CN101616839A - 船用螺旋桨螺距调节装置 - Google Patents

Abstract

一种用于船用螺旋桨的叶片，包括位于槽中的调节板条，所述槽邻近该叶片的高压面的后缘。该调节板条从该叶片的表面凸出，改变该叶片的流体动力学特性。该板条可以用具有不同高度的其它板条来替换，以适应流体动力学特性的特定要求。

Description

船用螺旋桨螺距调节装置

技术领域

本发明涉及一种用于调节船用螺旋桨的流体动力学特性——诸如螺距(pitch)——的装置。

背景技术

用于船舶的推进系统通常被校准为在狭窄的参数内运行，以实现有效运行。特别地，船用螺旋桨的流体动力学特性通常密切地和下列因素匹配：关联的电动机的速度和功率；船舶的重量、重量分布以及船身阻力；以及船舶运行于其中的环境，诸如水温。

许多在船舶中使用的发动机被电子地控制，以根据该船舶正运行于其中的周边空气和水的温度来调整这些发动机的功率输出。这会使得难以选择螺旋桨，因为螺旋桨被设计为使得当发动机节气门完全打开时达到最小转速从而防止发动机过载是重要的。

螺旋桨的转速将根据片状空泡(sheet cavitation)的程度改变，这一预期进一步加重了螺旋桨设计的复杂性。空泡的量根据以下因素而显著改变：船舶速度、螺旋桨正工作于其中的水的密度和温度以及船体和轴线的流体动力学特性。空泡会导致螺旋桨的过度振动、磨损以及效率损失。

虽然复杂，但是螺旋桨的流体动力学特性被足够充分地理解，使得有可能设计出与船舶和发动机的已知特征匹配的螺旋桨。然而，当船舶特征改变时，例如因加入诸如捕鱼台架(fishing tower)之类的新部件或者因将船舶从冷水环境重新定位到温水环境而改变时，会产生问题。

该问题的已知解决方案从替换螺旋桨——这可能是非常昂贵的做法——到手工弯折螺旋桨叶片而不同。叶片的弯折以基本不可控的方式改变螺旋桨的流体动力学特性，并且还引入应力，所述应力会导致叶片的疲劳开裂以及最终的机械故障。

本发明致力于至少部分地改善这些问题，并提供一种用于以可控方式改变船用螺旋桨流体动力学特性的装置。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于船用螺旋桨的叶片，该叶片包括联接部分，该联接部分被布置为容纳调节装置，由此，调节装置与联接部分的接合改变叶片的流体动力学特性。本发明设想可获得的调节装置选择，由此可以从多个调节装置中选择特定的调节装置，以获得期望的流体动力学特性。

根据本发明的第二个方面，提供了一种调节装置，其被布置为与船用螺旋桨的叶片接合，该调节装置具有接合部分，该接合部分被布置为由叶片的联接部分容纳，由此，调节装置与叶片的接合改变叶片的流体动力学特性。

优选地，所述联接部分包括叶片内的槽，所述调节装置包括可被容纳在所述槽内的板条，所述板条包括向外凸出的部分。有利地，所述板条可以容易地被拆下并替换。

更优选地，所述槽位于高压面上，邻近叶片的后缘(trailingedge)。有利地，这使得板条的使用可改变螺旋桨的有效螺距。期望的是，所述板条在不在叶片内引入应力集中的前提下尽可能靠近后缘。板条优选地在后缘50mm以内，可以距后缘大约15mm。

所述板条的宽度可以小于10mm，或许大约5mm。这在不显著改变叶片特性的前提下提供足够的板条强度。

所述板条的长度可以是叶片半径的大约60％。使板条延伸超过叶片半径的90％，并在板条端部设置凹弯曲，使得该端部的水压可有有用的局部增加。使板条从叶片半径的大约30％处开始，会使由于水在板条内流动而引起的损失最小化。

在一个替代性实施方案中，所述板条可位于叶片的低压面上。可以设想，这将帮助防止空泡。

附图说明

参照附图进一步描述本发明是便利的，附图示出了本发明的螺旋桨调节装置的优选实施方案。其它实施方案也是可能的，因此，附图的特殊性不应被理解为取代本发明的在前描述的一般性。附图中：

图1是根据本发明的船用螺旋桨叶片的立体图；

图2是图1的螺旋桨叶片的侧视图；

图3是图1的螺旋桨叶片的正视图；

图4是图1的螺旋桨叶片的端视图；

图5是图1的螺旋桨叶片的通过图4中所标记的可变基准线A-A的横截面；以及

图6是示于图5中的横截面的一部分的放大图。

具体实施方式

参照附图，示出了螺旋桨10的单个叶片12。螺旋桨10具有多个这样的叶片12，这些叶片12从毂14向外延伸。通常，一个螺旋桨10可具有五个或六个叶片12，然而，将认识到，本发明可以应用于具有任意期望数量的叶片的螺旋桨。

螺旋桨10具有低压或上游侧16和高压或下游侧18。

各叶片12在形状和结构上全都基本相似。每个叶片12具有基本面向螺旋桨10的下游侧18的高压面20和基本面向螺旋桨10的上游侧16的低压面22。每个叶片12具有前缘24、后缘26以及内缘30。每个叶片12的内缘30连接到毂14。前缘24形成了从内缘30延伸到螺旋桨10最外部的凸曲线。在附图的实施方案中，后缘26形成了从内缘30到螺旋桨最外部的大体凹曲线。前缘24的曲率显著大于后缘26的曲率，因此为叶片的面20、22限定了球状(bulbous)形状。

在示于附图的实施方案中，每个叶片12从毂14弯曲地伸出，如在图2中最佳看到的。内缘30相对地沿毂14定向，相对于毂14的纵向方向形成了叶片角。该叶片角随着距轴毂(boss)的距离和标称设计螺距而变化。在其最弯曲的外部，前缘24相对于毂14的纵向方向形成大约65°的角度。

将认识到，如上所述的螺旋桨10的所有参数都在螺旋桨的铸造过程中基本设定。如此一来，这些参数可被选择并设计为适于特定的应用。

本发明的优点在于能够在不改变所设计形状和结构的前提下改变螺旋桨的特性。

每个叶片12包括为槽32的形式的联接部分。在一个优选实施方案中，如附图中所示，槽32位于叶片的高压面20，邻近后缘26但与后缘26略微间隔开。在附图的实施方案中，该槽从内缘30附近的第一端部34延伸到后缘26最外端附近的第二端部36。槽32基本遵循后缘26的轮廓。特别地，槽32在其外端部36具有凹弯曲，遵循后缘26与前缘24汇合时后缘26的轮廓。

在示于附图中的优选实施方案中，第一端部34位于径向距离为螺旋桨半径的大约0.3的位置。第二端部36位于径向距离为螺旋桨半径的大约0.925的位置。

如可在图6中最佳看到的，低压面22在后缘26处逐渐向叶片12的高压面20靠拢。槽32正好位于该锥形体内，不超出整个叶片的厚度。在示于附图中的实施方案中，槽32与后缘26间隔大约15mm，同时该槽具有大约5mm的厚度。

在一个优选实施方案中，如附图中所示，槽32是“鸽尾”形状的，如在图6中最佳看到的。该鸽尾具有与高压面20的表面成大约60°角的侧面37。该槽具有基本平行于高压面20的表面的底部35。在示于附图中的实施方案中，槽32具有大约3.4mm的深度，该深度大约为叶片厚度的一半。

槽32在第一端部包括引入区域38，该引入区域38的横截面基本为矩形，并且该引入区域38宽于槽32的其余部分。引入区域38的深度是渐变的，从高压面20的表面到槽32其余部分的深度。

槽32被布置为容纳调节装置，该调节装置为凸出板条40的形式。一个合适的凸出板条40的横截面可在图6中看到。

凸出板条40是细长的，并具有基本恒定的横截面形状。该凸出板条包括接合部分42和向外凸出部分44。

接合部分42与槽32形状互补。在附图的实施方案中，该接合部分为“鸽尾”结构，但将认识到，也可以使用其他结构。

向外凸出部分44从接合部分42延伸出来，使得当接合部分42被接合在槽32内时，向外凸出部分44从高压面20向外突出。在附图的布置中，向外凸出部分44基本垂直于高压面20。

凸出板条40可以由任意合适的材料制成。可能的材料包括尼龙和聚氨酯。

凸出板条40可以通过滑动接合与槽32接合。板条40通过引入区域38被引入槽32。

凸出板条40接合到槽32中的作用是，改变叶片12的流体动力学特性，并因而改变螺旋桨10的流体动力学特性。特别地，板条40接合到每个叶片12中具有增加螺旋桨10的有效螺距的作用。与水从前缘24至后缘26以基本层流方式流过螺旋桨不同，流动改为从前缘24到向外凸出部分44的上沿46。这减小了水流相对于毂14的纵向方向的角度，有效增加了螺旋桨10的螺距。

将认识到，改变有效螺距的程度直接与向外凸出部分44的高度有关。

试验表明，有效螺距通过以下两种机制改变：因前缘24和上沿46之间的角度改变而改变螺距，如上所述；以及压力沿着向外凸出部分44的工作面(leading face)集中，从而导致流体流动方向改变。对类似于上文所述和附图所示的螺旋桨的测试表明，后一作用可以通过由于偏斜而引起的螺距变化(P_D)——其是凸出部分高度(H_T)的线性函数——来描述。在申请人进行的测试中测得的关系为P_D(mm)＝45+25.4(H_T-1)。该关系符合具有0.5mm和4mm之间的H_T的凸出部分的结果。

将认识到，该关系表明，包含小的凸出部分仍可以使螺距改变至少20mm。

有效螺距的总变化等于角度增加所引起的螺距(P_I)和由于偏斜而引起的螺距变化(P_D)的叠加。因此，半径r(mm)处的有效螺距(P_E(r)(mm))被定义为P_E(r)＝P_D+tan(α_P+α₁).2πr，其中α_P是不带板条40的螺旋桨的螺旋角，α₁是螺旋角的变化。叶片上的有效螺距的总变化可以通过在半径范围内取平均值获得。

可以理解，槽32的长度及其端部34和36的位置，将显著影响由使用板条40而导致的流体动力学特性改变。考虑使槽32的第二端部36处具有弯曲会增加由水压导致的偏斜作用。还考虑使由接近毂14的叶片部分产生的提升(lift)较小，因此槽的第一端部34的位置可能不那么重要。

在使用中，可以预见一个螺旋桨10将设有多组凸出板条40，各组的凸出部分44的高度互不相同。这样，可以根据螺旋桨10将运行于其中的条件来选择有效螺距。

构造螺旋桨的程序从考虑期望的平均螺距开始。当这已经确定时，可以运用上述方程式来设计这样的螺旋桨：其标称螺距小于期望的平均螺距，但通过使用具有例如1.5mm的凸出部分的板条，其能获得期望的平均螺距。

在螺旋桨10的铸造之后，可接着在每个螺旋桨叶片14中加工合适的槽32。在完成加工工序之后，初始板条40(在该实例中具有1.5mm的高度)可以被插入槽32中。

虽然关于改变螺距对本发明进行了描述，但是将认识到，槽32的合适放置可以使本发明能够被用于改变叶片12的其它流体动力学特性。例如，有可能将本发明应用在低压面22上，以减少或控制空泡的产生。

对本领域技术人员显而易见的修改和变化视为在本发明的范围内。例如，虽然凸出部分44被描述为基本垂直于高压面20延伸，但是将认识到，在一些应用中，可能希望凸出部分44相对于它自其延伸的面形成锐角或钝角。

Claims (23)

1.一种用于船用螺旋桨的叶片，该叶片包括联接部分，该联接部分被布置为容纳调节装置，由此调节装置与联接部分的接合改变叶片的流体动力学特性。

2.如权利要求1所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述联接部分被布置为容纳调节装置选择中至少之一，所述选择中的每个以不同程度改变叶片的流体动力学特性。

3.如权利要求1或2所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述联接部分包括叶片内的槽。

4.如权利要求3所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述调节装置包括板条，所述板条具有可被容纳在所述槽内的接合部分以及在使用中从叶片的一个表面延伸的凸出部分。

5.如权利要求4所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述凸出部分具有小于10mm的宽度。

6.如权利要求5所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述凸出部分具有大约5mm的宽度。

7.如权利要求4到6中任一所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述接合部分与所述槽形状互补。

8.如权利要求7所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽的横截面形状是鸽尾形。

9.如权利要求3到8中任一所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽位于所述叶片的高压面上。

10.如权利要求9所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽邻近所述叶片的后缘定位。

11.如权利要求10所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽从叶片半径的大约30％处延伸至叶片半径的超过90％处。

12.如权利要求10或11所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽与所述后缘间隔小于50mm。

13.如权利要求12所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽与所述后缘间隔小于25mm。

14.如权利要求13所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽与所述后缘间隔约15mm。

15.如权利要求10到14中任一所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽大体遵循所述后缘的轮廓。

16.如权利要求15所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽在其外端部具有凹弯曲。

17.如权利要求3到8中任一所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽位于所述叶片的低压面上。

18.如权利要求3到17中任一所述的用于船用螺旋桨的叶片，其中，所述槽包括引入区域，该引入区域宽于所述槽的其余部分。

19.一种具有多个如前述任一权利要求所述的叶片的船用螺旋桨。

20.一种调节装置，其被布置为与船用螺旋桨的叶片接合，所述调节装置具有接合部分，该接合部分被布置为由叶片的联接部分容纳，由此所述调节装置与叶片的接合改变叶片的流体动力学特性。

21.如权利要求20所述的调节装置，其中，所述调节装置包括板条，该板条具有接合部分和向外凸出部分。

22.如权利要求21所述的调节装置，其中，所述向外凸出部分基本垂直于叶片的一个表面，所述向外凸出部分从该表面凸出。

23.一种确定调节装置对船用螺旋桨叶片的流体动力学特性的影响的方法，该方法包括步骤：计算由水流角度增加引起的有效螺距变化以及由于由水流导致的偏斜而引起的有效螺距变化，并将这两个作用叠加。

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