CN113501099B - 一种减纵摇槽道螺旋桨 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减纵摇槽道螺旋桨，设置于船体附体上，减纵摇槽道螺旋桨与船体重心之间具有一定距离，减纵摇槽道螺旋桨包括槽道和螺旋桨，槽道开设于船体附体上；螺旋桨设置于槽道内，螺旋桨可转动地与船体附体相连；螺旋桨连接有驱动器，螺旋桨转动能够产生抵抗船体纵摇运动的力矩。本发明的减纵摇槽道螺旋桨，设置于舵或其它船体附体上且与船体重心之间具有一定距离，减纵摇槽道螺旋桨包括槽道和设置于槽道内的螺旋桨，螺旋桨转动时能够产生抵抗船体纵摇运动的力矩，从而达到减缓舰船在波浪中剧烈纵摇运动的效果。本发明的减纵摇槽道螺旋桨，可以设置在距离船体重心位置较远的位置。

Description

一种减纵摇槽道螺旋桨

技术领域

本发明涉及船舶减摇装置及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种减纵摇槽道螺旋桨。

背景技术

舰艇在海洋中航行，受波浪的作用会产生六个自由度的运动。其中，纵荡、横荡和首摇运动因为运动幅度小，对于舰艇的作战和艇员的舒适性影响不大；而横摇和纵摇运动有可能达到很大的摇摆角度，对于舰艇的适航性、作战时武器攻击的准确性、艇员舰上工作与生活的舒适性，都有很大的影响，严重时有可能造成舰艇失去作战能力，甚至因摇摆而至倾覆。

我国舰船通用规范对舰船的耐波性定量要求，主要包括如下几个方面：

1）船体运动限制值：通过曲线的形式，以排水量为横坐标，对六自由度运动舰船的横摇、纵摇、首摇、升沉等提出了定量要求；

2）加速度限制值:对船体特殊部位点，如0站、重心和19站的垂向加速度定量要求；

3）耐波性事件限制值：对一些耐波性事件，如甲板上浪、球鼻首出水和螺旋桨飞车次数等提出了相关定量要求；

4）其他特殊要求：为了充分发挥舰载武器的作战效能，一些舰载武器也对平台耐波性提出了限制要求，如直升机、对空导弹、对海导弹和传感器等。

通过多型舰船的实际工程研制，在进行耐波性综合评估过程中，发现限制全舰提高作战使用百分率的主要限制因素基本与舰船的纵向运动有关，如纵摇运动、甲板上浪、球鼻首出水和升沉等。分析其原因，横向运动各国都已经作出了深入的研究并投入使用了各种减摇装置和技术，如舭龙骨、减摇鳍和减摇水舱等成熟技术而加以适当控制或大幅降低，如舭龙骨、减摇鳍在一定的航速范围内可以降低横摇70%～80%；而对纵向运动来讲，可以采取的措施较少，尚未见到有效的减摇装置。因而纵向运动往往成为在耐波性综合评估中限制提高作战使用百分率的关键要素之一。如何降低舰船的纵摇运动，以提高舰船的耐波性能是舰船设计师面临的一项重要任务。

20世纪80年代中期，日本就曾经提出了一种控制船舶纵摇的方案，即在船艏底部加装半潜体，同时开展了一系列的船模及实船试验，结果发现加装半潜体的船舶与裸船体相比，纵摇和艏部垂向加速度，在运动响应的峰值附近有明显的减小，然而所安装的半潜体的排水体积是全船的10%以上，导致全船阻力变大，造成有效频带范围变窄，在波长较长和较短范围内减摇效果变差。

百余年来国内外在减纵摇技术上进行了大量的研究，提出了多项减纵摇技术，其中效果较好的主要有：艏鳍、半潜首、纵列片翼、尾鳍、倾斜舵、艏升力体、十字型减纵摇舵等。1959年，DTMB的G.斯特芬（Stefun）对几种形式的艏鳍安装在船体不同位置进行了比较研究，他的研究结果表明：最大纵摇减摇效率为37%，然而也发现了和艏鳍有关的船体横向振动问题。1990年，英国哥伦比亚大学在船艏鳍的安装位置和控制方面有过一些结论研究。日本防卫厅提出了选择纵摇减摇鳍尺寸和安装位置的方法。巴塔查里亚给出了确定固定式艏鳍的尺寸及减摇效果的计算公式。有的学者在船艏部两弦侧设置了纵列片翼，与艏鳍联合减纵向摇荡，可以显著提高减摇效率。而艏鳍面积只有船体水线面面积的1%以内，对船艏振动已无不利影响。同时，纵列片翼还具有结构简单，布置方便等优点。20世纪80年代中期，日本三菱重工下关船厂提出了一种减纵摇附体方案，即在深V型高速艇首部加装一半潜首（Sub-submerged Bow，简称SSB），进行了SSB系列模型试验，试验结果表明在波浪中高速航行时，船纵向运动有所减小，且在工程实施上也是可行的。

近年来美国海军研发了许多采用新型先进减摇技术的船型，美国通用动力公司为美国海军设计的濒海战斗舰采用艏艉两对鳍实现减摇带艏升力体船型是近年来国外特别是美国海军研发的新船型，最近艏升力体被应用于双体船及单体船上，并进行了试验艇海试验证，这种结构能够带来很多好处，包括改善耐波性、总阻力降低，而且不需要增加吃水，结构简单，还能为艏部提供更多的排水体积。

哈尔滨工程大学从上世纪90年代初开始，对新型纵向减摇组合附体开展大量研究工作，对组合附体的尺寸、型式、安装位置及与主船体的配合等进行了深入研究，并先后应用在600吨级深V船型、军民两用WPC60穿浪双体船上，减纵摇效果显著且对原艇快速性影响很小。该技术通过半潜体提供的艏部粘性阻尼和艏鳍提供的动升力阻尼实现了水动力载荷的均布，避免了艏鳍引起的船体振动。但是现有纵向减摇组合附体结构复杂，且制造工程量较大，给舰船改造优化带来了困难。

因此，如何改变现有技术中，减缓舰船在波浪中纵摇运动实施困难的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种减纵摇槽道螺旋桨，以解决上述现有技术存在的问题，降低舰船减纵摇难度，缓解舰船在波浪中剧烈纵摇运动的情况。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种减纵摇槽道螺旋桨，所述减纵摇槽道螺旋桨设置于船体附体上，所述减纵摇槽道螺旋桨与船体重心之间具有一定距离，所述减纵摇槽道螺旋桨包括：

槽道，所述槽道开设于所述船体附体上；

螺旋桨，所述螺旋桨设置于所述槽道内，所述螺旋桨可转动地与所述船体附体相连；所述螺旋桨连接有驱动器，所述螺旋桨转动能够产生抵抗船体纵摇运动的力矩。

优选地，所述槽道为棱柱状或圆柱状通孔。

优选地，所述驱动器为电机，所述驱动器与所述船体附体相连。

优选地，所述驱动器内嵌于所述船体附体内。

优选地，所述螺旋桨包括桨轴和桨叶，多片所述桨叶绕所述桨轴的轴线周向均布，所述桨轴的一端与所述驱动器传动相连，所述桨轴的另一端可转动地与所述船体附体相连。

优选地，所述桨轴与所述船体附体之间设置有轴承。

优选地，所述桨轴的轴线平行于所述槽道的轴线时，所述螺旋桨的直径较所述槽道的最小直径小；所述桨轴的轴线垂直于所述槽道的轴线时，所述桨叶的最大厚度较所述槽道的高度小。

优选地，所述船体附体包括舵，所述舵包括舵体和导流壳体，所述槽道设置于所述导流壳体上，所述螺旋桨设置于所述槽道内并与所述舵体相连。

优选地，所述船体附体包括半潜体，所述减纵摇槽道螺旋桨设置于所述半潜体上。

优选地，所述螺旋桨的转动轴线垂直于水平面。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的减纵摇槽道螺旋桨，设置于船体附体上，减纵摇槽道螺旋桨与船体重心之间具有一定距离，减纵摇槽道螺旋桨包括槽道和螺旋桨，槽道开设于船体附体上；螺旋桨设置于槽道内，螺旋桨可转动地与船体附体相连；螺旋桨连接有驱动器，螺旋桨转动能够产生抵抗船体纵摇运动的力矩。

本发明的减纵摇槽道螺旋桨，设置于船体附体上且与船体重心之间具有一定距离，减纵摇槽道螺旋桨包括槽道和设置于槽道内的螺旋桨，螺旋桨转动时能够产生抵抗船体纵摇运动的力矩，从而达到减缓舰船在波浪中剧烈纵摇运动的效果。本发明的减纵摇槽道螺旋桨，可以设置在距离船体重心位置较远的位置，例如舵叶上、舵球上、舵附推力鳍上、尾鳍上、减摇鳍上、舭龙骨上、艏鳍上、尾压浪板上、球鼻艏上、半潜体上、桨轴支架上等位置，适应性较强，降低了船体减纵摇的实施难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的减纵摇槽道螺旋桨的应用示意图；

图2为图1中部分结构的放大示意图；

图3为图1中部分结构示意图；

图4为图1中部分结构的剖切结构示意图；

图5为图1的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图一；

图6为图1的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图二；

图7为本发明的减纵摇槽道螺旋桨的实施例的应用示意图；

图8为图7中部分结构的放大示意图；

图9为图7中半潜体的放大结构示意图；

图10为图7的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图一；

图11为图7的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图二；

其中，1为船体，2为减纵摇槽道螺旋桨，3为槽道，4为螺旋桨，401为桨轴，402为桨叶，5为驱动器，6为舵体，7为导流壳体，8为半潜体，801为头部，802为躯体及尾部，803为减纵摇右胸鳍，804为减纵摇左胸鳍。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种减纵摇槽道螺旋桨，以解决上述现有技术存在的问题，降低舰船减纵摇难度，缓解舰船在波浪中剧烈纵摇运动的情况。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1- 11，其中，图1为本发明的减纵摇槽道螺旋桨的应用示意图，图2为图1中部分结构的放大示意图，图3为图1中部分结构示意图，图4为图1中部分结构的剖切结构示意图，图5为图1的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图一，图6为图1的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图二，图7为本发明的减纵摇槽道螺旋桨的实施例的应用示意图，图8为图7中部分结构的放大示意图，图9为图7中半潜体的放大结构示意图，图10为图7的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图一，图11为图7的减纵摇槽道螺旋桨的工作原理图二。

本发明提供一种减纵摇槽道螺旋桨2，设置于船体附体上，减纵摇槽道螺旋桨2与船体1重心之间具有一定距离，减纵摇槽道螺旋桨2包括槽道3和螺旋桨4，槽道3开设于船体附体上；螺旋桨4设置于槽道3内，螺旋桨4可转动地与船体附体相连；螺旋桨4连接有驱动器5，螺旋桨4转动能够产生抵抗船体1纵摇运动的力矩。

本发明的减纵摇槽道螺旋桨2，设置于船体附体上且与船体1重心之间具有一定距离，减纵摇槽道螺旋桨2包括槽道3和设置于槽道3内的螺旋桨4，螺旋桨4转动时能够产生抵抗船体1纵摇运动的力矩，从而达到减缓舰船在波浪中剧烈纵摇运动的效果。本发明的减纵摇槽道螺旋桨2，可以设置在距离船体1重心位置较远的位置，例如舵叶上、舵球上、舵附推力鳍上、尾鳍上、减摇鳍上、舭龙骨上、艏鳍上、尾压浪板上、球鼻艏上、半潜体8上、桨轴支架上等位置，适应性较强，降低了船体1减纵摇的实施难度。

在实际应用中，槽道3可以设置为棱柱状或圆柱状通孔，以容纳螺旋桨4，保证螺旋桨4能够顺利工作，还可以根据实际需要设置槽道3的具体形状。

在本具体实施方式中，驱动器5为电机，驱动器5与螺旋桨4传动相连，驱动器5带动螺旋桨4转动，驱动器5与船体附体相连，提高螺旋桨4工作稳定性。

具体地，可选择将驱动器5内嵌于船体附体内，保护驱动器5，确保螺旋桨4能够正常工作，还能够避免驱动器5影响船体1美观性。

更具体地，螺旋桨4包括桨轴401和桨叶402，多片桨叶402绕桨轴401的轴线周向均布，提高桨轴401受力均匀性以及螺旋桨4工作均匀度，桨轴401的一端与驱动器5传动相连，桨轴401的另一端可转动地与船体附体相连，为螺旋桨4提供多一重支撑。桨轴401与船体附体之间设置有轴承，使得桨轴401与船体附体之间相对转动顺畅，提高螺旋桨4工作可靠性。

还需要说明的是，桨轴401的轴线平行于槽道3的轴线时，螺旋桨4的直径较槽道3的最小直径小；桨轴401的轴线垂直于槽道3的轴线时，桨叶402的最大厚度较槽道3的高度小。合理设置槽道3与螺旋桨4的尺寸，使得螺旋桨4能够完全位于槽道3内，保证舰船航行时，螺旋桨4不会额外产生航行阻力。

下面通过具体的实施例，对本发明的减纵摇槽道螺旋桨2的工作过程，进行进一步的解释说明：

实施例一

船体附体包括舵，舵包括舵体6和导流壳体7，槽道3设置于导流壳体7上，螺旋桨4设置于槽道3内并与舵体6相连。

如图5所示，当舰船遭遇波浪时，船首受波浪力F1的作用，产生绕船体1重心G的纵摇力矩M1，并使船首升高，船尾下降，如果没有减纵摇槽道螺旋桨2，船首抬起到最高点会对应于一个最大幅值H1，并产生一个纵摇角ɸ1。如果在舰船遭遇波浪的同时，启动减纵摇槽道螺旋桨2，使其产生推力T1，则舰船受T1的作用会产生绕船体1重心G的纵摇力矩M2，阻止船尾下降，并且M2与M1产生抵消效应，将此情况下船首抬起的最大幅值记为H2，对应的纵摇角记为ɸ2。由于M2与M1产生的抵消效应，则H2小于H1，且ɸ2小于ɸ1。当船首抬起到最高点时，船首受到的波浪力F1消失，产生绕船体1重心G的纵摇力矩M1消失，如没有减纵摇槽道螺旋桨2，以船体1重心G为分界线，重心G左侧的船体1由于自身受到重力F2和重心G右侧船体1浮力F3的作用，产生一个纵摇力矩M3，使船首降低，船尾抬升，并恢复到纵摇角ɸ1为0的状态，如图6所示。此后由于惯性的作用，船首继续降低，船尾继续抬升，最终船首降到最低位置会对应于一个最大幅值H3，并产生一个纵摇角ɸ3。如果在舰船遭遇波浪的同时启动减纵摇槽道螺旋桨2，则在波浪力F1消失和纵摇力矩M1消失的同时，令螺旋桨4反转，使其产生推力T2，则舰船受T2的作用会产生绕船体1重心G的纵摇力矩M4，以阻止船尾抬升，并且M4与M3产生抵消效应，将此情况下舰船船首降到的最低位置对应的最大幅值记为H4，对应的纵摇角记为ɸ4。由于M4与M3产生的抵消效应，则H4小于H3且ɸ4小于ɸ3。

当船首降低到最低点时，船首受到的重力将小于浮力，重力产生的纵摇力矩消失，此时将产生由浮力产生的顺时针方向的纵摇力矩；船尾由于抬起，重力大于浮力，浮力产生的纵摇力矩也消失，此时将产生由重力产生的顺时针方向的纵摇力矩。此后舰船在波浪中的无减纵摇槽道螺旋桨2的运动与受力以及开启减纵摇槽道螺旋桨2后舰船的运动与受力都将重复前述图5和图6的过程。

由前述分析可知，内嵌于舵体6与导流壳体7内的减纵摇槽道螺旋桨2总能提供与舰船自身遭遇的纵摇力矩方向相反的减纵摇力矩，从而有效减小舰船在波浪上的纵摇运动幅值，增强舰船减纵摇效果。

实施例二

船体附体包括半潜体8，减纵摇槽道螺旋桨2设置于半潜体8上，半潜体8上设置有用于固定驱动器5的电机基座，另外，半潜体8包括头部801、躯体及尾部802、减纵摇右胸鳍803，减纵摇左胸鳍804，此时，螺旋桨4的轴线平行于槽道3的轴线，槽道3的高度大于螺旋桨4的轴向高度与驱动器5的轴向高度之和，避免螺旋桨4在舰船航行时产生额外的航行阻力。另外，半潜体8的头部801、躯体及尾部802、减纵摇右胸鳍803，减纵摇左胸鳍804共同构成流线型外形，具有减阻功能，为减纵摇槽道螺旋桨2提供安装运动空间，同时本身还具有一定的减纵摇功能。

如图10所示，当舰船遭遇波浪时，船首受波浪力F1的作用，产生绕船体1重心G的纵摇力矩M1，并使船首升高，船尾下降，如果没有减纵摇槽道螺旋桨2，船首抬起到最高点会对应于一个最大幅值H1，并产生一个纵摇角ɸ1。如果在舰船遭遇波浪的同时，启动内嵌于半潜体8内的减纵摇槽道螺旋桨2，使其产生与F1方向相反的推力T1，则舰船受T1的作用会产生绕船体1重心G的纵摇力矩M2，阻止船首升高，并且M2与M1产生抵消效应，将此情况下船首抬起的最大幅值记为H2，对应的纵摇角记为ɸ2。由于M2与M1产生的抵消效应，则H2小于H1，且ɸ2小于ɸ1。当船首抬起到最高点时，船首受到的波浪力F1消失，产生绕船体1重心G的纵摇力矩M1消失，如没有减纵摇槽道螺旋桨2，以船体1重心G为分界线，重心G左侧的船体1由于自身受到重力F2和重心G右侧船体1浮力F3的作用，产生一个纵摇力矩M3，使船首降低，船尾抬升，并恢复到纵摇角ɸ1为0的状态，如图11所示。此后由于惯性的作用，船首继续降低，船尾继续抬升，最终船首降到最低位置会对应于一个最大幅值H3，并产生一个纵摇角ɸ3。如果在舰船遭遇波浪的同时启动内嵌于半潜体8内的减纵摇槽道螺旋桨2，则在波浪力F1消失和纵摇力矩M1消失的同时，令螺旋桨4反向转动，使其产生推力T2，则舰船受T2的作用会产生绕重心G的纵摇力矩M4，以阻止船首下降，并且M4与M3产生抵消效应，将此情况下舰船船首降到的最低位置对应的最大幅值记为H4，对应的纵摇角记为ɸ4。由于M4与M3产生的抵消效应，则H4小于H3，且ɸ4小于ɸ3。

当船首降低到最低点时，船首受到的重力将小于浮力，重力产生的纵摇力矩消失，此时将产生由浮力产生的顺时针方向的纵摇力矩；船尾由于抬起，重力大于浮力，浮力产生的纵摇力矩也消失，此时将产生由重力产生的顺时针方向的纵摇力矩。此后舰船在波浪中的无减纵摇槽道螺旋桨2的运动与受力以及开启内嵌于半潜体8内的减纵摇槽道螺旋桨2后舰船的运动与受力都将重复前述图10和图11的过程。由前述分析可知，内嵌于半潜体8内的减纵摇槽道螺旋桨2总能提供与舰船自身遭遇的纵摇力矩方向相反的减纵摇力矩，有效减小舰船在波浪上的纵摇运动幅值，从而达到舰船减纵摇的效果。

上述实施例一和实施例二中，螺旋桨4的转动轴线均垂直于水平面，能够抵消船体1受到的纵摇力矩，且不产生其他方向的力矩。在本发明的其他具体实施方式中，可以设置螺旋桨4的转动轴线与水平面之间具有夹角，螺旋桨4转动的分力作用于船体1上仍然能够起到减纵摇的作用，但是需要说明的是，螺旋桨4转动产生的其他方向的分力作用于船体1，需要设置相对应的结构或吸能部件予以抵消吸收，避免对船体1造成其他的方向的摇摆。

本发明的减纵摇槽道螺旋桨2，通过螺旋桨4提供的与舰船纵摇运动方向相反的推力所产生的抵抗舰船纵摇运动的纵向力矩，可有效将舰船的纵摇幅值控制在预期的范围内。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种减纵摇槽道螺旋桨，其特征在于，所述减纵摇槽道螺旋桨设置于船体附体上，所述减纵摇槽道螺旋桨与船体重心之间具有一定距离；

所述减纵摇槽道螺旋桨包括槽道和螺旋桨，所述槽道开设于所述船体附体上；所述螺旋桨设置于所述槽道内，所述螺旋桨可转动地与所述船体附体相连；所述螺旋桨连接有驱动器，所述螺旋桨转动能够产生抵抗船体纵摇运动的力矩；所述驱动器为电机，所述驱动器与所述船体附体相连；所述驱动器内嵌于所述船体附体内；

所述船体附体包括舵或半潜体，所述舵包括舵体和导流壳体，所述槽道设置于所述导流壳体上，所述螺旋桨设置于所述槽道内并与所述舵体相连；

或，所述减纵摇槽道螺旋桨设置于所述半潜体上。

2.根据权利要求1所述的减纵摇槽道螺旋桨，其特征在于：所述槽道为棱柱状或圆柱状通孔。

3.根据权利要求1所述的减纵摇槽道螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨包括桨轴和桨叶，多片所述桨叶绕所述桨轴的轴线周向均布，所述桨轴的一端与所述驱动器传动相连，所述桨轴的另一端可转动地与所述船体附体相连。

4.根据权利要求3所述的减纵摇槽道螺旋桨，其特征在于：所述桨轴与所述船体附体之间设置有轴承。

5.根据权利要求3所述的减纵摇槽道螺旋桨，其特征在于：所述桨轴的轴线平行于所述槽道的轴线时，所述螺旋桨的直径较所述槽道的最小直径小；所述桨轴的轴线垂直于所述槽道的轴线时，所述桨叶的最大厚度较所述槽道的高度小。

6.根据权利要求1所述的减纵摇槽道螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨的转动轴线垂直于水平面。

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