專利名稱：安裝在船首的轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種船用工節(jié)能裝置，具體地說是一種設(shè)置在船首的轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置。
目前，船舶節(jié)能裝置的開發(fā)研究越來越受到重視。迄今為止，根據(jù)流體動力學(xué)和船舶水動力學(xué)的原理所開發(fā)的各種節(jié)能裝置均裝設(shè)在船尾。例如，為了利用螺旋槳的旋轉(zhuǎn)流能量以大大提高船舶的推進(jìn)力，一種導(dǎo)輪裝置安裝在螺旋槳后面，與螺旋槳同軸，它的葉片形狀奇特，分成內(nèi)、外兩個圈，內(nèi)圈是一組水輪機(jī)葉片，恰好位于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)能量范圍內(nèi)，外圈是螺旋槳葉片，位于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)能量范圍之外，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流能量就會沖擊內(nèi)圈的水輪機(jī)葉片，使整個導(dǎo)輪處于低速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)。此時，導(dǎo)致外圈的螺旋槳葉片也被帶動旋轉(zhuǎn)向后推力，使船舶又增加了一個附加推進(jìn)力，使航速提高；另一種設(shè)置在船艉的節(jié)能裝置是螺旋槳進(jìn)流補(bǔ)償導(dǎo)管，它由左右兩個縱向切面呈機(jī)翼形的半環(huán)組成，安裝在船艉螺旋前船舯兩側(cè)附近，略偏于螺旋槳的上方，其中心線斜向后上方，由半環(huán)內(nèi)流出來的快速水質(zhì)點通過螺旋槳上部時，會使那里的低速進(jìn)流得以加速，而流徑半環(huán)外表面的慢速水質(zhì)點會使遠(yuǎn)離船體表面的高速進(jìn)流減速，從而改善螺旋槳的不均勻進(jìn)流狀態(tài)，使推進(jìn)效率提高。此外，在船首至今僅有一種球鼻結(jié)構(gòu)而尚未設(shè)有節(jié)能裝置，這種球鼻結(jié)構(gòu)是使船首的曲率變化減緩以減小粘壓阻力同時產(chǎn)生一個與船首波浪相位相反、振幅相等的波浪，它所重迭的結(jié)果使船首外的興波阻力減小或消失，從而達(dá)到節(jié)能、提高船速的目的。然而這種結(jié)構(gòu)的節(jié)能效果是很有限的，因為降低所述的阻力的作用進(jìn)而降低耗能的效果取決于球面體曲率變化設(shè)計，而且在船首形成球面結(jié)構(gòu)給船體制作帶來一定困難。綜上所述，如何進(jìn)一步減小船首的興波阻力和粘壓阻力以進(jìn)一步提高船舶的推進(jìn)效率并提供一種更為有效的船首節(jié)能裝置，仍有待于進(jìn)一步的研究。
本實用新型的目的是提供一種使用靈活、結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能效果更為明顯的一種船首節(jié)能裝置，這種節(jié)能裝置能將船首沖來的水的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動以獲得推進(jìn)作用，又擋住大部分來水對船首的沖擊，以減少船舶的前進(jìn)阻力以達(dá)到節(jié)能的目的。
本實用新型的船首轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置包括有一錐體形外殼，它的錐底設(shè)有開口；一柱體內(nèi)殼，它包含有一封閉端和開口端，一前軸承套設(shè)在所述封閉端上固定在外殼內(nèi)錐面上，所述開口端是內(nèi)殼腔體沿外殼軸線軸向地延伸至錐底面與的所述錐底開口吻接而成，以分別形成一封閉腔和開口腔；一支架，同軸線相對錐底開口、間隔一定距離而固定連接于錐底；一后軸承套定位滑配于所述支架中心孔內(nèi)；一固定軸，其前后端軸頸分別套設(shè)軸承，安置在所述的前后軸套內(nèi)，其后端軸頸穿伸出所述后軸承套；一固定螺母，螺結(jié)在固定軸上緊抵后軸承內(nèi)圈用以將所述固定軸固定在兩軸承套之間；若干葉片相間均分角度自錐體的頂部始螺旋地設(shè)置在錐體外殼上。
將這種螺旋葉片轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)的節(jié)能裝置安裝在船首上后，由于錐體殼體內(nèi)存在一其內(nèi)充滿空氣的封閉腔，因而水不能進(jìn)入其間，在轉(zhuǎn)子通過其固定軸設(shè)置在船首上時，從船首前沖來的水便可使轉(zhuǎn)子靈活轉(zhuǎn)動，將來水的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動，從中獲得向前推進(jìn)作用；其次，由于轉(zhuǎn)子又能擋住大部分來水對船首的沖擊而減少了阻力；再有，轉(zhuǎn)子又大大地改善了興波阻力波峰原來形成的位置，改變了水質(zhì)流線界層的位移，這樣，在船體前后壓力分布不對稱，故合力不等于零而有利船舶前進(jìn)。
采用多種結(jié)構(gòu)的本節(jié)能裝置的上述優(yōu)點，無論是從流體動力學(xué)和船舶動力學(xué)的原理分析，還是從已有樣品的模擬試驗都可證實。
首先從流體動力學(xué)原理上分析，沖向船首端的水在轉(zhuǎn)子外圍時，其流速保持不變，但流進(jìn)轉(zhuǎn)子的水碰到轉(zhuǎn)子葉片的前部，將葉片推走，葉片也以相反方向抵抗水的沖擊，水即以一定速度朝著葉片反作用方向略偏離中心線流去，而錐體形外殼就是為了適應(yīng)這個水流的流向；流進(jìn)轉(zhuǎn)子的另一部分水便沿著螺旋形葉片而流去，由于流進(jìn)轉(zhuǎn)子的水流程較長，其流速加快，此時，葉片的尾部即將這些高速的流水斜向地?fù)茏?，水也以一定的力反抗葉片的尾部，傾斜的葉片尾部即產(chǎn)生推進(jìn)作用；同時，由于轉(zhuǎn)子能夠靈活地轉(zhuǎn)動，使興波阻力所形成的波峰并不在船首端，而在船的兩旁。
如以民用船舶為例，其一般航速為12-13節(jié)(一節(jié)＝1.852公里/時)，一萬噸級船在無阻力中要達(dá)到13節(jié)航速，按動量公式計算，只需912馬力·小時，還不到一千馬力時，但現(xiàn)在卻需用12,000馬力·小時，要多用一萬多馬力·時，這主要是由于船舶在航行中受到了摩擦阻力(RF)、興波阻力(RW)和粘壓阻力(RPV)。當(dāng)達(dá)到高航速13節(jié)時，按傅如德公式計算，這時摩擦阻力(RF)約占總阻力(RT)的40-50％，而興波阻力(RW)卻達(dá)到總阻力(RT)的50％左右，而粘壓阻力(RPV)僅占總阻力的5％左右。
本實用新型經(jīng)過船模試驗(船模是以807型漁輪為實船，船模相對實船縮小到其1/20)，試驗條件是船模不前進(jìn)，用水流沖向船模，能測得的試驗數(shù)據(jù)為最小的總阻力(RT)減少26.66％，最大的總阻力(RT)減少33.3％，大致可獲得降低總阻力30％的效果，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前資料報導(dǎo)的船舶所達(dá)到的節(jié)能水平(約18％)。因此本實用新型的結(jié)構(gòu)裝置的節(jié)能效果是十分明顯的。
如果從能量角度分析也能明顯看到本裝置的節(jié)能意義。如果先不裝有本裝置，則連續(xù)地沖向船首的水的質(zhì)點均順流過船旁一段距離，船也以反方向前進(jìn)一段距離，水的沖擊力和船的推進(jìn)力這兩個力大小相等方向相反，以其絕對值(K)乘以各自的距離便為各自能量，假定將船當(dāng)作固定在笛卡兒平面直角坐標(biāo)系的某點，則上述兩個距離是相加的，而上述兩能量之和應(yīng)是該狀態(tài)下的總能量(y)，則應(yīng)滿足是函數(shù)關(guān)系y＝kf(x)，其中X為水在笛卡爾平面直角坐標(biāo)系上絕對的流動距離(關(guān)于水量多少、密度大小的影響均包含在水的沖力中)；現(xiàn)裝上本裝置后，則因本裝置轉(zhuǎn)子具有一定的推進(jìn)力K′(K′＜K)，同時轉(zhuǎn)子又擋住來水對船首的沖擊，船舶以具有上式總能量(y)時的主動力航行，則船舶可方便地多走一段距離，其是x＝x+Δx，Δx＞0，x′＞x，其中Δx-船舶多走一段距離，x-船舶裝上裝置后所多走一段距離再加上原有的距離的總距離，這樣y′＝kf(x′)，y′為船舶裝上裝置后的總能量，若令y′＝y(tǒng)，則很顯然這時就相當(dāng)減少了相應(yīng)的一部分主動力，實際上就是減少船內(nèi)供給推進(jìn)的能量，這就是采用本裝置節(jié)能的意義。
至此還必須指出的是，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是隨船前的來水的沖力大小而變化，這在試驗中也得到了充分的體現(xiàn)，然而，如果水的沖力越大，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高，其推進(jìn)力量也越大，這就補(bǔ)償了由于水的沖力大而對船的前進(jìn)力的影響，因此船舶在急流中逆水行舟仍與在靜水中航行相仿。
現(xiàn)通過一具體實施例并結(jié)合其附圖來進(jìn)一步地說明本實用新型的特點及其目的。



圖1是本實用新型的一種設(shè)置于船首的螺旋葉片轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置的正視示意圖；圖2是
圖1所示裝置的左視示意圖；圖3是
圖1所示裝置的縱剖示意圖，在圖上未表示出設(shè)在錐體外殼上的葉片；圖4是
圖1所示的螺旋葉片轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置的單個葉片型線的示意如
圖1和圖3所示，一種設(shè)置在船首的螺旋葉片轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置30包括有一錐體形外殼1，在其錐底上設(shè)有一中心開口11；一圓柱形內(nèi)殼4，它包括一封閉端和開口端，與外殼同軸線地軸向延伸至錐底開口11與外殼形成一封閉內(nèi)腔19和開口腔21。所述的封閉端為一前軸承套2，由一內(nèi)支撐架9焊固于內(nèi)錐表面上，所述的開口端是焊接于開口11的圓周上；一外支撐架10同心地對著所述開口11而固定于錐底外表面上；一后軸承套8定位滑配于外支撐架10的中心孔內(nèi)；一固定軸5，其前后端軸頸12，13分別套設(shè)有前后軸承3、7，分別設(shè)置在前、后軸承套2、8內(nèi)，所述的后端軸頸13穿伸出后軸承7和后軸承套8，通過一過渡連接裝置(未圖示)而固定連接于船首上，一螺帽6與所述固定軸5的螺紋段14相連接，該螺紋段鄰接于后端伸出軸13，螺帽6可擰抵后軸承7的內(nèi)圈上以把固定軸5定位固定于前后軸承套2、8間；四片螺旋葉片20相互間隔90°地設(shè)置在錐殼1的外錐表面上，分別自錐頂沿著錐表面螺旋地延伸至錐底，如圖4所示它由前部15、外緣16、內(nèi)緣17和尾部18所組成，各葉片的前部15位于經(jīng)過錐頂?shù)呐c中心軸線相垂直的平面上，葉片前部15的外緣16的外徑與錐底直徑相等，葉片的內(nèi)緣17沿著錐表面形成，其內(nèi)緣曲線17的側(cè)視的平面形狀為阿基米德螺線(如圖2所示)，所述外緣線16為柱面螺線，所述的內(nèi)、外緣曲線延伸至錐底處相交。
本實施例轉(zhuǎn)子的設(shè)計參數(shù)為所述外殼1錐體底徑為船的型寬約0.57倍，錐高為錐體底徑的0.7倍，葉片對中心線的包角為270°。
該節(jié)能裝置安裝時，使轉(zhuǎn)子的軸線對準(zhǔn)船舶的首柱，葉片旋轉(zhuǎn)時所圍成的外圈基本應(yīng)與龍骨線齊平。
由于轉(zhuǎn)子的內(nèi)外殼1、4均是由薄金屬板制成，其外殼1的密封內(nèi)腔19不進(jìn)水，因此錐殼1可伴隨水的沖擊靈活轉(zhuǎn)動，對水的反作用力就不會象船舷側(cè)那樣硬性與水撞擊，同時外殼1的外表面焊接有4片螺旋葉片，這相當(dāng)于在外殼1上加設(shè)四塊筋板，起到了加強(qiáng)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的作用，因此這樣金屬薄板殼體結(jié)構(gòu)不但輕巧，而且強(qiáng)度足夠，如圖所示這種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)十分簡單、加工容易，而且安裝方便，只要通過其后端伸出軸13由一過渡連接裝置固定于船首即可，使用十分可靠。同時由圖可知，制作這種轉(zhuǎn)子30僅涉及鈑金加工和焊接加工，這樣可簡化工藝裝備，使制作成本低廉，而將該節(jié)能裝置30安裝于船首，原船本身基本上不需要進(jìn)行大的改裝，因而十分便于推廣使用。
雖然本實用新型的一種螺旋葉片轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置是通過一最佳實施例來予以說明的，但應(yīng)理解的是，這并不是對本實用新型的限制，而應(yīng)看到，熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人，根據(jù)其原理還可就其具體的結(jié)構(gòu)提出各種修改和替代方案，諸如葉片的數(shù)目及其型式、固定軸的支承定位方式、內(nèi)殼體的形狀等，但這些具體結(jié)構(gòu)的變化都包括在本實用新型的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種安裝在船首的轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置，它包括有一錐體形外殼，其錐底有一中心開口；一柱體內(nèi)殼，包含有一封閉端和開口端；前軸承套設(shè)在所述的封閉端上，固定于外殼內(nèi)錐面上；所述開口端是內(nèi)殼腔體沿外殼軸線軸向地延伸至錐底面與所述錐底開口吻接而成；以分別形成一封閉腔和開口腔；一支架，同軸線地相對所述錐底開口、間隔一定距離而固定連接于錐底；一后軸承套定位滑配于所述支架中心孔內(nèi)；一固定軸，其前后端軸頸分別套設(shè)軸承，安置在所述的前后軸套內(nèi)，其后端軸頸穿伸出所述的后軸承套；一固定螺母，螺結(jié)在固定軸上緊抵后軸承內(nèi)圈，用以將所述固定軸固定在兩軸承套之間；若干葉片，以等分的相間角度自錐頂始螺旋地設(shè)置在錐體外殼上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種安裝在船首的轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置，其特征在于，所述的錐底開口和柱體內(nèi)殼的橫截面形狀為圓形。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種安裝在船首的轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置，其特征在于，所述的葉片數(shù)為4，所述葉片的內(nèi)緣曲線為立體的阿基米德螺旋線，其外緣曲線為柱面螺旋線，所述葉片的前部位于錐頂?shù)呐c錐殼軸線相垂直的平面內(nèi)，所述葉片尾部螺旋地延伸至錐底。
專利摘要一種船首轉(zhuǎn)子式節(jié)能裝置,包括有一錐形外殼和柱體內(nèi)殼,它們分別形成一封閉腔和開口腔,柱體內(nèi)殼一端為封閉端,其上設(shè)有軸承套,另一端為開口端吻接于錐底開口,一設(shè)有軸承套的外支架固定于錐底,一固定軸其一端軸頸通過軸承架設(shè)在所述軸承套內(nèi),由螺母固定在兩軸承套間,在外殼錐表面上設(shè)有多片螺旋式葉片,將所述裝置安裝在船首,可降低水沖擊力所形成的阻力,同時獲得額外推進(jìn)力,從而獲得節(jié)能效果。
文檔編號B63B1/32GK2283612SQ93226089
公開日1998年6月10日 申請日期1993年7月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月29日
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