CN114084327A

CN114084327A - 一种船用螺旋桨桨叶结构

Info

Publication number: CN114084327A
Application number: CN202111428557.1A
Authority: CN
Inventors: 宋玉超
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2021-11-26
Filing date: 2021-11-26
Publication date: 2022-02-25

Abstract

本发明公开了一种船用螺旋桨桨叶结构，包括：螺旋桨桨叶本体，所述螺旋桨桨叶本体包括吸力侧和带微凸体的压力侧，所述带微凸体的压力侧上设置有若干个微凸体；所述微凸体沿螺旋桨桨叶的导边至随边方向进行等间距阵列排列。通过在螺旋桨桨叶表面设计微凸体，在原叶型的基础上通过表面微改型提升螺旋桨的效率，在宽进速范围内进一步优化了原叶型桨叶提高螺旋桨敞水效率，使螺旋桨的推力增加，扭矩减小，尾迹扰动减小，且螺旋桨桨叶表面的微凸体加工时易于进行工程喷涂。

Description

一种船用螺旋桨桨叶结构

技术领域

本发明涉及螺旋桨技术领域，尤其涉及一种船用螺旋桨桨叶结构。

背景技术

螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种船用推进器。螺旋桨分为很多种，应用也十分广泛，如飞机、轮船的推进器等。现有的船用螺旋桨造型及桨叶外形，在宽进速系数范围内的螺旋桨桨叶效率低且推力差。另外，现有的桨叶导边随边的齿状螺旋桨桨叶造型复杂，在实际工程中加工难度大，桨叶几何参数与性能优化设计过程复杂难确定。

发明内容

本发明提供一种船用螺旋桨桨叶结构，以解决螺旋桨桨叶在宽进速系数范围内的螺旋桨效率低和推力差的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种船用螺旋桨桨叶结构，包括：螺旋桨桨叶本体，所述螺旋桨桨叶本体包括吸力侧和带微凸体的压力侧，所述带微凸体的压力侧上设置有若干个微凸体；所述微凸体沿螺旋桨桨叶的导边至随边方向进行等间距阵列排列。

进一步地，在同一投影平面上，以螺旋桨旋转中心O为中心，所述微凸体按照阵列间距等间距排列为同心圆。

进一步地，所述微凸体按照特征参数微凸比排列：

其中，λ为微凸比，R为螺旋桨半径，r为微凸体半径，b为阵列间距。

进一步地，所述微凸比小于0.5。

进一步地，所述螺旋桨半径为0.125m-1.0m。

进一步地，所述微凸体半径为0.2mm-1.6mm。

进一步地，所述阵列间距为5mm-40mm。

进一步地，所述微凸体为凸起的球体。

本发明公开的一种船用螺旋桨桨叶结构，通过在螺旋桨桨叶表面设计微凸体，在原叶型的基础上通过表面微改型提升螺旋桨的效率，在宽进速范围内进一步优化了原叶型桨叶提高螺旋桨敞水效率，使螺旋桨的推力增加，扭矩减小，尾迹扰动减小，且螺旋桨桨叶表面的微凸体加工时易于进行工程喷涂。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明四叶螺旋桨及其压力面上微凸体正视图；

图2为本发明四叶螺旋桨及其压力面上微凸体侧视图；

图3为微凸体分布及特征参数；

图4为原型桨叶与阵列半径圆柱体切割结构图；

图5为驱动阵列的曲线；

图6为微凸体构造基准面；

图7为微凸体结构示意图；

图8为微凸螺旋桨叶轮；

图9为微凸螺旋桨表面微凸体；

图10为叶片表面网格及微凸体壁面网格分布；

图11为推力系数变化图；

图12为扭矩系数变化图；

图13为螺旋桨敞水效率变化图；

图14为不带微凸体的螺旋桨表面剪切阻力图；

图15为带微凸体的螺旋桨表面剪切阻力图；

图16为原型叶轮的螺旋桨周围流动涡动频率图；

图17为带微凸体叶轮的螺旋桨周围流动涡动频率图。

图中：1、螺旋桨桨叶本体，2、微凸体，3、叶剖面压力侧边线，4、压力侧阵列曲线的基准面，5、阵列曲线，6、吸力侧，7、带微凸体的压力侧，8、流体域凹坑网格，9、边界层网格。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

如图1-17所示为船用螺旋桨桨叶结构，包括：螺旋桨桨叶本体1，所述螺旋桨桨叶本体1包括吸力侧6和带微凸体的压力侧7，所述带微凸体的压力侧7上设置有若干个微凸体2；所述微凸体2沿螺旋桨桨叶的导边至随边方向进行等间距阵列排列。

进一步地，在同一投影平面上，以螺旋桨旋转中心O为中心，所述微凸体2按照阵列间距b等间距排列为同心圆。在本实施例中，阵列间距b是圆周方向距离，微凸起球体的阵列曲线半径以螺旋桨旋转中心O为中心，这样设置利于桨叶表面的阻力分布和缓和水流的扰动，从而产生水动力性能方面的提升。

进一步地，所述微凸体按照特征参数微凸比排列：

进一步地，所述微凸比小于0.5。进一步地，所述螺旋桨半径为0.125m-1.0m。进一步地，所述微凸体半径为0.2mm-1.6mm。进一步地，所述阵列间距为5mm-40mm。进一步地，所述微凸体为凸起的球体。在本实施例中，以R＝0.125m的四叶螺旋桨为对象，凸起半径r＝0.2mm，阵列间距d＝5mm，设置特征参数微凸比为0.01。依次根据各条阵列曲线5在螺旋桨压力面上建立微凸球体，球体镶嵌在螺旋桨压力面上。

软件模拟实验：

根据螺旋桨桨叶结构特征，依据船用螺旋桨桨叶的叶切面型值表，在SOLIDWORKS软件中进行三维几何建模，在压力面上沿着不同半径比的剖面线从导边至随边阵列设计微凸体，生成具有高推进效率的螺旋桨桨叶。

如图1所示，在三维绘图软件SOLIDWORKS中进行三维桨叶几何构型，具体的构型步骤如下：第一步，根据叶切面型值表转换螺旋桨叶片在xyz轴坐标，将这些坐标通过“插入-曲线-通过XYZ点的曲线”形成不同半径比的切面空间曲线；第二步，根据每个切面空间曲线，通过“插入-曲面-边界曲面”由叶切面空间曲线封闭形成叶切面；第三步，通过“放样”不同叶切面形成桨叶体模型；第四步，通过微凸比对螺旋桨叶片的外型进行优化。

如图3-5所示，r为微凸起半径，R₀为微凸起球体的阵列曲线半径，其中，微凸起球体的阵列曲线半径以螺旋桨旋转中心O为中心，这样设置利于桨叶表面的阻力分布和缓和水流的扰动，从而产生水动力性能方面的提升。其中，如图4所示，阵列曲线通过将原桨叶与R₀圆柱体进行切除，获得具有R₀内径的桨叶截面；如图5所示，然后选取叶剖面上压力侧边线3构建组合曲线，获得不同R₀处驱动的阵列曲线5。在本实施例中，从0.2R(R为螺旋桨半径)开始以0.08R增加，形成10个阵列圆弧曲线。每次设置阵列表面微凸体时，选择阵列曲线建立基准面4，该基准面垂直于压力侧阵列曲线(见图6)，基准点为圆弧端点，方式为与压力侧上的阵列曲线垂直。在基准面上以基准点为圆心建立以r为半径的球体(见图7)，每次设置阵列时采用曲线驱动的阵列，且阵列为等间距，阵列间距b保持不变。

如图2所示，在螺旋桨叶轮压力面上，按照特征参数微凸比

比小于0.5进行建立，其中，R为螺旋桨半径，r为微凸体半径，b为阵列间距。依次根据各条阵列曲线在螺旋桨压力面上建立微凸球体，球体镶嵌在螺旋桨压力面上。如图8和9所示，吸力侧6和带微凸体的压力侧7设置在螺旋桨叶片的两侧，在叶片导边至随边方向进行等间距圆弧阵列，构造微凸体螺旋桨叶片。

如图10所示，对带微凸体的螺旋桨桨叶进行水动力研究时采用边界层技术进行网格划分为流体域凹坑网格8和边界层网格9，其中，边界第一层网格厚度10^-5m，层数为10层，增长率为1.2，为保证旋转叶片表面的无量纲Y+值要求，流速最高处的Y+值小于5。

在计算过程中误差≤10^-6的要求下，采用CFX计算流场获得不同进速系数下螺旋桨的推力、扭矩等参数。通过计算，桨叶表面微凸体设计比原型结构能进一步提高螺旋桨的敞水效率，且推力增加，扭矩减小。

在本实施例中，以R＝0.125m的四叶螺旋桨为对象，凸起半径r＝0.2mm，阵列间距d＝5mm，此时特征参数微凸比λ为0.01。螺旋桨特性及效率见图11、图12和图13，从图11中可以看出，带微凸体螺旋桨的推力均增加，最大增幅在全速时为6.85％；图12中，带微凸体螺旋桨的扭矩在进速系数小于等于0.6时增加，最大增幅在J＝0.1时为4.24％，当进速系数大于0.6时扭矩减小，最大降幅在J＝0.9时为-2.84％。图13中螺旋桨敞水效率扭矩除了在低进速J＝0.1降幅1.96％外，其余高速进速时均增加，最大增幅在全速时为6.40％。

从螺旋桨叶片表面阻力变化和流场内涡动频率变化进行分析螺旋桨敞水效率提高的原因，随着壁面剪切阻力的增大，对流动产生的阻力增大，消耗能量越大。从图15中可以看出，螺旋桨表面的微凸体保证了叶片表面的流动平稳性，使剪切阻力得到了缓解。同时，螺旋桨在推进水流流动时，水涡动紊流越严重时水的反推力也会相应降低。如图17所示，螺旋桨微凸体有效降低了水流在流经螺旋桨盘面通道时的混乱程度，大幅度降低了叶片周围的高频涡动区，此外，在螺旋桨尾迹处也缓和了流动扰动频率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，包括：螺旋桨桨叶本体(1)，所述螺旋桨桨叶本体(1)包括吸力侧(6)和带微凸体的压力侧(7)，所述带微凸体的压力侧(7)上设置有若干个微凸体(2)；所述微凸体(2)沿螺旋桨桨叶的导边至随边方向进行等间距阵列排列。

2.根据权利要求1所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，在同一投影平面上，以螺旋桨旋转中心O为中心，所述微凸体(2)按照阵列间距等间距排列为同心圆。

3.根据权利要求1所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，所述微凸体(2)按照特征参数微凸比排列：

4.根据权利要求3所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，所述微凸比小于0.5。

5.根据权利要求3所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，所述螺旋桨半径为0.125m-1.0m。

6.根据权利要求3所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，所述微凸体半径为0.2mm-1.6mm。

7.根据权利要求3所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，所述阵列间距为5mm-40mm。

8.根据权利要求1所述的一种船用螺旋桨桨叶结构，其特征在于，所述微凸体为凸起的球体。