尾流自适应前置预旋导轮及控制方法与流程

1.本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及尾流自适应前置预旋导轮及控制方法。


背景技术：

2.船舶的节能减排已经成为船舶科研院所、设计院和船厂的迫切需求，特别是在船舶水动力节能附体装置中，采用导轮主体形式的节能装置通常有一个导管，内部布置有导叶，导叶向外延伸至导管外侧。其中，导叶用于产生桨前水流预旋的作用，导管能够起到对船尾螺旋桨前方来流整流的作用。
3.目前，船舶上安装的预旋导轮内部的导叶一般是焊接固定在船体上的，角度固定，导叶不能对桨前水流的预旋作用进行调节。在船舶航行过程中，受到海况、装载状态、航速等因素的影响，螺旋桨工作的负荷变化很大，导致螺旋桨和主机的匹配性较差，从而使得主机的功率不能被充分利用。
4.因此，亟需尾流自适应前置预旋导轮及控制方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.根据本发明的一个方面，本发明提供尾流自适应前置预旋导轮，能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，有效提高船舶的推进效率，达到更好的节能效果。
6.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明采用以下技术方案：
7.尾流自适应前置预旋导轮，包括：
8.驱动机构，所述驱动机构用于设置于船体尾部；
9.环形导管，所述环形导管呈弧状结构，所述环形导管与所述船体尾部的外周壁之间间隔设置有预旋水流通道，所述预旋水流通道用于水流的预旋和通过；
10.导叶，所述导叶位于所述预旋水流通道，所述导叶具有第一端部和第二端部，所述第一端部转动设置于所述环形导管，所述第二端部连接于所述驱动机构，所述驱动机构能够驱动所述导叶沿自身轴线转动，以使所述导叶能够改变所述预旋水流通道内水流的预旋方向和强度；
11.预旋传感器，所述预旋传感器设置于船体上，所述预旋传感器用于检测螺旋桨的工作负荷值。
12.优选地，所述导叶能够绕其轴线相对所述环形导管摆动设置，且所述导叶朝两侧的摆动角度均不超过50
°
。
13.优选地，所述导叶的数量设置有多个，多个所述导叶沿所述船体尾部的外周壁周向发散。
14.优选地，沿所述导叶的轴线至所述导叶两侧的方向，所述导叶的剖面为流线型机翼结构。
15.优选地，所述驱动机构包括第一旋转轴和旋转驱动源，所述旋转驱动源安装于所述船体尾部，所述第一旋转轴的一端连接于所述旋转驱动源，所述第一旋转轴的另一端连
接于所述导叶。
16.优选地，所述船体尾部设置有安装槽，所述旋转驱动源内嵌于所述安装槽。
17.优选地，所述旋转驱动源采用电动或液压驱动。
18.优选地，所述尾流自适应前置预旋导轮还包括第二旋转轴，所述第二旋转轴的两端分别连接于所述环形导管和所述导叶。
19.优选地，所述环形导管设置为半圆环形或圆环形结构。
20.根据本发明的另一个方面，提供了尾流自适应前置预旋导轮控制方法，通过上述尾流自适应前置预旋导轮的实施，所述尾流自适应前置预旋导轮控制方法包括：
21.s100：所述预旋传感器获取螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷值的高低；
22.s200：所述驱动机构启动；
23.s300：确定所述导叶的偏转方向；
24.s400：当所述螺旋桨的工作负荷较高时，所述导叶与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当所述螺旋桨的工作负荷较低时，所述导叶与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。
25.本发明的有益效果为：
26.本发明提供的尾流自适应前置预旋导轮，驱动机构用于设置于船体尾部，环形导管与船体尾部的外周壁之间间隔设置有预旋水流通道。导叶位于预旋水流通道，导叶具有第一端部和第二端部，第一端部转动设置于环形导管，第二端部连接于驱动机构，驱动机构能够驱动导叶沿自身轴线转动，预旋传感器用于检测螺旋桨的工作负荷值。导叶能够根据螺旋桨的工作负荷自动调节偏转方向，实时接收螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷偏大还是偏小。当预旋传感器检测到螺旋桨的工作负荷较高时，在驱动机构的作用下，导叶与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当预旋传感器检测到螺旋桨的工作负荷较低时，导叶在驱动机构的作用下与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。导叶的安装角度自动发生偏转，使得导叶与船尾的水流呈不同的攻角，从而能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，进而能够调节不同海况、装载状态下螺旋桨的工作负荷，使得螺旋桨可充分利用船舶主机发出的功率，有效提高船舶的推进效率，进一步达到更好的节能效果。
27.本发明提供的尾流自适应前置预旋导轮控制方法，预旋传感器获取螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷值的高低，驱动机构启动，确定导叶的偏转方向，预旋传感器对驱动机构进行控制，当螺旋桨的工作负荷较高时，导叶与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当螺旋桨的工作负荷较低时，导叶与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。导叶能够根据螺旋桨工作的负荷自动调节偏转方向，使得导叶与船尾的水流呈不同的攻角，从而能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，有效提高船舶的推进效率。
附图说明
28.图1为本发明实施例中尾流自适应前置预旋导轮的结构示意图；
29.图2为本发明实施例中尾流自适应前置预旋导轮控制方法的流程图。
30.附图标记：
31.100、船体尾部；
32.1、环形导管；
33.2、导叶；
34.3、预旋传感器；
35.4、第一旋转轴；
36.5、旋转驱动源；
37.6、第二旋转轴。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
39.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
41.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
42.现有的船舶上安装的预旋导轮内部的导叶一般是焊接固定在船体上的，角度固定，导叶不能对桨前水流的预旋作用进行调节。在船舶航行过程中，受到海况、装载状态、航速等因素的影响，螺旋桨工作的负荷变化很大，导致螺旋桨和主机的匹配性较差，从而使得主机的功率不能被充分利用。对此，本实施例提供了尾流自适应前置预旋导轮，能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，有效提高船舶的推进效率，达到更好的节能效果。
43.如图1所示，在本实施例中，尾流自适应前置预旋导轮包括驱动机构、环形导管1、导叶2以及预旋传感器3。其中，驱动机构用于设置于船体尾部100，环形导管1呈弧状结构，环形导管1与船体尾部100的外周壁之间间隔设置有预旋水流通道，预旋水流通道用于水流的预旋和通过。导叶2位于预旋水流通道，导叶2具有第一端部和第二端部，第一端部转动设置于环形导管1，第二端部连接于驱动机构，驱动机构能够驱动导叶2沿自身轴线转动，以使导叶2能够改变预旋水流通道内水流的预旋方向和强度，预旋传感器3设置于船体上，预旋传感器3用于检测螺旋桨的工作负荷值。具体地，该尾流自适应前置预旋导轮安装在船体尾部100，驱动机构安装在船体上，驱动机构用于驱动导叶2绕自身的轴线转动，环形导管1环设于船体尾部100的外周，能够汇聚螺旋桨前的水流并引导至预旋水流通道。环形导管1与
导叶2的第一端部转动配合，驱动机构的输出端连接于导叶2的第二端部，预旋传感器3安装在导叶2上，也可以安装在船体的其他位置，并通过控制线路与驱动机构电连接。导叶2能够根据螺旋桨工作的负荷自动调节偏转方向，预旋传感器3能够实时接收螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷偏大还是偏小，判断的依据需要对其进行调试和标定才能确定。当预旋传感器3检测到螺旋桨的工作负荷较高时，预旋传感器3对驱动机构进行控制，在驱动机构的作用下，导叶2与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当预旋传感器3检测到螺旋桨的工作负荷较低时，导叶2在驱动机构的作用下与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。导叶2的安装角度自动发生偏转，使得导叶2与船尾的水流呈不同的攻角，从而能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，进而能够调节不同海况、装载状态下螺旋桨的工作负荷，使得螺旋桨可充分利用船舶主机发出的功率，有效提高船舶的推进效率，进一步达到更好的节能效果。可选地，当螺旋桨的工作负荷值偏大或偏小时，操作员可以直接手动对导叶进行调节。
44.进一步地，继续参照图1，导叶2能够绕其轴线相对环形导管1摆动设置，且导叶2朝两侧的摆动角度均不超过50
°
。具体地，在驱动机构的作用下，导叶2能够绕自身的轴线进行来回摆动，其摆动的角度范围为-50～50
°
，即在水流自然流动的条件下，当导叶2与预旋水流通道内水流的流动方向相互平行时，以此时导叶2的位置0
°
为基准，导叶2能够绕其轴线顺时针或逆时针旋转最大角度为50
°
，从而能够更好地适应螺旋桨更高的工作负荷，即螺旋桨的工作负荷越高，导叶2摆动的角度越大。优选地，导叶2的摆动角度大概值先根据水池模型试验或cfd计算得到，其精确值再根据船舶实际航行的反馈进一步调节。
45.进一步地，继续参照图1，导叶2的数量设置有多个，多个导叶2沿船体尾部100的外周壁周向发散。具体地，多个导叶2的第一端部均间隔设置于船体尾部100的外周壁，多个导叶2的第二端部均间隔设置于环形导管1上，且多个导叶2呈放射状，即多个导叶2的第一端部之间的间距大于第二端部之间的间距。在船舶实际航行状态下单独调节每个导叶2的摆动角度，可以找到满足实船航行导叶2最佳的安装角度，使前置预旋导轮的节能发挥出最佳效果。
46.进一步地，继续参照图1，沿导叶2的轴线至导叶2两侧的方向，导叶2的剖面为流线型机翼结构。具体地，导叶2的上下两个端面呈弧状结构，即导叶2中间位置的厚度较厚，其两侧的厚度较薄，从而能够有效地改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，发挥出船舶的节能效果。
47.进一步地，继续参照图1，驱动机构包括第一旋转轴4和旋转驱动源5，旋转驱动源5安装于船体尾部100，第一旋转轴4的一端连接于旋转驱动源5，第一旋转轴4的另一端连接于导叶2。具体地，旋转驱动源5采用电动或液压驱动，旋转驱动源5的输出端连接于第一旋转轴4，在旋转驱动源5的作用下，第一旋转轴4能够根据螺旋桨的工作负荷大小来带动导叶2来回摆动，使得导叶2与船尾来流的攻角发生变化，改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，进而能够调节不同装载状态下螺旋桨工作的负荷，有效提高船舶的推进效率。
48.进一步地，继续参照图1，船体尾部100设置有安装槽，旋转驱动源5内嵌于安装槽。具体地，旋转驱动源5通过安装固定在船体的安装槽内，连接牢固，不易松脱，可选地，安装槽的数量有多个，多个导叶2对应多个旋转驱动源5，多个旋转驱动源5与多个安装槽一一对应安装，方便拆卸和更换。
49.进一步地，继续参照图1，尾流自适应前置预旋导轮还包括第二旋转轴6，第二旋转轴6的两端分别连接于环形导管1和导叶2。具体地，第二旋转轴6有两种连接方式，第一种是第二旋转轴6的一端固定连接于环形导管1，另一端与导叶2的第一端部转动连接，第二种是第二旋转轴6的一端固定连接于导叶2的第一端部，另一端转动连接于环形导管1，以上两种连接方式均能够实现导叶2相对环形导管1转动。
50.进一步地，继续参照图1，环形导管1设置为半圆环形或圆环形结构。具体地，本实施例的环形导管1为半圆环形结构，当环形导管1为封闭式圆环形结构时，增加导叶2和驱动机构的数量，使得螺旋桨前的水流能够通过船体尾部100的上下区域，进一步提高对水流的预旋强度的调节。
51.本实施例还提供了尾流自适应前置预旋导轮控制方法，如图2所示，通过尾流自适应前置预旋导轮的实施，该尾流自适应前置预旋导轮控制方法包括：
52.s100：预旋传感器3获取螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷值的高低。
53.预旋传感器3安装在导叶2或船体的其他位置上，预旋传感器3用于实时接收螺旋桨的工作负荷值，将判断的螺旋桨的工作负荷值的高低的信号发送给驱动机构，判断螺旋桨的工作负荷偏大还是偏小的依据需要对其进行调试和标定才能确定。
54.s200：驱动机构启动。
55.预旋传感器3通过控制线路与驱动机构电连接，预旋传感器3能够对驱动机构进行自动控制，当预旋传感器3检测到螺旋桨的工作负荷时，启动驱动机构，驱动机构可以驱动导叶2绕其自身的轴线进行顺时针或逆时针旋转。可选地，操作员可以直接手动对导叶进行调节。
56.s300：确定导叶2的偏转方向。
57.s400：当螺旋桨的工作负荷较高时，导叶2与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当螺旋桨的工作负荷较低时，导叶2与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。
58.导叶2能够根据螺旋桨工作的负荷自动调节偏转方向，预旋传感器3能够实时接收螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷偏大还是偏小。当预旋传感器3检测到螺旋桨的工作负荷较高时，导叶2在驱动机构的作用下与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当预旋传感器3检测到螺旋桨的工作负荷较低时，导叶2在驱动机构的作用下与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。使得导叶2与船尾的水流呈不同的攻角，从而能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，使得螺旋桨可充分利用船舶主机发出的功率，有效提高船舶的推进效率，进一步达到更好的节能效果。
59.本实施例提供的尾流自适应前置预旋导轮控制方法，通过尾流自适应前置预旋导轮的实施，预旋传感器3获取螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷值的高低，驱动机构启动，确定导叶2的偏转方向，当螺旋桨的工作负荷较高时，导叶2与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当螺旋桨的工作负荷较低时，导叶2与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。导叶2能够根据螺旋桨工作的负荷自动调节偏转方向，即导叶2的安装角度自动发生偏转，使得导叶2与船尾的水流呈不同的攻角，从而能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，进而能够调节不同海况、装载状态下螺旋桨的工作负荷，使得螺旋桨可充分利用船舶主机发出的功率，有效提高船舶的推进效率，进一步达到更好的节能效果。
60.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：
1.尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，包括：驱动机构，所述驱动机构用于设置于船体尾部(100)；环形导管(1)，所述环形导管(1)呈弧状结构，所述环形导管(1)与所述船体尾部(100)的外周壁之间间隔设置有预旋水流通道，所述预旋水流通道用于水流的预旋和通过；导叶(2)，所述导叶(2)位于所述预旋水流通道，所述导叶(2)具有第一端部和第二端部，所述第一端部转动设置于所述环形导管(1)，所述第二端部连接于所述驱动机构，所述驱动机构能够驱动所述导叶(2)沿自身轴线转动，以使所述导叶(2)能够改变所述预旋水流通道内水流的预旋方向和强度；预旋传感器(3)，所述预旋传感器(3)设置于船体上，所述预旋传感器(3)用于检测螺旋桨的工作负荷值。2.根据权利要求1所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述导叶(2)能够绕其轴线相对所述环形导管(1)摆动设置，且所述导叶(2)朝两侧的摆动角度均不超过50
°
。3.根据权利要求1所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述导叶(2)的数量设置有多个，多个所述导叶(2)沿所述船体尾部(100)的外周壁周向发散。4.根据权利要求1所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，沿所述导叶(2)的轴线至所述导叶(2)两侧的方向，所述导叶(2)的剖面为流线型机翼结构。5.根据权利要求1所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述驱动机构包括第一旋转轴(4)和旋转驱动源(5)，所述旋转驱动源(5)安装于所述船体尾部(100)，所述第一旋转轴(4)的一端连接于所述旋转驱动源(5)，所述第一旋转轴(4)的另一端连接于所述导叶(2)。6.根据权利要求5所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述船体尾部(100)设置有安装槽，所述旋转驱动源(5)内嵌于所述安装槽。7.根据权利要求5所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述旋转驱动源(5)采用电动或液压驱动。8.根据权利要求1所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述尾流自适应前置预旋导轮还包括第二旋转轴(6)，所述第二旋转轴(6)的两端分别连接于所述环形导管(1)和所述导叶(2)。9.根据权利要求1所述的尾流自适应前置预旋导轮，其特征在于，所述环形导管(1)设置为半圆环形或圆环形结构。10.一种尾流自适应前置预旋导轮控制方法，其特征在于，通过如权利要求1-9任一项所述的自适应前置预旋导轮的实施，所述自适应前置预旋导轮控制方法包括：s100：所述预旋传感器(3)获取螺旋桨的工作负荷值，并判断螺旋桨的工作负荷值的高低；s200：所述驱动机构启动；s300：确定所述导叶(2)的偏转方向；s400：当所述螺旋桨的工作负荷较高时，所述导叶(2)与螺旋桨旋转方向相同的方向旋转，当所述螺旋桨的工作负荷较低时，所述导叶(2)与螺旋桨旋转方向相反的方向旋转。

技术总结
本发明属于船舶技术领域，公开了尾流自适应前置预旋导轮及控制方法，该尾流自适应前置预旋导轮包括驱动机构、环形导管、导叶和预旋传感器，驱动机构用于设置于船体尾部，环形导管呈弧状结构，环形导管与船体尾部的外周壁之间间隔设置有预旋水流通道，导叶位于预旋水流通道，导叶的第一端部转动设置于环形导管，导叶的第二端部连接于驱动机构，驱动机构能够驱动导叶沿自身轴线转动，预旋传感器用于检测螺旋桨的工作负荷值，导叶能够根据螺旋桨的工作负荷自动调节偏转方向，使得导叶与船尾的水流呈不同的攻角，从而能够改变螺旋桨前水流的预旋方向和强度，使得螺旋桨可充分利用船舶主机发出的功率，有效提高船舶的推进效率，达到更好的节能效果。好的节能效果。好的节能效果。


技术研发人员：陈雷强 苗飞 黄振宇 黄树权 夏灏超 韩用波
受保护的技术使用者：中船重工（上海）节能技术发展有限公司
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/6/27