船舶用桨后尾涡回收装置的制作方法

1.本实用新型涉及船舶技术领域，特别涉及一种船舶用桨后尾涡回收装置。


背景技术：

2.现有所有民用运营船舶中，螺旋桨是应用最广泛的推进形式。常规的螺旋桨推进系统如图1所示，船体90尾部设有螺旋桨91和挂舵臂92。螺旋桨91旋转推动船舶前进时，螺旋桨运作导致的旋转尾流状况如图1所示。图1中螺旋桨后的螺旋线93表示由于螺旋桨运作导致的旋转尾流，边界线94表示旋转尾流的边界。从螺旋桨推动船体前进的原理讲，水平向后推动的水流是螺旋桨有效做功的部分，而尾流的旋转则是浪费能量的部分。
3.现有技术中，对于螺旋桨尾涡旋转能量回收的装置中，主要分为两种附体形式。
4.第一种附体为毂帽鳍，该节能附体固定于螺旋桨轴末端，随螺旋桨进行旋转，通过其上叶片对水流进行扰动来实现节能的目的。其动力来源于轴的带动，即是说需要船舶主机提供功率来进行驱动，同时其重量和受力都通过刚体连接的形式传导至螺旋桨主轴。由于其特有的安装位置，该附体所受重力虽然有限，但力臂很长，其存在对桨轴、轴承及其他相关联结结构的强度及受力特点都是显著的限制因素。同时根据试验测量结果，该节能附体的节能效果通常为2％左右，并不可观。
5.第二种是附着在舵上的附体结构，如舵球、舵附推力鳍、扭曲舵等。该类结构为固定结构物，不需要旋转，因此也就不需要动力驱动，其节能的主要原理在于使附体在螺旋桨尾流中旋转时受到的附加推力大于因其存在而引起的阻力，或因其本身存在而使舵受到的阻力减小，但究其根本是通过增加附体或改变形状来适应螺旋桨的旋转尾流。然而此类附体通常为避免造成过多的阻力增加而局限于某一局部区域，绝大部分螺旋桨旋转尾流中的能量并没有进行回收，因此其节能效果也就有限。据统计，其节能效果通常在0.5％
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1.5％的水平。此外，由于其结构为内部骨架外部蒙皮的特征及其与舵的刚性连接形式，使得兼顾强度的结构设计形式也成为其限制因素之一。


技术实现要素：

6.本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种船舶用桨后尾涡回收装置。
7.本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
8.一种船舶用桨后尾涡回收装置，其设于船体尾部，船体尾部设有螺旋桨和挂舵臂，挂舵臂位于螺旋桨后方；挂舵臂上设有可在螺旋桨旋转时被动旋转的自由叶轮，自由叶轮位于挂舵臂和螺旋桨之间；自由叶轮包括自由叶轮毂部和固设于自由叶轮毂部的自由叶轮叶片；自由叶轮毂部和螺旋桨桨毂不接触；自由叶轮毂部的旋转轴线和螺旋桨桨毂的旋转轴线重合；自由叶轮的直径不小于螺旋桨的直径。
9.挂舵臂上设有轴系系统，自由叶轮毂部轴接于轴系系统。
10.自由叶轮毂部和轴系系统为水密连接。
11.轴系系统的前端部为圆形，自由叶轮毂部后端部的直径不小于轴系系统前端部的直径。
12.自由叶轮毂部前端部的直径不大于螺旋桨桨毂后端的直径。
13.挂舵臂前端与自由叶轮叶片的距离不小于10mm。
14.自由叶轮的直径为螺旋桨的直径的1.1～1.7倍。
15.自由叶轮叶片的数量为3～13片。
16.螺旋桨桨叶的数量为3～7片。
17.挂舵臂的底部位于螺旋桨桨毂的旋转轴线的下方。
18.本实用新型的有益效果在于：本实用新型在挂舵臂上设置自由叶轮，该自由叶轮无需动力装置进行驱动，仅靠桨盘面内部分回收螺旋桨尾流驱动，实现了良好的节能效果。
附图说明
19.图1为现有螺旋桨工作时旋转尾流状态图。
20.图2为本实用新型较佳实施例的结构示意图。
21.图3为本实用新型较佳实施例的螺旋桨工作时旋转尾流状态图。
具体实施方式
22.下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。
23.如图2和图3所示，一种船舶用桨后尾涡回收装置，其设于船体10尾部，船体10尾部设有螺旋桨20和挂舵臂40，挂舵臂40位于螺旋桨20后方；挂舵臂40上设有可在螺旋桨旋转时被动旋转的自由叶轮30，自由叶轮30位于挂舵臂40和螺旋桨20之间。
24.自由叶轮30包括自由叶轮毂部31和固设于自由叶轮毂部的自由叶轮叶片32。
25.自由叶轮毂部31和螺旋桨桨毂21不接触。自由叶轮毂部31前端部的直径不大于螺旋桨桨毂21后端的直径。
26.自由叶轮毂部31的旋转轴线33和螺旋桨桨毂21的旋转轴线23重合。
27.自由叶轮30的直径不小于螺旋桨20的直径。优选方案，自由叶轮30的直径为螺旋桨20的直径的1.1～1.7倍。
28.优选方案，自由叶轮叶片32的数量为3～13片；螺旋桨桨叶22的数量为3～7片。
29.挂舵臂40上设有轴系系统41，自由叶轮毂部31轴接于轴系系统41。自由叶轮毂部31和轴系系统41为水密连接。
30.轴系系统41的前端部为圆形，自由叶轮毂部31后端部的直径不小于轴系系统41前端部的直径。
31.挂舵臂前端42与自由叶轮叶片的距离不小于10mm。自由叶轮叶片旋转时不会与挂舵臂发生触碰，可以避免挂舵臂对自由叶轮叶片的旋转产生干涉。
32.挂舵臂40的底部位于螺旋桨桨毂的旋转轴线23的下方。
33.本实用新型为作用于船舶推进系统的后置自由叶轮节能装置。本实用新型运行时螺旋桨旋转尾流的状态，如图3所示。
34.为能清楚地描述节能原理，将自由叶轮叶片32虚拟分割为自由叶轮叶片内部区域321和自由叶轮叶片外部区域322。自由叶轮叶片内部区域321和自由叶轮叶片外部区域322
的边界为螺旋桨旋转尾流的径向边界81与自由叶轮叶片的相交处。
35.需要说明的是，自由叶轮叶片内部区域321和自由叶轮叶片外部区域322仅为描述节能原理用，在实物中自由叶轮叶片32并不存在该两者的区分，实物中自由叶轮叶片32还是一个整体。
36.螺旋桨的旋转尾流在流经自由叶轮叶片内部区域321后，旋转尾流带动自由叶轮叶片32与螺旋桨桨叶22同方向绕自由叶轮毂部的旋转轴线33转动。
37.自由叶轮被动旋转的同时会阻滞螺旋桨搅动所致的旋转尾流，使尾流的轴向分量保持而使其周向分量减小，这样，由于螺旋桨旋转尾流作用于舵叶50上绕舵轴51的不稳定水动力矩也会趋于稳定。
38.如图3所示，自由叶轮作用后的螺旋桨尾流螺旋涡线80的螺距将大幅增加，因此，螺旋桨诱导所致的周向能量浪费被大量回收。
39.自由叶轮叶片内部区域321受螺旋桨尾流作用后，刚性带动自由叶轮叶片外部区域322及自由叶轮毂部31同转速转动。其中自由叶轮叶片外部区域322的设计与螺旋桨桨叶22类似，能够以转动的形式推动水流流向船尾从而产生推力推动船舶前进。这样，螺旋桨尾流中回收来的旋转能量通过推动水流做有用功从而达到节能的目标。本实用新型的装置可以达到5％以上的节能效果。
40.从螺旋桨尾涡回收的角度来看，本实用新型中自由叶轮覆盖全桨盘面区域，从而可以回收更多的能量损失。这解决了现有技术中的能量回收有限的弊端。但同时能量回收程度也取决于自由叶轮收到的阻力与其产生的附加推力之间的关系，当推力大于阻力时可以实现节能。
41.自由叶轮的连接方式为后置于挂舵臂上并紧挨挂舵臂，这种布置形式可以将由于自由叶轮存在导致的力臂尽可能缩短，从而减轻轴系负担。这种布置形式有效解决了现有技术中的毂帽鳍因其布置位置导致轴系负担的现状，是更合理的布置形式。
42.本实用新型中自由叶轮并不需要动力驱动，因此船舶主机不需要分出功率来驱动其旋转，相应的，其动力主要来自于螺旋桨尾流中的旋转能量。这也避开了现有技术中毂帽鳍旋转需要主机分出功率来驱动的形式，从而在功率输出端避免了能量损失。
43.本实用新型的自由叶轮结构为铸造件，这对生产工艺和结构强度较现有技术中的桨后节能装置提出更低的要求，仅需要装配即可。
44.本实用新型中自由叶轮可以有效弥补现有技术中力臂过长、消耗主机功率、结构形式严格以及节能效果有限的四个弊端，是更为完善合理的节能附体形式。
45.本实用新型在挂舵臂上设置自由叶轮，该自由叶轮无需动力装置进行驱动，仅靠桨盘面内部分回收螺旋桨尾流驱动，实现了更好的节能效果。
46.虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。