一種新型低噪聲大側斜導管螺旋槳的制作方法
【專利摘要】一種新型低噪聲大側斜導管螺旋槳，將大側斜螺旋槳與導管螺旋槳的特點相結合，在導管螺旋槳的基礎上，引入大側斜螺旋槳形式。利用振動小噪聲低的七葉大側斜螺旋槳作為其螺旋槳部分，并將其線型進行優化，使其與導管、轂帽相互協調配合，實現了減小推進器水下振動噪聲的效果，同時水動力、強度等性能也得到了保證。可以作為水下航行器的低噪聲推進器，亦可用于需要在低噪聲狀態下航行的潛艇和魚雷。
【專利說明】一種新型低噪聲大側斜導管螺旋槳

【技術領域】：
[0001] 本發明專利涉及一種用于水下航行器（包括無人水下航行器（UUV)、海上自主航 行器（AUV)和遙控的水下航行器（ROV)等）的低噪聲推進器，稱為低噪聲大側斜導管螺旋 槳，亦可用于需要在低噪聲狀態下航行的潛艇或魚雷。

【背景技術】：
[0002] 水下航行器是承擔海洋調查、海洋勘探與開發、水下探測、導航、通信、危險條件下 作業、應急救生與打撈等多種任務的，并可以反復使用的航行器，具有很大的實用性和靈活 性。
[0003] 推進器作為水下航行器的重要組成部分，對其性能有重要影響。隨著對水下航行 器流體動力性能、噪聲特性要求的提高，目前普遍采用的導管螺旋槳、普通螺旋槳等推進器 已不能完全滿足需要。特別是對水下噪聲性能要求很高的水下航行器，推進器作為其主要 噪聲源之一，必須盡可能地降低。
[0004] 水下推進器產生的噪聲包括三個部分：(a)螺旋槳工作在不均勻流場中葉片振動 所產生的噪聲（稱為來流噪聲）；(b)螺旋槳空化所引起的空泡噪聲（稱為空泡噪聲）；(c) 螺旋槳激振力所引起的水下航行器振動及其輻射的噪聲（稱為輻射噪聲）。
[0005] 七葉大側斜螺旋槳作為一種低噪聲推進器，能夠有效削弱以上三種噪聲。在潛艇 上已得到了廣泛應用，如圖1所示。七葉大側斜螺旋槳能夠降低振動和噪聲的機理與其槳 葉外形和葉片數目密切相關。由于潛艇尾部有不均勻的流場存在，螺旋槳葉片在不均勻 流場中工作就會產生非定常的推力和轉矩這樣波動的載荷，這種載荷會引起槳葉、軸系的 振動從而產生噪聲。普通的對稱型葉片（10)的螺旋槳，在旋轉過程中螺旋槳旋轉方向為 (11)，整個槳葉在徑向會同時通過不均與來流（12)，推力和轉矩波動所引起的槳葉振動會 很大。而七葉大側斜螺旋槳的槳葉葉片（13)采用了大側斜形式，使葉片在徑向不會同時到 達不均勻流場的高壓區或低壓區（12)，即不會造成整個槳葉處在高壓一低壓一高壓的循環 狀態，如圖2 (a)所示，這樣就能有效抑制槳葉的振動，從而降低了螺旋槳的噪聲。在圖2 (b) 單個槳葉振動幅值F(t)隨時間t變化的曲線中，大側斜螺旋槳槳葉振動幅值曲線（14)的 峰值比對稱型槳葉振動幅值曲線（15)的峰值要小很多。另外，葉片數為七葉的七葉大側斜 螺旋槳，比常規的五葉螺旋槳的葉數多，使得整個螺旋槳上承受推力的葉片面積增大，因而 每一葉上的推力減少了，能夠減少螺旋槳的激振力。另外螺旋槳槳葉旋轉時，槳葉上的壓力 降低，當壓力低于了水的汽化壓力，便會形成空泡，不穩定的空泡產生、潰滅，就會形成空泡 噪聲。七葉大側斜螺旋槳的單個槳葉上的推力減小了，相對于同樣推力的五葉螺旋槳單個 槳葉上壓力的降低要小一些，因此可以延遲空泡的產生，避免了空泡噪聲。根據以上三個原 因，七葉大側斜螺旋槳能夠達到降低振動和噪聲的目的。
[0006] 對于水下航行器，由于其使用的特殊性，并不能直接采用潛艇上所用的七葉大側 斜螺旋槳。因為水下航行器在使用過程中常常要進行收放作業，為了保護螺旋槳在收放過 程中不至于碰壞，常常需要在螺旋槳外部加裝保護罩或者使用導管螺旋槳。另外由于水下 航行器的推進器往往負載較重，也需要采用導管螺旋槳這種形式。
[0007] 導管螺旋槳（簡稱導管槳）是特種推進器的一種，主要是為了提高功率系數較高 的高負荷螺旋槳的效率，如圖3所示。它是在普通螺旋槳的外圍裝上一個導管，導管的縱剖 面為機翼型或折角線型。按導管中流場不同可分為加速型導管和減速型導管，如圖4所 示。加速導管螺旋槳具有效率高、推力大、在風浪中的性能較好等特點。對于功率系數較高 的高負荷螺旋槳，采用它所能達到的效率，將超過常規螺旋槳，在推輪、拖船、漁船上得到廣 泛應用。對于減速導管，與加速導管相反，它產生負推力，增加了船舶阻力。但是導管中的 流體流經盤面處時流線擴張，流速比普通螺旋槳低，壓力則較高，對推遲或避免螺旋槳的空 泡有好處，所以減速導管螺旋槳常用于易發生空泡的情況。導管槳不僅能應用于船舶推進， 而且在水下航行器上也應用非常廣泛。近年來，隨著水下航行器的快速發展，針對其使用要 求的導管槳也越來越受到重視。
[0008] -些特殊用途的水下航行器，如掃雷器、獵雷器等，不僅螺旋槳的負荷較重，而且 對螺旋槳的振動和噪聲也有很高的要求。為滿足這一要求，根據導管槳和七葉大側斜螺旋 槳各自的優點，提出了將導管螺旋槳與七葉大側斜螺旋槳結合在一起的本發明的新型低噪 聲大側斜導管螺旋槳設計。
[0009] 本發明不僅能提供水下航行器所需的推力，而且其噪聲比常規導管槳有明顯的降 低。例如某型水下航行器，推進器分別采用常規導管槳與本發明，在380rpm時的聲壓級相 比較，本發明能夠降低噪聲3?4dB。


【發明內容】
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[0010] 本發明的目的在于減小水下航行器的推進器所引起的水下噪聲，并滿足水下航行 器水下航行推力、效率、強度及使用等方面的要求，為水下航行器或船舶的推進器選型提供 了一種新的選擇。
[0011] 本發明主要由大側斜螺旋槳（1)、導管（2)和轂帽（3)部分組成，其中大側斜螺旋 槳可以采用由槳葉（4)和槳轂（5)組成，槳轂中有螺旋槳安裝用的軸孔（6)和鍵槽（7)，如 圖5所示。本發明的螺旋槳部分，如圖6所示，借鑒了潛艇上普遍使用的針對敞水環境設 計的七葉大側斜螺旋槳的形式，但是根據導管螺旋槳的特點，對槳葉弦長分布、厚度分布、 縱傾和側斜角等參數進行了重新設計，并與導管和轂帽部分相協調，使其水動力、強度等性 能達到較好的水平。本發明采用的七葉大側斜螺旋槳與敞水中使用的七葉大側斜螺旋槳線 型有很大不同，主要差別在于敞水中使用的七葉大側斜螺旋槳槳葉上部葉切面弦長和螺距 逐步減小，葉稍部位葉切面弦長為零或者很小。而本發明中的七葉大側斜螺旋槳，根據新的 使用環境（在導管內），采用新的線型設計，槳葉上部葉切面弦長和螺距明顯大于敞水螺旋 槳，在槳葉上部能夠提供更多的推力，如圖7所示。本發明采用的七葉大側斜螺旋槳與常規 導管螺旋槳亦有很大不同，主要差別是常規導管螺旋槳的螺旋槳葉數通常為四葉，側斜角 很小，而本發明中的螺旋槳葉數為七葉，而且螺旋槳的側斜角也增大很多，螺旋槳的線型也 與常規導管螺旋槳的線型有很大差別，如圖8所示。本發明的導管部分，對螺旋槳的水動力 性能有較大影響。目前導管主要分為加速型導管和減速型導管兩種。加速型導管將螺旋槳 的部分推力轉移到了導管上，減小了螺旋槳上的推力，可以改善載荷較重的螺旋槳的效率。 針對水下航行器螺旋槳載荷較重的特點，本發明采用加速型導管，其形式如圖9所示。本發 明還可以根據需要對螺旋槳和導管進行重新設計或選型。
[0012] 本發明實施例中螺旋槳的敞水性能曲線如圖10所示，在進速系數J等于0.655 時，敞水效率達到最高值0.602。另外采用有限元方法對本發明實施例進行螺旋槳槳葉 強度校核。采用銅合金材料時，在設計工況下，槳葉最大應力出現在〇. 5倍半徑（0. 5R)的葉 切面隨邊處，最大值為13. 9Mpa，未超過材料的屈服極限380Mpa，葉片的強度儲備系數K = 47. 8 (按照"GJB2735-96艦船螺旋槳通用規范"計算）。槳葉葉稍變形最大，達到0. 243mm， 但未超過正常使用所要求的范圍。經強度校核發現，本發明能夠保證水下航行器水下正常 使用的強度要求。
[0013] 本發明在某無人航行器上的安裝具體見圖11所示，在其他水下航行器、潛艇或魚 雷上安裝可根據實際情況進行調整。
[0014] 本發明的有益效果是：提供了一種能夠有效降低水下航行器振動噪聲的推進器， 并滿足水下航行器水下航行推力、效率、強度及使用等方面的要求。
[0015] 本發明的實施：
[0016] 本發明中螺旋槳的幾何外形、導管剖面線型以及兩者的相對位置確定了，就確定 了本發明。
[0017] 1.螺旋槳的幾何表示
[0018] 1.1參數符號表
[0019] (1)坐標參數：
[0020] x,y, z--直角坐標系表示螺旋槳槳葉表面空間點坐標的三個參數；
[0021] x,r, Θ -柱坐標系表示螺旋槳槳葉表面空間點坐標的三個參數；
[0022] (2)螺旋槳參數
[0023] R--螺旋槳半徑，單位：米（m);
[0024] D--螺旋槳直徑，單位：米（m);
[0025] r--螺旋槳葉切面的徑向坐標，單位：米（m);
[0026] Z--螺旋槳槳葉數量，單位：個；
[0027] C(r)--半徑r處的槳葉葉切面長度（弦長），單位：米（m);
[0028] Cs(r)--半徑r處的槳葉葉切面中線距螺旋槳參考線的距離（側斜），單位：米 (m)；
[0029] xE(r)--半徑r處的槳葉葉切面沿螺旋槳軸線方向的位移（縱斜），單位：米 (m)；
[0030] tm(r)-半徑r處的槳葉葉切面最大厚度，單位：米（m);
[0031] fm(r)-半徑r處的槳葉葉切面中心線最大拱度，單位：米（m);
[0032] P(r)--半徑r處的槳葉葉切面螺距，單位：米（m);
[0033] rH--螺旋槳槳轂半徑，m ;
[0034]

【權利要求】
1. 一種由大側斜螺旋槳（1)、導管（2)、轂帽（3)構成的大側斜導管螺旋槳，其中大側斜 螺旋槳由槳葉（4)和槳轂（5)組成，槳轂中有螺旋槳安裝用的軸孔（6)和鍵槽（7)。 其特征之一，采用大側斜螺旋槳（1)和導管（2)的組合形式，其中大側斜螺旋槳槳葉 (4)數目為七葉； 其特征之二，采用大側斜螺旋槳作為導管螺旋槳的螺旋槳部分，在不同半徑位置處，即 半徑比r/R為0. 2?1. 0的范圍內，大側斜螺旋槳槳葉（4)的線型通過以下取值范圍內的 無因次參數確定： (a) 螺距比 P/D : 0.8 ?1.4 ; (b) 側斜角 0 s(° ) : -25 ?40 ; (c) 縱傾比 XK/D : 04 ?0? 01 ; (d) 弦長比 C/D : 0? 10 ?0? 30 ; (e) 最大拱度比fm/C : 0? 01?0? 05 ; (f) 最大厚度比tm/C : 0.05?0.3。
2. 根據權利要求1所述的大側斜導管螺旋槳，其特征是：導管（2)采用加速型導管（8) 或減速型導管（9)。
3. 根據權利要求1所述的大側斜導管螺旋槳，其特征是：導管（2)為BD15加速型導管。
4. 根據權利要求1所述的大側斜導管螺旋槳，其特征是：螺旋槳轂帽（3)為近似圓錐 形。
5. 根據權利要求1所述的大側斜導管螺旋槳，其特征是：大側斜螺旋槳（1)與敞水中 使用的七葉大側斜螺旋槳（簡稱敞水七葉槳）相比外形有差別，槳葉（4)上部葉切面弦長 C和螺距P明顯大于敞水七葉槳，在槳葉上部能夠提供更多的推力，在半徑比r/R為0. 7? 1. 0的范圍內，弦長比C/D為0. 18?0. 25,螺距比P/D為0. 8?1. 4。
6. 根據權利要求1所述的大側斜導管螺旋槳，其特征是：與現有導管螺旋槳采用的螺 旋槳有很大不同，主要有：(a)槳葉數為7葉，數目更多；(b)側斜角0 s范圍為-25°? 40°，側斜角更大；（c)槳葉線型不同，槳葉（4)弦長比C/D在0. 10?0.50范圍內，范圍更 大。
【文檔編號】B63H1/16GK104417738SQ201310363534
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】方斌, 周其斗 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學