效率。
在螺旋桨工作时，除了会产生榖涡外，整个尾流区的水流均会产生周向的旋转速度，在舵球上安装涡轮叶片后，涡轮在旋转尾流的作用下会与螺旋桨同向旋转，并带动舵球前端和传动轴旋转，驱动舵内发电机发电，将螺旋桨尾流旋转能量转化为电能，实现节能的目的。
r为螺旋桨和涡轮的无因次半径，图3a为螺旋桨速度多角形，图中n为螺旋桨转速，进速为船速Vp，其轴向和周向自身诱导速度分别为uap和utp，涡轮对螺旋桨的轴向和周向诱导速度分别为uapl和utpl；VRP为螺旋桨半径r处叶元体实际来流速度；βi、β分别代表水动力螺距角及进角。可知涡轮对螺旋桨引起的诱导速度uapl和utpl与螺旋桨自身的诱导速度uap和utp方向相反，螺旋桨水动力性能得到了改善。
图3b为涡轮速度多角形，nL、DW为涡轮转速和直径，涡轮进速为船速Vp，其轴向和周向自身诱导速度分别为ual和utl，螺旋桨对涡轮的轴向和周向诱导速度分别为ualp和utlp；VRL为涡轮半径r处叶元体来流速度；βi、β分别代表水动力螺距角及进角。可知，涡轮自身周向诱导速度utl与螺旋桨的周向诱导速度utlp方向相反，从而可以部分或全部抵消螺旋桨尾流的旋转,从而实现能量回收。
本发明实现了螺旋桨尾流旋转能量的回收，对提高船舶的续航能力，提高船舶的综合性能具有重要作用，同时也推动了船舶节能研究的总体进程。
这里必须指出的是，本发明给出的其他未说明的结构因为都是本领域的公知结构，根据本发明所述的名称或功能，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。

Claims (4)

1.一种船用桨后舵球涡轮发电装置，包括舵球(2)，涡轮(3)，直驱式发电机(4)，变频器(5)，电缆(8)和子舵(11)；其特征在于：舵球(2)的中心线与螺旋桨(1)的桨轴(6)重合，位于主舵(10)前方，正对桨轴(6)中心；涡轮(3)位于舵球(2)上，舵球(2)安装在直驱式发电机(4)的传动轴(7)上，直驱式发电机(4)通过电缆(8)与变频器(5)相连接。
2.如权利要求1所述的一种船用桨后舵球涡轮发电装置，其特征在于：所述的舵球(2)为椭圆形回转体，直径为0.2～0.3倍的螺旋桨(1)直径。
3.如权利要求1所述的一种船用桨后舵球涡轮发电装置，其特征在于：所述的子舵(11)，安装在主舵(10)后方。
4.如权利要求1所述的一种船用桨后舵球涡轮发电装置，其特征在于：所述的涡轮(3)叶片所在盘面与螺旋桨(1)盘面间距通常取为螺旋桨(1)直径的0.15～0.3倍。
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