專利名稱：船用螺旋槳螺距調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于調(diào)節(jié)船用螺旋槳的流體動力學(xué)特性一一諸如
螺距(pitch)——的裝置。
背景技術(shù)：
用于船舶的推進系統(tǒng)通常被校準(zhǔn)為在狹窄的參數(shù)內(nèi)運行，以實現(xiàn) 有效運行。特別地，船用螺旋槳的流體動力學(xué)特性通常密切地和下列 因素匹配關(guān)聯(lián)的電動機的速度和功率；船舶的重量、重量分布以及 船身阻力；以及船舶運行于其中的環(huán)境，諸如水溫。
許多在船舶中使用的發(fā)動機被電子地控制，以根據(jù)該船舶正運行
于其中的周邊空氣和水的溫度來調(diào)整這些發(fā)動機的功率輸出。這會使 得難以選擇螺旋槳，因為螺旋槳被設(shè)計為使得當(dāng)發(fā)動機節(jié)氣門完全打 開時達到最小轉(zhuǎn)速從而防止發(fā)動機過載是重要的。
螺旋槳的轉(zhuǎn)速將才艮據(jù)片狀空泡(sheet cavitation)的程度改變， 這一預(yù)期進一步加重了螺旋槳設(shè)計的復(fù)雜性?？张莸牧扛鶕?jù)以下因素 而顯著改變船舶速度、螺旋槳正工作于其中的水的密度和溫度以及 船體和軸線的流體動力學(xué)特性?？张輹?dǎo)致螺旋槳的過度振動、磨損 以及效率損失。
雖然復(fù)雜，但是螺旋槳的流體動力學(xué)特性被足夠充分地理解，使 得有可能設(shè)計出與船舶和發(fā)動機的已知特征匹配的螺旋槳。然而，當(dāng) 船舶特征改變時，例如因加入諸如捕魚臺架(fishing tower)之類的 新部件或者因?qū)⒋皬睦渌h(huán)境重新定位到溫水環(huán)境而改變時，會產(chǎn) 生問題。
該問題的已知解決方案從替換螺旋槳一一這可能是非常昂貴的做 法——到手工彎折螺旋槳葉片而不同。葉片的彎折以基本不可控的方 式改變螺旋槳的流體動力學(xué)特性，并且還引入應(yīng)力，所述應(yīng)力會導(dǎo)致 葉片的疲勞開裂以及最終的機械故障。
本發(fā)明致力于至少部分地改善這些問題，并提供一種用于以可控方式改變船用螺旋槳流體動力學(xué)特性的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于船用螺旋槳的葉片，該 葉片包括聯(lián)接部分，該聯(lián)接部分被布置為容納調(diào)節(jié)裝置，由此，調(diào)節(jié) 裝置與聯(lián)接部分的接合改變?nèi)~片的流體動力學(xué)特性。本發(fā)明設(shè)想可獲 得的調(diào)節(jié)裝置選擇，由此可以從多個調(diào)節(jié)裝置中選擇特定的調(diào)節(jié)裝置, 以獲得期望的流體動力學(xué)特性。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種調(diào)節(jié)裝置，其被布置為與 船用螺旋槳的葉片接合，該調(diào)節(jié)裝置具有接合部分，該接合部分被布 置為由葉片的聯(lián)接部分容納，由此，調(diào)節(jié)裝置與葉片的接合改變?nèi)~片 的流體動力學(xué)特性。
優(yōu)選地，所述聯(lián)接部分包括葉片內(nèi)的槽，所述調(diào)節(jié)裝置包括可被 容納在所述槽內(nèi)的板條，所述板條包括向外凸出的部分。有利地，所 述板條可以容易地被拆下并替換。
更優(yōu)選地，所述槽位于高壓面上，鄰近葉片的后緣(trailing edge)。有利地，這使得板條的使用可改變螺旋槳的有效螺距。期望 的是，所述板條在不在葉片內(nèi)引入應(yīng)力集中的前提下盡可能靠近后緣。 板條優(yōu)選地在后緣50mm以內(nèi)，可以距后-彖大約15mm。
所述板條的寬度可以小于10mm，或許大約5mm。這在不顯著改變 葉片特性的前提下提供足夠的板條強度。
所述板條的長度可以是葉片半徑的大約60%。使板條延伸超過葉 片半徑的90%，并在板條端部設(shè)置凹彎曲，使得該端部的水壓可有有 用的局部增加。使板條從葉片半徑的大約30%處開始，會使由于水在 板條內(nèi)流動而引起的損失最小化。
在一個替代性實施方案中，所述板條可位于葉片的低壓面上。可 以設(shè)想，這將幫助防止空泡。


參照附圖進一步描述本發(fā)明是便利的，附圖示出了本發(fā)明的螺旋 槳調(diào)節(jié)裝置的優(yōu)選實施方案。其它實施方案也是可能的，因此，附圖的特殊性不應(yīng)被理解為取代本發(fā)明的在前描述的一般性。附圖中 圖l是根據(jù)本發(fā)明的船用螺旋槳葉片的立體圖； 圖2是圖1的螺旋槳葉片的側(cè)視圖； 圖3是圖1的螺旋槳葉片的正視圖； 圖4是圖1的螺旋槳葉片的端視圖5是圖1的螺旋槳葉片的通過圖4中所標(biāo)記的可變基準(zhǔn)線A-A
的橫截面；以及
圖6是示于圖5中的橫截面的一部分的放大圖。
具體實施例方式
參照附圖，示出了螺旋槳10的單個葉片12。螺旋槳10具有多個 這樣的葉片12，這些葉片12從轂14向外延伸。通常， 一個螺旋槳IO 可具有五個或六個葉片12,然而，將認識到，本發(fā)明可以應(yīng)用于具有 任意期望數(shù)量的葉片的螺旋槳。
螺旋槳10具有低壓或上游側(cè)16和高壓或下游側(cè)18。
各葉片12在形狀和結(jié)構(gòu)上全都基本相似。每個葉片12具有基本 面向螺旋槳10的下游側(cè)18的高壓面20和基本面向螺旋槳10的上游 側(cè)16的低壓面22。每個葉片12具有前緣24、后緣26以及內(nèi)緣30。 每個葉片12的內(nèi)緣30連接到轂14。前緣24形成了從內(nèi)緣30延伸到 螺旋槳10最外部的凸曲線。在附圖的實施方案中，后緣26形成了從 內(nèi)緣30到螺旋槳最外部的大體凹曲線。前緣24的曲率顯著大于后緣 26的曲率，因此為葉片的面20、 22限定了J求狀(bulbous)形狀。
在示于附圖的實施方案中，每個葉片12從轂14彎曲地伸出，如 在圖2中最佳看到的。內(nèi)緣30相對地沿轂14定向，相對于轂14的縱 向方向形成了葉片角。該葉片角隨著距軸轂(boss)的距離和標(biāo)稱設(shè) 計螺距而變化。在其最彎曲的外部，前緣24相對于轂14的縱向方向 形成大約65°的角度。
將認識到，如上所述的螺旋槳10的所有參數(shù)都在螺旋槳的鑄造過 程中基本設(shè)定。如此一來，這些參數(shù)可被選擇并設(shè)計為適于特定的應(yīng) 用。
本發(fā)明的優(yōu)點在于能夠在不改變所設(shè)計形狀和結(jié)構(gòu)的前提下改變
6螺旋槳的特性。
每個葉片12包括為槽32的形式的聯(lián)接部分。在一個優(yōu)選實施方 案中，如附圖中所示，槽32位于葉片的高壓面20，鄰近后緣26但與 后緣26略微間隔開。在附圖的實施方案中，該槽從內(nèi)緣30附近的第 一端部34延伸到后緣26最外端附近的第二端部36。槽32基本遵循 后緣26的輪廓。特別地，槽32在其外端部36具有凹彎曲，遵循后緣 26與前緣24匯合時后緣26的輪廓。
在示于附圖中的優(yōu)選實施方案中，第一端部34位于徑向距離為螺 旋槳半徑的大約0. 3的位置。第二端部36位于徑向距離為螺旋槳半徑 的大約0. 925的位置。
如可在圖6中最佳看到的，低壓面22在后緣26處逐漸向葉片12 的高壓面20靠攏。槽32正好位于該錐形體內(nèi)，不超出整個葉片的厚 度。在示于附圖中的實施方案中，槽32與后緣26間隔大約15mm,同 時該槽具有大約5mm的厚度。
在一個優(yōu)選實施方案中，如附圖中所示，槽32是"鴒尾，，形狀的， 如在圖6中最佳看到的。該鴣尾具有與高壓面20的表面成大約60° 角的側(cè)面37。該槽具有基本平行于高壓面20的表面的底部35。在示 于附圖中的實施方案中，槽32具有大約3. 4mm的深度，該深度大約為 葉片厚度的一半。
槽32在第一端部包括引入?yún)^(qū)域38，該引入?yún)^(qū)域38的橫截面基本 為矩形，并且該引入?yún)^(qū)域38寬于槽32的其余部分。引入?yún)^(qū)域38的深 度是漸變的，從高壓面20的表面到槽32其余部分的深度。
槽32被布置為容納調(diào)節(jié)裝置，該調(diào)節(jié)裝置為凸出板條40的形式。 一個合適的凸出板條40的橫截面可在圖6中看到。
凸出板條40是細長的，并具有基本恒定的橫截面形狀。該凸出板 條包括接合部分42和向外凸出部分44。
接合部分42與槽32形狀互補。在附圖的實施方案中，該接合部 分為"鴒尾"結(jié)構(gòu)，但將認識到，也可以使用其他結(jié)構(gòu)。
向外凸出部分44從接合部分42延伸出來，使得當(dāng)接合部分42被 接合在槽32內(nèi)時，向外凸出部分44從高壓面20向外突出。在附圖的 布置中，向外凸出部分44基本垂直于高壓面20。凸出板條4 0可以由任意合適的材料制成。可能的材料包括尼龍和 聚氨酯。
凸出板條40可以通過滑動接合與槽32接合。板條40通過引入?yún)^(qū) 域38被引入槽32。
凸出板條40接合到槽32中的作用是，改變?nèi)~片12的流體動力學(xué) 特性，并因而改變螺旋槳10的流體動力學(xué)特性。特別地，板條40接 合到每個葉片12中具有增加螺旋槳10的有效螺距的作用。與水從前 緣24至后緣26以基本層流方式流過螺旋槳不同，流動改為從前緣24 到向外凸出部分44的上沿46。這減小了水流相對于轂14的縱向方向 的角度，有效增加了螺旋槳10的螺距。
將認識到，改變有效螺距的程度直接與向外凸出部分44的高度有關(guān)。
試驗表明，有效螺距通過以下兩種機制改變因前緣24和上沿 46之間的角度改變而改變螺距，如上所述；以及壓力沿著向外凸出部 分44的工作面(leading face)集中，從而導(dǎo)致流體流動方向改變。 對類似于上文所述和附圖所示的螺旋槳的測試表明，后一作用可以通 過由于偏斜而引起的螺距變化(PD) —一其是凸出部分高度(HT)的 線性函數(shù)——來描述。在申請人進行的測試中測得的關(guān)系為 PD(mm)=45+25.4(HT-l)。該關(guān)系符合具有0. 5mm和4mm之間的HT的凸 出部^一的結(jié)-果。
將認識到，該關(guān)系表明，包含小的凸出部分仍可以使螺距改變至 少20mm。
有效螺距的總變化等于角度增加所引起的螺距(P,)和由于偏斜 而引起的螺距變化(PD )的疊加。因此，半徑r( mm )處的有效螺距(PE(r) (mm))被定義為PE(r) = PD+ tan(ap+a,) . 2兀r，其中ap是不帶板條40 的螺旋槳的螺旋角，(X,是螺旋角的變化。葉片上的有效螺距的總變化 可以通過在半徑范圍內(nèi)取平均值獲得。
可以理解，槽32的長度及其端部34和36的位置，將顯著影響由 使用板條40而導(dǎo)致的流體動力學(xué)特性改變?？紤]使槽32的第二端部 36處具有彎曲會增加由水壓導(dǎo)致的偏斜作用。還考慮使由接近轂14 的葉片部分產(chǎn)生的提升(lift )較小，因此槽的第一端部34的位置可能不那么重要。
在使用中，可以預(yù)見一個螺旋槳10將設(shè)有多組凸出板條40，各 組的凸出部分44的高度互不相同。這樣，可以根據(jù)螺旋槳10將運行 于其中的條件來選擇有效螺距。
構(gòu)造螺旋槳的程序從考慮期望的平均螺距開始。當(dāng)這已經(jīng)確定時， 可以運用上述方程式來設(shè)計這樣的螺旋槳其標(biāo)稱螺距小于期望的平 均螺距，但通過使用具有例如1.5mm的凸出部分的板條，其能獲得期 望的平均螺距。
在螺旋槳10的鑄造之后，可接著在每個螺旋槳葉片14中加工合 適的槽32。在完成加工工序之后，初始板條40(在該實例中具有1.5mm 的高度)可以被插入槽32中。
雖然關(guān)于改變螺距對本發(fā)明進行了描述，但是將認識到，槽32的 合適放置可以使本發(fā)明能夠被用于改變?nèi)~片12的其它流體動力學(xué)特 性。例如，有可能將本發(fā)明應(yīng)用在低壓面22上，以減少或控制空泡的 產(chǎn)生。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的修改和變化視為在本發(fā)明的范圍 內(nèi)。例如，雖然凸出部分44被描述為基本垂直于高壓面20延伸，但 是將認識到，在一些應(yīng)用中，可能希望凸出部分44相對于它自其延伸 的面形成銳角或鈍角。
權(quán)利要求
1.一種用于船用螺旋槳的葉片，該葉片包括聯(lián)接部分，該聯(lián)接部分被布置為容納調(diào)節(jié)裝置，由此調(diào)節(jié)裝置與聯(lián)接部分的接合改變?nèi)~片的流體動力學(xué)特性。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述聯(lián)接 部分被布置為容納調(diào)節(jié)裝置選擇中至少之一，所述選擇中的每個以不 同程度改變?nèi)~片的流體動力學(xué)特性。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述 聯(lián)接部分包括葉片內(nèi)的槽。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述調(diào)節(jié) 裝置包括板條，所述板條具有可被容納在所述槽內(nèi)的接合部分以及在 使用中從葉片的一個表面延伸的凸出部分。
5. 如權(quán)利要求4所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述凸出 部分具有小于10mm的寬度。
6. 如權(quán)利要求5所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述凸出 部分具有大約5mm的寬度。
7. 如權(quán)利要求4到6中任一所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中， 所述接合部分與所述槽形狀互補。
8. 如權(quán)利要求7所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述槽的 橫截面形狀是鴒尾形。
9. 如權(quán)利要求3到8中任一所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中， 所述槽位于所述葉片的高壓面上。
10. 如權(quán)利要求9所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述槽鄰 近所述葉片的后緣定位。
11. 如權(quán)利要求10所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述槽 從葉片半徑的大約30%處延伸至葉片半徑的超過90%處。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所 述槽與所述后緣間隔小于50mm。
13. 如權(quán)利要求12所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述槽 與所述后緣間隔小于25mm。
14. 如權(quán)利要求13所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述槽與所述后緣間隔約15m邁。
15. 如權(quán)利要求10到14中任一所述的用于船用螺旋槳的葉片，其 中，所述槽大體遵循所述后緣的輪廓。
16. 如權(quán)利要求15所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中，所述槽 在其外端部具有凹彎曲。
17. 如權(quán)利要求3到8中任一所述的用于船用螺旋槳的葉片，其中， 所述槽位于所述葉片的低壓面上。
18. 如權(quán)利要求3到17中任一所述的用于船用螺旋槳的葉片，其 中，所述槽包括引入?yún)^(qū)域，該引入?yún)^(qū)域?qū)捰谒霾鄣钠溆嗖糠帧?br> 19. 一種具有多個如前述任一權(quán)利要求所述的葉片的船用螺旋槳。
20. —種調(diào)節(jié)裝置，其被布置為與船用螺旋槳的葉片接合，所述調(diào) 節(jié)裝置具有接合部分，該接合部分被布置為由葉片的聯(lián)接部分容納， 由此所述調(diào)節(jié)裝置與葉片的接合改變?nèi)~片的流體動力學(xué)特性。
21. 如權(quán)利要求20所述的調(diào)節(jié)裝置，其中，所述調(diào)節(jié)裝置包括板 條，該板條具有接合部分和向外凸出部分。
22. 如權(quán)利要求21所述的調(diào)節(jié)裝置，其中，所述向外凸出部分基 本垂直于葉片的一個表面，所述向外凸出部分從該表面凸出。
23. —種確定調(diào)節(jié)裝置對船用螺旋槳葉片的流體動力學(xué)特性的影 響的方法，該方法包括步驟計算由水流角度增加引起的有效螺距變 化以及由于由水流導(dǎo)致的偏斜而引起的有效螺距變化，并將這兩個作 用疊加。
全文摘要
一種用于船用螺旋槳的葉片，包括位于槽中的調(diào)節(jié)板條，所述槽鄰近該葉片的高壓面的后緣。該調(diào)節(jié)板條從該葉片的表面凸出，改變該葉片的流體動力學(xué)特性。該板條可以用具有不同高度的其它板條來替換，以適應(yīng)流體動力學(xué)特性的特定要求。
文檔編號B63H1/26GK101616839SQ200880004537
公開日2009年12月30日 申請日期2008年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月8日
發(fā)明者J·B·莫克維奇 申請人:維姆工程集團有限公司