專利名稱：跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與船舶的螺槳設(shè)計(jì)方法相關(guān)，特別是指一種適用于多速度域的先進(jìn)翼型設(shè)計(jì)方法與結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)有船舶推進(jìn)器螺槳是以NACA系列、KCA系列或超空化(Supercavitating)等系列螺槳為主，請參閱圖1所示，其選用NACA系列的螺槳，透過黏性流分析與空化模塊的分析，請同時(shí)參閱圖2所示，可發(fā)現(xiàn)NACA系列螺槳其面積比為1. 0時(shí)，于速度域?yàn)?0節(jié)時(shí)其效率為0. 72，當(dāng)速度域提升到40節(jié)時(shí)其效率確只有0. 5，因此，可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有NACA系列螺槳于跨速度域時(shí)，其螺槳會(huì)因?yàn)榭栈F(xiàn)象而使其效率會(huì)急速下降，并可發(fā)現(xiàn)NACA等現(xiàn)有螺槳僅在于某些速度域中發(fā)揮最佳的效能，一旦超過范圍時(shí)，其效能則會(huì)大幅下降。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有船用推進(jìn)器螺槳于30節(jié)以下時(shí)，多采用NACA系列或KCA系列的螺槳，而30 節(jié)以上時(shí)，則多采用超空化系列螺槳為主，但現(xiàn)在一般船舶最常航行的速度為20 40節(jié)為主，如采用NACA系列或KCA系列的螺槳且航速超過30節(jié)時(shí)，則其螺槳的效能不僅會(huì)因?yàn)榭栈F(xiàn)象的產(chǎn)生而大大降低效能，同時(shí)螺槳表面也會(huì)因?yàn)榭栈F(xiàn)象同時(shí)所產(chǎn)生的許多破裂氣泡，而造成船體的震動(dòng)，因此，如何將超空化系列螺槳設(shè)計(jì)為可適用于用低速度與高速度域的螺槳，實(shí)為有待改善之處。本發(fā)明提供一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，該方法主要包含有(A)建立跨速度域螺槳的基本造型每一跨速度域螺槳由多個(gè)葉片所構(gòu)成，每一葉片并具有一上表面壓力面與一下表面壓力面，該跨速度域螺槳并依主機(jī)馬力、轉(zhuǎn)速、船速及螺槳直徑建立其環(huán)境參數(shù)，并依此環(huán)境參數(shù)及所給定的不同半徑的弦長比例、展開面積比(EAR)與選定形成該跨速度域螺槳其翼形的基本斷面，并依跨速度域螺槳其翼形而建立該跨速度域螺槳的基本造型；(B)環(huán)流分布最佳化依設(shè)計(jì)需求將相關(guān)參數(shù)輸入升力線程序，并依該升力線程序進(jìn)行環(huán)流最佳化分布計(jì)算，計(jì)算該跨速度螺槳其上表面壓力面與下表面壓力面的負(fù)荷分布，使該跨速度域螺槳獲得環(huán)流分布最佳化；(C)調(diào)整跨速度域螺槳造型將選定的跨速度域螺槳的基本造型與環(huán)流分布最佳化的參數(shù)輸入升力面設(shè)計(jì)程序，并依升力面設(shè)計(jì)程序而獲得調(diào)整后的跨速度域螺槳造型、螺距比與拱弦比；(D)分析推力與扭力及將步驟(C)所獲得修正后的跨速度域螺槳造型先依螺槳邊界元素法分析程序計(jì)算，并再依步驟(C)的螺距比與拱弦比進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，再獲得耦合設(shè)計(jì)修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力；
(E)完成跨速度域螺槳之設(shè)計(jì)的步驟，當(dāng)依上述步驟所修正的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)，則完成跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)，若修正的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力不符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)，則重新進(jìn)行步驟(B)至步驟(D)。并修正該跨速度域螺槳運(yùn)用于該升力線程序、升力面設(shè)計(jì)程序與邊界元素法程序所輸入的設(shè)計(jì)需求參數(shù)；其中，步驟(B)環(huán)流分布最佳化時(shí)的設(shè)計(jì)需求是選自由螺槳扭力與螺槳推力的設(shè)計(jì)需求組群中至少一種設(shè)計(jì)需求組群所獲得；其中，該步驟(E)還進(jìn)一步使重新調(diào)整步驟(B)至步驟(D)中，該跨速度域螺槳運(yùn)用于該升力線程序、升力面設(shè)計(jì)程序與邊界元素法程序所輸入的設(shè)計(jì)需求參數(shù)。本發(fā)明所提供一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，使該跨速度域螺槳在一般船舶最常航行的速度域中，該跨速度域螺槳能降低因不同速度域所產(chǎn)生空化現(xiàn)象的影響，并同時(shí)減少每一葉片上、下表面壓力面所附著的氣泡于其表面產(chǎn)生破裂，進(jìn)而使該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生效率降低過大且能維持高效率的使用。


圖1是現(xiàn)有NACA螺槳的立體示意圖。圖2是現(xiàn)有NACA螺槳于40節(jié)時(shí)的壓力分布與空化示意圖。圖3是本發(fā)明的跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法流程圖。圖4是本發(fā)明的跨速度域螺槳的立體示意圖。圖5是本發(fā)明的跨速度域螺槳于40節(jié)時(shí)的壓力分布與空化示意圖。圖6是本發(fā)明的跨速度域螺槳的黏性流空化分析示意圖。圖7本發(fā)明的跨速度域螺槳與現(xiàn)有螺槳于不同速度域時(shí)的效率比較圖。圖8是本發(fā)明的跨速度域螺槳與現(xiàn)有螺槳于20節(jié)與40節(jié)時(shí)，其螺槳負(fù)荷與效率圖。
具體實(shí)施例方式首先，請參閱圖3至圖4所示，本發(fā)明為一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，其所設(shè)計(jì)的跨速度域螺槳可運(yùn)用于多個(gè)速度域，并使該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)，可減少其空化現(xiàn)象產(chǎn)生的影響與效率的急速下降，其中，該跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法主要包含有下列步驟(A)建立跨速度域螺槳的基本造型每一跨速度域螺槳由多個(gè)葉片所構(gòu)成，每一葉片并具有一上表面壓力面與一下表面壓力面，該跨速度域螺槳并依主機(jī)馬力、轉(zhuǎn)速、船速及螺槳直徑建立其環(huán)境參數(shù)，并依此環(huán)境參數(shù)及所給定的不同半徑的弦長比例、展開面積比(EAR)與選定形成該跨速度域螺槳其翼形的基本斷面，而建立跨速度域螺槳的基本造型；(B)環(huán)流分布最佳化依設(shè)計(jì)需求將相關(guān)參數(shù)輸入升力線程序，該升力線程序并依進(jìn)行環(huán)流最佳化分布計(jì)算，計(jì)算該跨速度螺槳其上表面壓力而與下表面壓力面的負(fù)荷分布，并使該跨速度域螺槳獲得環(huán)流分布最佳化，其中，該設(shè)計(jì)需求是選自螺槳扭力或螺槳推力所組成的組群中至少一種設(shè)計(jì)需求組群所獲得；(C)調(diào)整跨速度域螺槳造型將選定的跨速度域螺槳的基本造型與環(huán)流分布最佳化的參數(shù)輸入升力面設(shè)計(jì)程序，并依升力面設(shè)計(jì)程序而獲得調(diào)整后的跨速度域螺槳造型、螺距比與拱弦比；(D)分析推力與扭力將步驟(C)所獲得修正后的跨速度域螺槳造型先依螺槳邊界元素法分析程序計(jì)算，并再依步驟(C)的螺距比與拱弦比進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，再獲得耦合設(shè)計(jì)修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力；(E)完成跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)若修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)，則完成跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)，若修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力不符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)， 則重新進(jìn)行步驟(B)至步驟(D)，并修正該跨速度域螺槳運(yùn)用于該升力線程序與升力面設(shè)計(jì)程序所輸入的設(shè)計(jì)需求參數(shù)；由此，使該跨速度域螺槳在一般船舶最常航行的速度域中，該跨速度域螺槳能降低因不同速度域所產(chǎn)生空化現(xiàn)象的影響，并同時(shí)減少每一葉片上、下表面壓力面所附著的氣泡于其表面產(chǎn)生破裂，進(jìn)而使該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生效率降低過大且該跨速度域螺槳能維持高效率的使用。為供進(jìn)一步了解本發(fā)明構(gòu)造特征、運(yùn)用技術(shù)手段及所預(yù)期達(dá)成的功效，茲將本發(fā)明使用方式加以敘述，相信當(dāng)可由此而對本發(fā)明有更深入且具體的了解，如下所述請配合參閱圖3及圖8所示，該跨速度域螺槳先依步驟(A)輸入主機(jī)馬力、轉(zhuǎn)速、 船速及螺槳直徑等環(huán)境參數(shù)，本發(fā)明較佳實(shí)施例的跨速度域螺槳為具有4個(gè)葉片，而每一葉片的直徑并為1公尺長，而對應(yīng)該轉(zhuǎn)速與船速相關(guān)的前進(jìn)系數(shù)為1. 14，KQ系數(shù)為0. 0509， 所應(yīng)用的速度域?yàn)?0節(jié)至40節(jié)，其中，該跨速度域螺槳并不怕空化現(xiàn)象所導(dǎo)致的推力突降，因此，具面積可以做的更小，本發(fā)明其跨速度域螺槳的面積比為0.667，再依步驟(B)將設(shè)計(jì)需求中的螺槳扭力與螺槳推力的參數(shù)輸入升力線程序進(jìn)行環(huán)流分布最佳化計(jì)算，并依步驟(C)的升力面設(shè)計(jì)程序而獲得調(diào)整后的跨速度域螺槳造型、螺距比與拱弦比，并于步驟(D)分析該調(diào)整后的跨速度域螺槳造型依螺槳邊界元素分析程序而獲得其螺槳推力與螺槳扭力，當(dāng)該螺槳推力與螺槳扭力符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)，則完成跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)，若不符合預(yù)定設(shè)定值等，則重新進(jìn)行步驟(B)至步驟(D)，并修正該跨速度域螺槳運(yùn)用于該升力線程序、升力面設(shè)計(jì)程序與邊界元素法程序所輸入的設(shè)計(jì)需求參數(shù)。請同時(shí)參閱圖4至圖5所示，依該跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法所產(chǎn)生的跨速度域螺槳，透過考慮空化模塊的黏性流分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其速度域在20節(jié)時(shí)其效率為0. 72，但當(dāng)其速度域在40節(jié)時(shí)其效率為0. 6，并同時(shí)比較圖2與圖5左上所示的壓力分布可知，該跨速度域螺槳推力并未因?yàn)槠渌俣扔蛴?0節(jié)提升為40節(jié)時(shí)，而使該跨速度域螺槳產(chǎn)生推力急速降低的現(xiàn)象。當(dāng)空化現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)其所產(chǎn)生的空泡會(huì)從吸力面的導(dǎo)緣開始產(chǎn)生，且因?yàn)椴]有貼著螺槳表面，而導(dǎo)致阻力過大造成推力與效率的降低，請參閱圖6所示，本發(fā)明的跨速度域螺槳于步驟(C)與(D)是對其螺距比與拱弦比進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，本發(fā)明可以發(fā)現(xiàn)該跨速度域螺槳的空泡是從吸面的導(dǎo)緣開始，并且貼著該跨速度域螺槳的表面，而減少其阻力，并符合超空化螺槳該有的現(xiàn)象，并參考圖7的比較圖可知，該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)，其效率為相當(dāng)平均，并不會(huì)因?yàn)椴煌俣扔蚨a(chǎn)生推力明顯不足與效率低的現(xiàn)象，同時(shí)再參考圖8所示可知，其為跨速度域螺槳與現(xiàn)有螺槳于速度域?yàn)?0節(jié)與40節(jié)時(shí)，其螺槳負(fù)荷與效率圖，由圖中可知，于低速度域即船速為20節(jié)時(shí)，該現(xiàn)有螺槳與跨速度域螺槳的效率不分軒輊，但隨著速度的增加便會(huì)看到現(xiàn)有螺槳的效率大幅的下降，而該跨速度域螺槳?jiǎng)t是呈現(xiàn)相對緩和的下降幅度。茲，再將本發(fā)明的特征及其可達(dá)成的預(yù)期功效陳述如下1、本發(fā)明一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，其中，使該跨速度域螺槳在一般船舶最常航行的速度域中，該跨速度域螺槳能降低因不同速度域所產(chǎn)生空化現(xiàn)象對于性能的影響。2、本發(fā)明一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，其中，該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)， 不會(huì)產(chǎn)生效率降低過大且能維持高效率的使用。綜上所述，本發(fā)明在同類產(chǎn)品中實(shí)有其極佳的進(jìn)步實(shí)用性，同時(shí)遍查國內(nèi)外關(guān)于此類結(jié)構(gòu)的技術(shù)數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)中亦未發(fā)現(xiàn)有相同或近似的構(gòu)造存在在先，是以，本發(fā)明實(shí)已具備發(fā)明專利要求，依法提出申請。以上所述，僅為本發(fā)明的一較佳可行實(shí)施例而已，故舉凡應(yīng)用本發(fā)明說明書及申請專利范圍所為的等效結(jié)構(gòu)變化，理應(yīng)包含在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所設(shè)計(jì)的跨速度域螺槳可運(yùn)用于多個(gè)不同速度域，并使該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)，其中，該跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法主要包含有下列步驟(A)建立跨速度域螺槳的基本造型每一跨速度域螺槳由多個(gè)葉片所構(gòu)成，每一葉片并具有一上表面壓力面與一下表面壓力面，該跨速度域螺槳并依主機(jī)馬力、轉(zhuǎn)速、船速及螺槳直徑建立其環(huán)境參數(shù)，并依此環(huán)境參數(shù)及所給定的不同半徑的弦長比例、展開面積比(EAR)與選定形成該跨速度域螺槳其翼形的基本斷面，并依跨速度域螺槳其翼形而建立該跨速度域螺槳的基本造型；(B)環(huán)流分布最佳化依設(shè)計(jì)需求將相關(guān)參數(shù)輸入升力線程序，并依該升力線程序進(jìn)行環(huán)流最佳化分布計(jì)算，計(jì)算該跨速度螺槳其上表面壓力面與下表面壓力面的負(fù)荷分布，使該跨速度域螺槳獲得環(huán)流分布最佳化；(C)調(diào)整跨速度域螺槳造型將選定的跨速度域螺槳的基本造型與環(huán)流分布最佳化的參數(shù)輸入升力面設(shè)計(jì)程序，并依升力而設(shè)計(jì)程序而獲得調(diào)整后的跨速度域螺槳造型、螺距比與拱弦比；(D)分析推力與扭力將步驟(C)所獲得修正后的跨速度域螺槳造型先依螺槳邊界元素法分析程序計(jì)算，并再依步驟(C)的螺距比與拱弦比進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，再獲得耦合設(shè)計(jì)修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力；(E)完成跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)若修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)，則完成跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)，若修正后的跨速度域螺槳其螺槳推力及螺槳扭力不符合預(yù)定設(shè)定值時(shí)，則重新進(jìn)行步驟(B)至步驟(D)。
2.依權(quán)利要求1所述跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(B)環(huán)流分布最佳化時(shí)的設(shè)計(jì)需求選自由螺槳扭力與螺槳推力的設(shè)計(jì)需求組群中至少一種設(shè)計(jì)需求組群所獲得。
3.依權(quán)利要求1所述的一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該步驟(E)還進(jìn)一步使重新調(diào)整步驟(B)至步驟(D)中，該跨速度域螺槳運(yùn)用于該升力線程序、升力面設(shè)計(jì)程序與邊界元素法程序所輸入的設(shè)計(jì)需求參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種跨速度域螺槳的設(shè)計(jì)方法，該方法主要包含有(A)建立跨速度域螺槳的基本造型、(B)環(huán)流分布最佳化、(C)調(diào)整跨速度域螺槳造型、(D)分析推力與扭力及(E)完成跨速度域螺槳之設(shè)計(jì)的步驟，當(dāng)依上述步驟所修正該跨速度域螺槳運(yùn)用于該升力線程序、升力面設(shè)計(jì)程序與邊界元素法程序所輸入的設(shè)計(jì)需求參數(shù)，使該跨速度域螺槳在一般船舶最常航行的速度域中，能降低因不同速度域所產(chǎn)生的空化現(xiàn)象對于性能的影響，進(jìn)而使該跨速度域螺槳于不同速度域時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生效率降低過大且能維持高效率的使用。
文檔編號B63B9/00GK102467600SQ20101054677
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月11日
發(fā)明者辛敬業(yè), 金尚圣, 黃正利 申請人:聯(lián)合船舶設(shè)計(jì)發(fā)展中心