RU2317225C2 - Marine propeller - Google Patents

Abstract

FIELD: shipbuilding; manufacture of marine propellers at minimum level of noise.

SUBSTANCE: proposed marine propeller has hub and blades with entrance and exit sections. Exit sections of blades are made over entire height at periodic deflection of actual blade exit angle relative to designed angle. The periodic deflection of actual exit angle relative to designed angle is magnitude ±Δα reaching 15° beginning with ½ to 1/3b, where b is chord of blade profile in each section; pitch "t" of periodicity may be equal to (0.1-1.0)l, where "l" is blade length; exit sections are wavy in shape. Surface of exit section of blades may be formed by interconnected plane.

EFFECT: reduced intensity of hydrodynamic noise generated by propeller in all operating modes, variable modes inclusive.

2 cl, 4 dwg

Description

Судовой движитель (винт) предназначен для привода судов, кораблей, других плавучих средств с минимальным уровнем шума, излучаемого вращающимися лопастями движителя, особенно при обтекании их не осесимметричным потоком, формируемым кормовой оконечностью судна.The ship propeller (screw) is designed to drive ships, ships, and other floating equipment with a minimum level of noise emitted by the rotating propeller blades, especially when they are not surrounded by an axisymmetric stream formed by the stern end of the vessel.

Изобретение может быть использовано также для снижения шума аэродинамических винтов, вентиляторов и других устройств с вращающимися рабочими колесами, обтекаемыми жидкостью или газом.The invention can also be used to reduce the noise of aerodynamic propellers, fans and other devices with rotating impellers, streamlined with liquid or gas.

Известно, что лопастные системы, вращающиеся в открытом или замкнутом пространствах жидкости или газа, являются источниками гидродинамического (аэродинамического) шума, особенно если поле скоростей набегаемого на лопастную систему потока не осесимметрично относительно оси вращения лопастной системы. Интенсивность излучаемого лопастной системой шума зависит от шестой степени скорости набегающего потока жидкости или газа.It is known that blade systems rotating in open or closed spaces of a liquid or gas are sources of hydrodynamic (aerodynamic) noise, especially if the velocity field of the flow incident on the blade system is not axisymmetric with respect to the axis of rotation of the blade system. The intensity of the noise emitted by the blade system depends on the sixth degree of the speed of the incoming flow of liquid or gas.

Известны способы борьбы с излучаемым винтом шумом за счет конструктивного исполнения лопастей винта. Например, лопасти судового винта выполняются так называемыми серповидными, когда, начиная от ступицы, каждая последующая часть лопасти смещается по окружности по направлению вращения. В результате лопасть получается серповидной.Known methods of dealing with noise emitted by the screw due to the design of the rotor blades. For example, the ship's propeller blades are made by the so-called sickle-shaped, when, starting from the hub, each subsequent part of the blade is displaced around the circumference in the direction of rotation. As a result, the blade is sickle-shaped.

Прототипом изобретения является конструктивное решение по патенту 48-20813, класс 63(5)В05 (F04d), Япония, 1973 г. В прототипе эффект достигается выполнением на лопастях вентилятора прорезей на выходной кромке лопасти.The prototype of the invention is a constructive solution according to patent 48-20813, class 63 (5) B05 (F04d), Japan, 1973. In the prototype, the effect is achieved by making slots on the fan blades at the outlet edge of the blade.

Недостатком этого конструктивного решения является недостаточная эффективность снижения шума во всем спектре звуковых частот (20-20000 Гц). Прорези являются источниками шума на высоких частотах и малоэффективны на переменных по скорости обтекания режимах. Поэтому известное решение применяется в основном в вентиляторах, где максимально обеспечен осесимметричный набегающий поток, и не применяется в многорежимных машинах.The disadvantage of this design solution is the lack of noise reduction in the entire spectrum of sound frequencies (20-20000 Hz). Slots are sources of noise at high frequencies and are ineffective at variable flow conditions. Therefore, the known solution is mainly used in fans, where the axisymmetric incoming flow is maximally ensured, and is not used in multimode machines.

Применение винта с серповидными лопастями снижает излучение шума на лопастной частоте, однако в случае обтекания не осесимметричным потоком эффект снижения гидродинамического шума недостаточен.The use of a screw with crescent-shaped blades reduces noise emission at the blade frequency, however, in the case of a non-axisymmetric flow around the flow, the effect of reducing hydrodynamic noise is insufficient.

Задачей настоящего изобретения является существенное снижение интенсивности генерируемого винтом уровня гидродинамического шума на всех режимах, включая переменные. Генерирование шума винтом на лопастной частоте и ее гармониках связано с двумя основными факторами: сходом вихрей с выходной кромки лопасти винта, интенсивность которых зависит от режима обтекания по нагрузке, и периодическим изменением набегающего потока, связанным с его неосесимметричностью относительно оси вращения винта. Сложение обоих факторов приводит к усилению интенсивности излучаемого шума.The objective of the present invention is to significantly reduce the intensity of the hydrodynamic noise generated by the screw in all modes, including variables. The generation of noise by a screw at a blade frequency and its harmonics is associated with two main factors: the descent of the vortices from the output edge of the screw blade, the intensity of which depends on the flow regime over the load, and periodic variation of the incident flow due to its non-asymmetry with respect to the axis of rotation of the screw. The addition of both factors leads to an increase in the intensity of the emitted noise.

Поставленная задача достигается специальным конструктивным исполнением винта. Особенностью конструкции винта является форма выходного участка и выходной кромки лопастей независимо от общей формы лопасти: серповидной, элипсообразной, с перпендикулярной оси вращения винта входной кромкой лопастей и т.д.The task is achieved by a special design of the screw. The design feature of the screw is the shape of the exit section and the output edge of the blades, regardless of the general shape of the blade: crescent, elliptical, with the input edge of the blades perpendicular to the axis of rotation of the screw, etc.

На фиг.1 показан вид на выходную кромку лопасти винта, на фиг.2 - вид на лопасть винта в плане. На фиг.3 - вариант исполнения выходного участка лопасти, а на фиг.4 - судовой винт с периодичностью, смещенной на каждой лопасти.In Fig.1 shows a view of the output edge of the propeller blade, Fig.2 is a view of the propeller blade in plan. Figure 3 is a variant of the output section of the blade, and figure 4 is a ship screw with a frequency shifted on each blade.

Поставленная задача решается тем, что выходные участки лопастей по высоте выполнены таким образом, что, начиная от 1/2-1/3b, где b - хорда в каждом сечении, периодические отклонения фактического выходного угла относительно расчетного составляют величину ±Δα, доходящую до 15°, причем шаг t периодичности может составлять (0,1-1,0)l, l - длина лопасти, и выходные участки лопастей выполнены волнообразными.The problem is solved in that the output sections of the blades in height are made in such a way that, starting from 1 / 2-1 / 3b, where b is the chord in each section, the periodic deviations of the actual output angle relative to the calculated one are ± Δα, reaching 15 °, and the periodicity step t can be (0.1-1.0) l, l is the length of the blade, and the output sections of the blades are made wavy.

Поверхность выходного участка лопастей может быть также образована соединенными между собой плоскостями.The surface of the outlet portion of the blades can also be formed by interconnected planes.

Специально выполненное профилирование лопасти винта обеспечивает слабую чувствительность к обтеканию ее потоком, имеющим периодическую неоднородность скорости, и за счет этого достигается снижение уровня шума на частоте вращения и лопаточных частотах при сохранении силовых характеристик и экономичности винта. Эффект достигается за счет выполнения периодически изменяемого по высоте относительно расчетного на оптимальном режиме лопасти угла выходной кромки лопасти и смещения этой периодичности, начиная от ступицы, на каждой последующей лопасти на величину

, где t - шаг периодичности, z - число лопастей винта. Такое исполнение винта позволяет «размазать» в пространстве и во времени сход вихревых структур с выходных кромок лопастей винта и тем самым снизить уровень излучаемых винтом гидродинамических пульсаций на оборотной и лопастных частотах. Излучаемый шум по частотным характеристикам приближается к белому шуму и не имеет ярко выраженных периодических пиков.A specially made profiling of the rotor blade provides low sensitivity to flow around it with a periodic velocity heterogeneity, and due to this, a reduction in the noise level at the rotational speed and blade frequencies is achieved while maintaining the power characteristics and economy of the rotor. The effect is achieved by performing the angle of the outlet edge of the blade periodically changing in height relative to the calculated at the optimum blade mode and shifting this frequency, starting from the hub, on each subsequent blade by an amount

, where t is the periodicity step, z is the number of propeller blades. This design of the screw allows you to "smear" in space and time the vortex structures from the output edges of the blades of the screw and thereby reduce the level of hydrodynamic pulsations emitted by the screw at the reverse and blade frequencies. The emitted noise in frequency characteristics approaches white noise and does not have pronounced periodic peaks.

Винт работает следующим образом.The screw works as follows.

Если у обычного винта при прохождении лопастями неравномерности потока циркуляция изменяется примерно на одинаковую величину на каждой поверхности тока, что приводит к практически одновременному сходу вихревой пелены с каждой лопатки вдоль всей выходной кромки лопасти, то в предлагаемой конструкции винта картина образования вихрей и схода вихрей другая. На каждой цилиндрической поверхности тока за счет изменения выходного угла вихри будут образовываться с опережением или запаздыванием относительно линий тока, где отклонение угла от расчетного значения равно нулю. Следовательно, с каждой лопасти будет сходить не сплошной вихревой жгут, а разорванный по времени и смещенный в пространстве. За счет того, что на каждой лопасти имеется дополнительное смещение периодичности изменения выходного угла по высоте лопасти, за винтом в жидкости будет не сплошной вихревой жгут, а раздробленная структура вихрей, которая не будет складываться в пространстве и времени, что является причиной пониженных уровней гидродинамического шума. Поскольку изменение углов выхода вдоль лопасти незначительное, то интегральная энергетическая характеристика винта будет мало отличаться от характеристик винта с обычным профилем лопасти. Винт предлагаемой конструкции будет иметь расширенный диапазон работы с более высоким КПД при отклоненных параметрах по скорости и нагрузке за счет снижения уровня вихревых потерь, так как суммарно возрастает количество участков лопасти с оптимальными углами обтекания и, следовательно, с меньшими потерями и меньшими уровнями гидродинамического шума.If in a conventional screw, when the blades pass through uneven flow, the circulation changes by approximately the same amount on each current surface, which leads to almost simultaneous descent of the vortex sheet from each blade along the entire outlet edge of the blade, then in the proposed screw design the picture of the formation of vortices and vortex exit is different. On each cylindrical surface of the current due to changes in the output angle, vortices will form ahead of or delayed relative to the streamlines, where the deviation of the angle from the calculated value is zero. Consequently, not a continuous vortex rope will descend from each blade, but broken in time and displaced in space. Due to the fact that on each blade there is an additional shift in the frequency of the output angle changing along the height of the blade, behind the screw in the liquid there will be not a continuous vortex bundle, but a fragmented structure of vortices, which will not add up in space and time, which causes lower levels of hydrodynamic noise . Since the change in the exit angles along the blade is small, the integral energy characteristic of the screw will not differ much from the characteristics of a screw with a conventional blade profile. The screw of the proposed design will have an extended range of operation with higher efficiency with deviated parameters in speed and load due to a decrease in the level of vortex losses, since the total number of sections of the blade with optimal flow angles and, consequently, with less losses and lower levels of hydrodynamic noise increases.

Claims (2)

1. Судовой движитель (винт), содержащий ступицу и лопасти с входными и выходными участками, причем выходные участки лопастей по всей высоте выполнены с периодическими отклонениями фактического выходного угла лопасти относительно расчетного угла, отличающийся тем, что выходные участки лопастей по всей высоте выполнены таким образом, что, начиная от 1/2-1/3b, где b - хорда профиля лопасти в каждом сечении, периодические отклонения фактического выходного угла относительно расчетного угла составляют величину ±Δα, доходящую до 15°, причем шаг t периодичности может составлять (0,1-1,0)l, где l - длина лопасти, и выходные участки лопастей выполнены волнообразными.1. A ship propeller (screw) comprising a hub and vanes with inlet and outlet portions, the outlet portions of the vanes along the entire height being made with periodic deviations of the actual exit angle of the propeller relative to the design angle, characterized in that the outlet portions of the vanes along the entire height are made in this way that, starting from 1 / 2-1 / 3b, where b is the chord of the blade profile in each section, the periodic deviations of the actual output angle relative to the calculated angle are ± Δα, reaching up to 15 °, and the step t per singularities can be (0.1-1.0) l, where l is the length of the blade, and the output sections of the blades are made wavy. 2. Судовой движитель (винт) по п.1, отличающийся тем, что поверхность выходного участка лопастей образована соединенными между собой плоскостями.2. Ship propulsion (screw) according to claim 1, characterized in that the surface of the output section of the blades is formed by interconnected planes.

Images