專利名稱：船舶大徑深比推進流場艉型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及船舶流場艉型，適用于沿海海域，長江、湖泊及各內(nèi)河水域的機動船舶和各種漁業(yè)船舶，特別適合于淺水域的淺吃水及超線吃水的中、重負荷，單、雙螺旋槳推進的船舶。
現(xiàn)有淺水域用各種淺吃水船舶的艉型是從減小阻力的角度去孤立地設(shè)計成形，而螺旋槳則孤立地從提高其敞水效率來分析選擇參數(shù)，二者分別單獨處理后再考慮二者的影響，預(yù)測其基本性能，即認為螺旋槳在船艉流場中單獨工作，船艉流場只是單船與單槳流場的簡單迭加。因此，現(xiàn)有船舶艉形孤立地從減少船舶阻力的角度考慮而完全忽略了對推進的影響，而按螺旋槳敞水狀況，決定的參數(shù)又忽略船體形狀的存在。這就導致推進效率不高，船舶操縱能力變差，特別是淺水域淺吃水的船舶尤為嚴重。而我國天然河流水深的流域有限，沿海水域大部分也系淺水水域，因此提高淺吃水機動船舶的推進能力和操縱功能，突破常規(guī)的設(shè)計方法具有特別重大的意義。國外曾采用平直型或流線型，國內(nèi)多采用流線型，但都不能提出根本性的突破。因此，本發(fā)明針對淺水域淺吃水及超淺吃水機動船舶推進與操縱中存在的低效率等種種問題，提出將船艉型與推進、操縱的要求作為整體進行設(shè)計以提高速度和推進力，而不是以增大主機的容量來達到此目的。并且使船艉的形狀能造成有利于螺旋槳充分發(fā)揮效率，有利于改善船舶操縱性能，使得在最不利的情況下螺旋槳葉片部分露出水面時，由于船艉造成的有利流場該船舶的推進和操縱性也能大為改善。這是因為采用本發(fā)明提出的船艉形成的流場能在槳盤前方形成較強的收縮流束，使盤面增大了的螺旋槳在較輕負荷的情況下也能吸入水流，排除滯溜在艉部隧道中的(水面以上的)空氣，充分保證螺旋槳工作時需要的水流，從而達到使船艉型適應(yīng)螺旋槳推進與操縱的需要，本發(fā)明提出的船艉型可能會增大阻力，但它造成的與螺旋槳相匹配的流場將改善操縱功能并大幅度提高推進效率，其總收益遠大于阻力的增加。
本發(fā)明提出的船舶艉型是將船艉型與推進、操縱結(jié)合考慮設(shè)計成形的，并使設(shè)計的船艉型所形成的流場的速度與壓力分布使之滿足以增大螺旋槳盤面積、增大尾流截面積、造成均勻伴流等途徑以提高推進效率的船舶推進器動量理論的要求。以使螺旋槳露出水面時仍能高效地運轉(zhuǎn)。船艉形狀設(shè)計成能在螺旋槳前方造成一種流束，起收縮水流的作用以增加槳前來流速度，并且艉型所造成的流束盡量使其旋轉(zhuǎn)有利于對螺旋槳周向誘導速度的利用。在螺旋槳后方繼續(xù)形成連續(xù)的去流流束，去流角應(yīng)盡量小，對封閉式艉端去流角在14°以下，為減少去流角本發(fā)明可用于開式艉端，即艉端不封閉，而在艉端設(shè)一鉸接的流線型活動罩板，在其結(jié)合艉端部采用橡膠墊片，以延長去流段減少去流角，同時要特別防止空氣吸入。
本發(fā)明提出的船舶艉型的形狀是能使所形成的流束產(chǎn)生較大的而且盡量均勻伴流。
本發(fā)明提出的船舶艉型不是單從減少阻力為目的而確定其形狀，而是一種把艉型和螺旋槳、船舵結(jié)合考慮以使形成的船艉流場的速度和壓力分布滿足船的推進器動量理論中推進效率表達式中以增大槳盤面積Ao增大來流VA而提高推進效率ηAi的理論要求的艉型。
所述推進效率表達式為ηAi=21+1+σ＇T]]>其中σ＇T=Ti12·ρ·Ao·V2A]]>ηAi-理想推進效率;
Ti-推力;
ρ-水密度;
Ao-螺旋槳盤面積;
VA-槳前方來流。
在以往的船舶設(shè)計中不能實現(xiàn)在增大槳盤面積Ao時，又使來流VA增大。而本發(fā)明把螺旋槳動量原理引入船舶艉型設(shè)計后，得到的大徑深比推進流場艉型則產(chǎn)生了這樣的結(jié)果。
本發(fā)明提出的船舶艉型基本形式是這樣的艉型縱向各部位的橫剖面的輪廓形狀呈近似拱形，在螺旋槳所在區(qū)域具有園弧形頂端，隨著前后遠離螺旋槳處的艉型橫剖面形狀的頂端園弧漸趨平緩，拱形高度也隨之下降，各橫剖面輪廓形狀的兩側(cè)光滑地與平直的船側(cè)面過渡連接，各橫剖面輪廓形狀的拱形跨度是不同的，槳面前方較寬，漸近槳盤面而逐漸減小，從槳盤面處向后方又逐漸增大，艉型縱剖面輪廓形狀為能起半導流管作用并能形成向船艉收縮旋轉(zhuǎn)的流束的隧道狀。
圖1是本發(fā)明提出的雙螺旋槳流場艉型縱剖面輪廓形狀示意圖;
圖2是相對圖1的各縱向位置所作的流場艉型橫剖面輪廓形狀示意圖;
圖3是本發(fā)明提出的單螺旋槳流場艉型縱剖面輪廓形狀示意圖;
圖4是相對圖3的各縱向位置所作的流場艉型橫剖面輪廓形狀示意圖;
圖5為現(xiàn)有三角線型艉型的縱剖面輪廓形狀示意圖;
圖6是相對圖5中各縱向位置所作的現(xiàn)有三角線型艉型的橫剖面輪廓形狀示意圖;
圖7為現(xiàn)有折角線艉型的縱剖面輪廓形狀示意圖;
圖8是相對圖7中各縱向位置所作的現(xiàn)有折角線艉型的橫剖面輪廓形狀示意圖。
圖中A為開式艉端，B為閉式艉端，C為螺旋槳，E為艉端點，hT為隧道頂線高度，β為分水踵角。結(jié)合附圖1、2和3、4以及圖5、6和7、8，可以看出本發(fā)明提出的流場艉型與現(xiàn)有艉型的區(qū)別。
本發(fā)明提出的船舶艉型的舯后縱向起升角θ1為20°左右，該角度越小越好。舯后縱向起升角處與船側(cè)向艉部的傾斜均應(yīng)平緩過渡，避免界層分離產(chǎn)生渦流。這不僅是流場的需要亦是保證充分供給螺旋槳吸流的需要。
本發(fā)明提出的船舶艉型其艉端部為能沉入船舶吃水線以下的距離△d′＝0.1米或0.1米以下或能高出船舶吃水線以上的距離△d＝0.05米或0.05米以上兩種形式，船側(cè)沉深的邊緣△dS＝0.2米以上而沿海水域船舶則應(yīng)在0.4米以上，這樣才能保證不吸入空氣。
本發(fā)明提出的船舶艉型對于雙螺旋槳的，其分水踵β由底部向上方傾斜應(yīng)為15°左右。
本發(fā)明提出的大徑深比流場艉型的基本參數(shù)范圍與符號含意表述如下(如圖1、2和圖3、4)大徑深比隧道長度L1;
船舶水線長度LWL;
螺旋槳中心線到艉端距離L2，L′2;
隧道起升角θ1;
向艉去流角θ2;
艉端部沉深△d′;
艉端部高出△d;
艉部船側(cè)沉深△ds;
隧道頂線高度hT;
船舶吃水d;
螺旋槳直徑D。
上述各參數(shù)的范圍如下L1/LWL＝0.3-0.6;
D/d＝1.0-1.4;
L′2＝1D-2D(對于閉式艉端);
L2＝1D-1.5D(對于開式艉端);
θ1＝13°-25°;
θ2≤14°;△ds≥0.2米;
△d′對閉式艉端為沉入船舶吃水量應(yīng)為0.1米，或0.1米以下;
△d對開式艉端為高出船舶吃水量應(yīng)為0.05米或0.05米以上;
本發(fā)明提出的流場艉型可為艉端點露出水面高度△d的開式隧道狀或艉端點浸入水面下深度△d′的閉式隧道狀，開式隧道狀艉型的船舶在倒航時艉部裝有艉罩板。
湖北省航運公司鄂航319號推輪采用的本發(fā)明提出的流場艉型具體參數(shù)如下LWL＝23米，船寬B＝8.0米，D＝1.9米D＝2.0米，功率Ne＝2×136千瓦船艉參數(shù)L1/LWL＝0.596，θ1＝17.5°θ2＝11°，L′2＝3.2米△d′＝0.1米，△dS＝0.20米hT＝2.30米實船正系柱拉力為7.53噸，倒系柱拉力為6.43噸，推航速度11.26公里/時，推載貨量2229噸。
湖南省航運局湘航4208號推輪為導管螺旋槳，采用本發(fā)明提出的流場艉型具體參數(shù)如下LWL＝23米，船寬＝7.0米，D＝1.3-1.5米D＝1.61米，功率Ne＝2×100千瓦船艉參數(shù)L1/LWL＝0.457，θ1＝17.3°θ2＝6°，L2＝2.35米△d＝0.2米-0(系開式船艉)，△ds＝0.24米hT＝1.74米實船系柱拉力5.9噸，推航速度10.5公里/時，推載貨量1500噸。
四川省航運局川犍12號船系非導流管螺旋槳，采用本發(fā)明提出的流場艉型具體參數(shù)如下LWL＝26米，船寬B＝5.2米，D＝1.25米D＝1.5米，功率Ne＝2×110千瓦船艉參數(shù)
L1/LWL＝0.385，θ1＝14.7°θ2＝13°，L′2＝2.15米△d′＝0.1米，△ds＝0.2米hT＝1.57米實船正系柱拉力4.3噸，設(shè)計航速15公里/時。
拖航速度12.66公里/時，拖力3.1噸，自由航速20.7公里/時。
采用本發(fā)明提出的流場艉型，當使用導流管螺旋槳與各類舵組合而用作頂推船隊時，與現(xiàn)有普通航隊比較其千噸公里運輸成本降低40%以上，千噸公里燃料消耗降低40%以上，就單機推輪而論，航行推力可提高10-25%。當使用非導流管螺旋槳與各類舵組合時，與采用普通船艉比較千噸公里運輸成本降低8-15%，千噸公里燃料消耗降低10-17%。舵行時單船推力提高7-17%。
本發(fā)明提出的流場船艉與重、中負荷、螺旋槳直徑受限制的普通機動船艉的船舶比較，予計千噸公里成本可降低8%，千噸公里燃料消耗可降低10%左右，航行推力可提高5-10%。
權(quán)利要求
1.一種船舶艉型，其特征是，該船舶艉型是一種把艉型和螺旋槳、船舵結(jié)合考慮以使形成的船艉流場的速度和壓力分布滿足船的推進器動量理論中推進效率表達式中以增大槳盤面積A。增大來流VA而提高推進效率nAj的理論要求的艉型。所述推進效率表達式為ηAi=21+1+σ＇T]]>其中σ＇T=Ti12·ρ·Ao·V2A]]>nAj-理想推進效率；Tj-推力；ρ-水密度；A0-螺旋槳盤面積；VA-槳前方來流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述船舶艉型，其特征是，該艉型的基本形式為艉型縱向各部位的橫剖面輪廓形狀呈近似拱形，在螺旋槳所在區(qū)域該橫剖面輪廓形狀具有園弧形頂端，隨著前后遠離螺旋槳處的艉形橫剖面形狀的頂端園弧漸趨平緩，拱形高度也隨之下降，各橫剖面輪廓形狀的兩側(cè)光滑地與平直的船側(cè)面過渡連接，各橫剖面輪廓形狀的拱形跨度是不同的，槳面前方處較寬，漸近槳盤面而逐漸減小，從槳盤面處向后方又逐漸增大。艉型縱剖面輪廓形狀為能起半導流管作用并能形成向船艉收縮旋轉(zhuǎn)的流束的隧道狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述船舶艉型，其特征是，該船舶，艉型可為艉端點露出水面高度△d的開式隧道狀或艉端點浸入水面下深度△d′的閉式隧道狀，開式隧道狀艉型的船舶在倒航時艉部裝有艉罩板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述船舶艉型，其特征是，該船舶艉型的基本參數(shù)范圍如下L1/LWL＝0.3-0.6;D/d＝1.0-1.4;L′2＝1D-2D(對于閉式艉端);L2＝1D-1.5D(對于開式艉端);θ1＝13°-25°;θ2≤14°;△d′對閉式艉端為沉入船舶吃水量應(yīng)為0.1米以下，或0.1米;△d對開式艉端高出船舶吃水量應(yīng)為0.05米以上或0.05米;△ds≥0.2米其中L1-大徑深比隧道長度，LWL-船舶水線長度，L2，L′2-螺旋槳中心線至艉端距離，θ1-隧道起升角，θ2-向艉去流角，△d′-艉端部沉深水線的距離，△d-艉端部高出水線距離，△ds-艉部船側(cè)沉深，d-船舶吃水，D-螺旋槳直徑。
全文摘要
本發(fā)明提出一種流場船艉，該船艉不同于普通船艉而是一種把艉型和螺旋槳、船舵結(jié)合考慮以使其形狀能產(chǎn)生適合螺旋槳工作的流場，在增大槳盤面后仍能有效工作，并能增大來流以提高螺旋槳工作效率。該流場艉型特別適用于線吃水船只，可與導管螺旋槳或非導管螺旋槳配合使用，無需增加船舶主機功率即可改進航行能力。
文檔編號B63B1/08GK1036734SQ8910225
公開日1989年11月1日 申請日期1989年4月17日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月17日
發(fā)明者安茂榕 申請人:交通部水運科學研究所