一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构及推进装置的制作方法

1.本技术涉及船舶推进装置技术领域，特别涉及一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构及推进装置。


背景技术：

2.目前导管螺旋桨是一种在常规螺旋桨外缘周围增加一导流管(简称导管)的推进装置。由于导管螺旋桨可有效提升螺旋桨的推进效率，目前已广泛应用于拖船、推轮、货船及一些高速艇上，在一些对快速性要求较高的水下航行器上，导管螺旋桨也得到了较好的应用。
3.在一些相关技术中，由于导管结构的存在，为了避免螺旋桨旋转过程中由于振动等因素导致与导管发生碰撞，螺旋桨叶梢与导管内壁间通常会保留一微小间隙，俗称叶梢间隙。该间隙虽然能有效抑制螺旋桨叶梢区域的能量损失，从而显著提升推进器整体的推进效率；
4.但是，同时也会带来叶梢泄漏涡及梢涡空化的难题，具体为：螺旋桨运转过程中，根据伯努利原理，流速大的压强小，流速小的压强大，叶梢间隙处的压力较低，使得叶梢压力面与吸力面之间存在的巨大压力差会促使流体从压力面向吸力面翻转，从而在间隙内部形成二次流动，该二次流动与叶切面绕流主流动在吸力面融合后形成叶梢泄漏涡并从螺旋桨叶片表面脱落然后向下游运动，间隙涡及泄漏涡等螺旋桨梢涡一旦形成，其涡核内部的压力便会急剧降低，极易诱发螺旋桨空化发生。
5.梢涡空化不仅会诱发很强的空化噪声，还会对螺旋桨叶片和导管内壁产生很大的冲击载荷，从而恶化船舶或航行器的工作环境和导管螺旋桨的运转稳定性。鉴于此，有必要对设计一种能够有效抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，以解决相关技术中梢涡空化不仅会诱发很强的空化噪声，还会对螺旋桨叶片和导管内壁产生很大的冲击载荷的问题。
7.第一方面，提供了一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其包括：
8.导管本体，其内壁上设有与其同轴的环形区域，叶梢间隙在内壁上的投影位于该环形区域内，叶梢间隙为螺旋桨叶的叶梢与内壁之间的间隙；
9.多个螺旋叶栅片，其安装在所述环形区域内，并沿所述环形区域的周向均匀间隔分布，以形成防翻流结构，其中螺旋叶栅片的螺距方向与螺旋桨叶的叶梢的螺距方向相反。
10.一些实施例中，所述螺旋叶栅片仅一端和内壁连接，并且该端与内壁直线之间具有设计夹角；所述内壁直线为内壁上与导管本体的中心轴平行的直线；或，
11.所述螺旋叶栅片包括主体部，以及位于主体部两端的叶梢部，主体部内嵌在内壁中，叶梢部与内壁贴合。
12.一些实施例中，所述内壁上还设有将导管本体进水端附近高压区流体直接引入所述环形区域内的射流结构。
13.一些实施例中，所述射流结构包括射流槽，射流槽自所述导管本体的进水端延伸至所述环形区域内。
14.一些实施例中，所述射流槽的数量为多个，并沿所述环形区域的周向间隔分布。
15.一些实施例中，所述射流槽自所述导管本体进水端的边缘处延伸至叶梢间隙对应在内壁上的投影处。
16.一些实施例中，所述导管本体进水端的内壁上设有第一环槽，第一环槽与多个所述射流槽连通；和\或，
17.所述环形区域内设有与多个所述射流槽连通的第二环槽。
18.一些实施例中，所述螺旋桨叶为减速螺旋桨叶，导管本体为减速导管，所述射流槽呈凸弧状，且凸起的方向朝向环形区域的一侧。
19.一些实施例中，所述螺旋桨叶为加速螺旋桨叶，导管本体为加速导管，所述射流槽呈凹弧状，且凹陷的方向朝向导管本体进水端的一侧。
20.第二方面，提供了一种推进装置，其包括：抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构。
21.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
22.本技术实施例提供了一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构及推进装置，由于叶梢间隙在内壁上的投影位于环形区域内，多个螺旋叶栅片沿环形区域的周向均匀间隔分布，以形成防翻流结构，其中螺旋叶栅片的螺距方向与螺旋桨叶的叶梢的螺距方向相反，从而防翻流结构在螺旋桨叶运转过程中产生推力，同时螺旋叶栅片可有效抑制螺旋桨叶片压力面流体向吸力面的翻转流动，即有效控制螺旋桨叶片压力面向吸力面的二次流动，抑制桨叶叶梢涡的形成，从而可有效延缓螺旋桨梢涡空化的初生；此外，一般导管螺旋桨的螺旋桨在导管内壁面诱导的非定常压力脉动幅值最大区域主要位于螺旋桨叶梢附近区域，因此安装以上导管结构后可有效避免螺旋桨诱导的非定常脉动压力对导管内壁面的直接冲击，可降低导管螺旋桨的流致振动噪声水平，提升导管螺旋桨的运转稳定性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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技术的一些实施例，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。
24.图1为相关技术中的螺旋桨叶与导管的结构示意图；
25.图2为本技术实施例提供的加速导管的内部示意图；
26.图3为本技术实施例提供的减速速导管的内部示意图；
27.图4为本技术实施例提供的螺旋叶栅片和螺旋桨叶的结构图；
28.图5为本技术实施例提供的运行时螺旋桨叶的叶梢的受力示意图；
29.图6为本技术实施例提供的运行时螺旋叶栅片的受力示意图；
30.图7为本技术实施例提供的多个螺旋叶栅片安装在导管本体上的三维示意图；
31.图8为本技术实施例提供的多个螺旋叶栅片与导管本体内壁连接的示意图；
32.图9为图7的后视图；
33.图10为本技术实施例提供的射流结构的射流出入口为周向连续的槽状的示意图；
34.图11为本技术实施例提供的射流结构的射流出入口为周向离散的孔状示意图。
35.图中：1、导管本体；100、内壁；2、螺旋桨叶；200、叶梢；201、导边；202、随边；203、压力面；204、吸力面；3、螺旋叶栅片；4、叶梢间隙；5、第一环槽；6、第二环槽；7、射流槽；8、螺旋桨桨轴；9、螺旋桨叶梢剖面。
具体实施方式
36.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.由于螺旋桨梢涡空化产生的表面原因为，螺旋桨叶片压力面流体向吸力面的翻转流动，形成二次流动，因此在本技术的最开始是采用在多个螺旋叶栅片3呈环型分布安装在导管本体1的内壁100上，来抑制桨叶叶梢涡的形成，从而可有效延缓螺旋桨梢涡空化的初生。
38.在进一步的研究过程中我们发现，螺旋桨叶片压力面流体向吸力面的翻转流动的原因在于：螺旋桨运转过程中，根据伯努利原理，流速大的压强小，流速小的压强大，使得叶梢压力面与吸力面之间存在的巨大压力差会促使流体从压力面向吸力面翻转，从而在间隙内部形成二次流动。
39.故而，减弱压力差，就可根本上解决缓解或抑制螺旋桨梢涡空化，具体的可参考如下的说明。
40.本技术实施例提供一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，以解决相关技术中梢涡空化不仅会诱发很强的空化噪声，还会对螺旋桨叶片和导管内壁产生很大的冲击载荷的问题。
41.请参阅图1、图2、图3、图7和图8，一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其包括：
42.导管本体1，其内壁100上设有与其同轴的环形区域，叶梢间隙4在内壁100上的投影位于该环形区域内，叶梢间隙4为螺旋桨叶2的叶梢200与内壁100之间的间隙；
43.多个螺旋叶栅片3，其安装在环形区域内，并沿环形区域的周向均匀间隔分布，以形成防翻流结构，其中螺旋叶栅片3的螺距方向与螺旋桨叶2的叶梢200的螺距方向相反。
44.其中，带导管螺旋桨推进器由螺旋桨桨轴8、螺旋桨叶2和一个环状的导管本体1组成，其中螺旋桨桨轴8和螺旋桨叶2均与常规螺旋桨推进器无异。导管本体1通常为一周向对称的环状结构，也可为周向不对称的环状结构。
45.由于叶梢间隙4在内壁上的投影位于环形区域内，多个螺旋叶栅片3沿环形区域的周向均匀间隔分布，以形成防翻流结构，其中螺旋叶栅片3的螺距方向与螺旋桨叶2的叶梢的螺距方向相反，从而防翻流结构在螺旋桨叶2运转过程中产生推力，同时螺旋叶栅片3可有效抑制螺旋桨叶2的压力面203的流体向吸力面204的翻转流动，即有效控制螺旋桨叶2压力面向吸力面的二次流动，并且改变螺旋桨叶梢的压力分布特征；从而抑制桨叶叶梢涡的形成，可有效延缓螺旋桨梢涡空化的初生；此外，一般导管螺旋桨的螺旋桨在导管内壁面诱
导的非定常压力脉动幅值最大区域主要位于螺旋桨叶梢附近区域，因此安装以上导管结构后可有效避免螺旋桨诱导的非定常脉动压力对导管内壁面的直接冲击，可降低导管螺旋桨的流致振动噪声水平，提升导管螺旋桨的运转稳定性。
46.在以上的设置中，应当理解的是防翻流结构可与叶梢间隙4正对，或者是位于叶梢间隙4的附近，防翻流结构不与转动的螺旋桨叶2相接触。
47.参考图7、图8和图9，在一些优选的实施例中，螺旋叶栅片3仅一端和内壁100连接，并且该端与内壁直线之间具有设计夹角，即图8中的标记m；内壁直线为内壁100上与导管本体1的中心轴平行的直线。这样的设置更加能够抑制螺旋桨叶2的压力面203的流体向吸力面204的翻转流动。其中螺旋叶栅片3的压力面可为等螺距螺旋面或变螺距螺旋面；由于螺旋叶栅片3的螺距方向与叶梢200的螺距方向相反，在螺旋桨叶2的诱导作用和主流道流动的共同作用下产生推力作用，螺旋叶栅片3的剖面可采用常用翼型剖面，并可在周向上存在一定侧斜。
48.当然螺旋叶栅片3也可以是另一种设置的形式，也是最佳的实施方式，即螺旋叶栅片3包括主体部，以及位于主体部两端的叶梢部，主体部内嵌在内壁100中，即内壁100上内陷有容纳主体部的凹槽，叶梢部贴合在内壁100上，这一种结构的设置不会破坏导管本体1提升螺旋桨的推进效率的结构特性；同理这一种形式的螺旋叶栅片3可以与上述的内壁直线平行或有一定的夹角，也就是说螺旋叶栅片3具有一定的侧斜角度。
49.进一步的，参考图4、图5和图6，其为螺旋桨叶2和螺旋叶栅片3的受力示意图。其中螺旋桨叶2的叶梢200、导边201、随边202、压力面203和吸力面204的结构，以及螺旋桨叶梢剖面9的形式如同图4所示，再结合图5和图6的受力分析可以直观的看出抑制螺旋桨叶2的压力面203的流体向吸力面204的翻转流动的状态。
50.其中，螺旋桨叶2中的受力：f
l
为叶片叶切面升力；f
t
为叶片叶切面等效推力(注释：与航向相同或者与来流方向相反方向的力专业上一般认为是等效出来的推力)；fd为叶片叶切面升力；va为叶切面前方来流速度与螺旋桨自身诱导的轴向速度和；
51.螺旋叶栅片3的受力为：f
l
'为叶片叶切面升力；f
t
'为叶片叶切面等效推力(注释：与航向相同或者与来流方向相反方向的力专业上一般认为是等效出来的推力)；fd'为叶片叶切面升力；va'为叶切面前方来流速度与螺旋桨自身诱导的轴向速度和；v为螺旋桨叶切面等效入流速度，vc为叶栅叶切面等效入流速度；v
θ
为螺旋桨在叶栅叶切面处的周向诱导速度；ωr中w为螺旋桨旋转角速度，r为叶切面半径；u
t
为螺旋桨自身诱导的周向速速；
52.因为va其实是包含了来流速度和诱导速度的和，所以这里也建议将ωr和u
t
放一起解释为叶切面周向速度与螺旋桨自身诱导的周向诱导速度之和。
53.参考图2、图3、图10和图11所示的，为减弱压力差，就可根本上解决缓解或抑制螺旋桨梢涡空化，并且配合以上的防翻流结构进行解决本技术所提出的问题。射流结构的具体的结构如下：
54.内壁100上还设有将导管本体1进水端附近高压区流体直接引入环形区域内的射流结构。其原理为：利用导管前缘附近的高压和螺旋桨桨盘面前的抽吸低压之间产生的压差提供将高压区的流体引入叶梢间隙4的低压区内的力，从而一方面可减弱螺旋桨叶2吸力面204的过低的负压，减缓叶片吸力面204空化；另一方面可有效抑制叶梢涡的衍生和发展，从而延缓梢涡空化的产生。具体的是：
55.射流结构的进口放置于导管前缘附近区域，射流结构的出口放置于导边201附近，在pin入口和pout出口之间的压力差作用下，流体沿射流结构流入到叶梢间隙4的低压区，从而缓解减弱螺旋桨叶2的叶梢200附近的过低的压力分布并抑制叶梢涡的衍生和发展，抑制梢涡空化的产生。
56.进一步的，射流结构的具体结构可以为设置在内壁100上的槽体，或者管体；下面对槽体进行了以下的说明：
57.射流结构包括射流槽7，射流槽7自导管本体1的进水端延伸至环形区域内；射流槽7的数量为多个，并沿环形区域的周向间隔分布；射流槽7自导管本体1进水端的边缘处延伸至叶梢间隙4对应在内壁100上的投影处。以上的结构，形成了三种形式：
58.第一种是射流出入口为周向离散的孔状，具体为：导管本体1进水端的内壁100上设有第一环槽5，第一环槽5与多个射流槽7连通。参考图11，其中进水端边缘为标记h。
59.第二种是射流出入口为周向连续的槽状，具体为：环形区域内设有与多个射流槽7连通的第二环槽6。当然单独的射流出口或射流入口的设置也是可以的。参考图10中进水端边缘为标记h。
60.第三种是前两种结构的结合，可根据实际的情况进行设置。
61.以上对射流结构的具体实施例，具有自适应射流的功能，在pin入口和pout出口之间的压力差作用下，流体沿射流结构流入到叶梢间隙4的低压区，不需要另外设置动力装置，在螺旋桨叶2的转动推进过程中，自然形成该压力差。
62.在一些优选的实施例中，对于以上的导管结构可以适用于加速和减速的情况。
63.实施例一，参考图2，螺旋桨叶2为加速螺旋桨叶，导管本体1为加速导管，射流槽7呈凹弧状，且凹陷的方向朝向导管本体1进水端的一侧。
64.实施例二，参考图3，螺旋桨叶2为减速螺旋桨叶，导管本体1为减速导管，射流槽7呈凸弧状，且凸起的方向朝向环形区域的一侧。
65.本技术还提出了一种推进装置，其包括：上述所说明的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构。使得推进装置具有自适应射流的功能，以减弱压力差，从而缓解减弱螺旋桨叶2的叶梢200附近的过低的压力分布并抑制叶梢涡的衍生和发展，抑制梢涡空化的产生，然后配合防翻流结构进行抑制螺旋桨叶2的压力面203的流体向吸力面204的翻转流动，从而最终从而减弱螺旋桨叶梢涡的强度，抑制梢涡空化的发生。
66.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
67.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那
些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
68.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于，其包括：导管本体(1)，其内壁(100)上设有与其同轴的环形区域，叶梢间隙(4)在内壁(100)上的投影位于该环形区域内，叶梢间隙(4)为螺旋桨叶(2)的叶梢(200)与内壁(100)之间的间隙；多个螺旋叶栅片(3)，其安装在所述环形区域内，并沿所述环形区域的周向均匀间隔分布，以形成防翻流结构，其中螺旋叶栅片(3)的螺距方向与螺旋桨叶(2)的叶梢(200)的螺距方向相反。2.如权利要求1所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述螺旋叶栅片(3)仅一端和内壁(100)连接，并且该端与内壁直线之间具有设计夹角；所述内壁直线为内壁(100)上与导管本体(1)的中心轴平行的直线；或，所述螺旋叶栅片(3)包括主体部，以及位于主体部两端的叶梢部，主体部内嵌在内壁(100)中，叶梢部与内壁(100)贴合。3.如权利要求1所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述内壁(100)上还设有将导管本体(1)进水端附近高压区流体直接引入所述环形区域内的射流结构。4.如权利要求3所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述射流结构包括射流槽(7)，射流槽(7)自所述导管本体(1)的进水端延伸至所述环形区域内。5.如权利要求4所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述射流槽(7)的数量为多个，并沿所述环形区域的周向间隔分布。6.如权利要求4所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述射流槽(7)自所述导管本体(1)进水端的边缘处延伸至叶梢间隙(4)对应在内壁(100)上的投影处。7.如权利要求4所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述导管本体(1)进水端的内壁(100)上设有第一环槽(5)，第一环槽(5)与多个所述射流槽(7)连通；和\或，所述环形区域内设有与多个所述射流槽(7)连通的第二环槽(6)。8.如权利要求4所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述螺旋桨叶(2)为减速螺旋桨叶，导管本体(1)为减速导管，所述射流槽(7)呈凸弧状，且凸起的方向朝向环形区域的一侧。9.如权利要求4所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其特征在于：所述螺旋桨叶(2)为加速螺旋桨叶，导管本体(1)为加速导管，所述射流槽(7)呈凹弧状，且凹陷的方向朝向导管本体(1)进水端的一侧。10.一种推进装置，其特征在于，其包括：权利要求1-9任一项所述的抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构。

技术总结
本申请涉及一种抑制螺旋桨梢涡空化的导管结构，其包括：导管本体，其内壁上设有与其同轴的环形区域，叶梢间隙在内壁上的投影位于该环形区域内，叶梢间隙为螺旋桨叶的叶梢与内壁之间的间隙；多个螺旋叶栅片，其安装在所述环形区域内，并沿所述环形区域的周向均匀间隔分布，以形成防翻流结构，其中螺旋叶栅片的螺距方向与螺旋桨叶的叶梢的螺距方向相反。螺旋叶栅片可有效抑制螺旋桨叶片压力面流体向吸力面的翻转流动，抑制桨叶叶梢涡的形成，从而可有效延缓螺旋桨梢涡空化的初生。此外，安装以上导管结构后可有效避免螺旋桨诱导的非定常脉动压力对导管内壁面的直接冲击，可降低导管螺旋桨的流致振动噪声水平，提升导管螺旋桨的运转稳定性。运转稳定性。运转稳定性。


技术研发人员：余海廷 韩汉桥 艾璇 冉令可 贾智淳 赵威
受保护的技术使用者：武汉海王科技有限公司
技术研发日：2022.11.25
技术公布日：2023/4/5