一种新型低噪声大侧斜导管螺旋桨的制作方法
【专利摘要】一种新型低噪声大侧斜导管螺旋桨，将大侧斜螺旋桨与导管螺旋桨的特点相结合，在导管螺旋桨的基础上，引入大侧斜螺旋桨形式。利用振动小噪声低的七叶大侧斜螺旋桨作为其螺旋桨部分，并将其线型进行优化，使其与导管、毂帽相互协调配合，实现了减小推进器水下振动噪声的效果，同时水动力、强度等性能也得到了保证。可以作为水下航行器的低噪声推进器，亦可用于需要在低噪声状态下航行的潜艇和鱼雷。
【专利说明】一种新型低噪声大侧斜导管螺旋桨
【技术领域】：
[0001] 本发明专利涉及一种用于水下航行器（包括无人水下航行器（UUV)、海上自主航 行器（AUV)和遥控的水下航行器（ROV)等）的低噪声推进器，称为低噪声大侧斜导管螺旋 桨，亦可用于需要在低噪声状态下航行的潜艇或鱼雷。
【背景技术】：
[0002] 水下航行器是承担海洋调查、海洋勘探与开发、水下探测、导航、通信、危险条件下 作业、应急救生与打捞等多种任务的，并可以反复使用的航行器，具有很大的实用性和灵活 性。
[0003] 推进器作为水下航行器的重要组成部分，对其性能有重要影响。随着对水下航行 器流体动力性能、噪声特性要求的提高，目前普遍采用的导管螺旋桨、普通螺旋桨等推进器 已不能完全满足需要。特别是对水下噪声性能要求很高的水下航行器，推进器作为其主要 噪声源之一，必须尽可能地降低。
[0004] 水下推进器产生的噪声包括三个部分：(a)螺旋桨工作在不均匀流场中叶片振动 所产生的噪声（称为来流噪声）；(b)螺旋桨空化所引起的空泡噪声（称为空泡噪声）；(c) 螺旋桨激振力所引起的水下航行器振动及其辐射的噪声（称为辐射噪声）。
[0005] 七叶大侧斜螺旋桨作为一种低噪声推进器，能够有效削弱以上三种噪声。在潜艇 上已得到了广泛应用，如图1所示。七叶大侧斜螺旋桨能够降低振动和噪声的机理与其桨 叶外形和叶片数目密切相关。由于潜艇尾部有不均匀的流场存在，螺旋桨叶片在不均匀 流场中工作就会产生非定常的推力和转矩这样波动的载荷，这种载荷会引起桨叶、轴系的 振动从而产生噪声。普通的对称型叶片（10)的螺旋桨，在旋转过程中螺旋桨旋转方向为 (11)，整个桨叶在径向会同时通过不均与来流（12)，推力和转矩波动所引起的桨叶振动会 很大。而七叶大侧斜螺旋桨的桨叶叶片（13)采用了大侧斜形式，使叶片在径向不会同时到 达不均匀流场的高压区或低压区（12)，即不会造成整个桨叶处在高压一低压一高压的循环 状态，如图2 (a)所示，这样就能有效抑制桨叶的振动，从而降低了螺旋桨的噪声。在图2 (b) 单个桨叶振动幅值F(t)随时间t变化的曲线中，大侧斜螺旋桨桨叶振动幅值曲线（14)的 峰值比对称型桨叶振动幅值曲线（15)的峰值要小很多。另外，叶片数为七叶的七叶大侧斜 螺旋桨，比常规的五叶螺旋桨的叶数多，使得整个螺旋桨上承受推力的叶片面积增大，因而 每一叶上的推力减少了，能够减少螺旋桨的激振力。另外螺旋桨桨叶旋转时，桨叶上的压力 降低，当压力低于了水的汽化压力，便会形成空泡，不稳定的空泡产生、溃灭，就会形成空泡 噪声。七叶大侧斜螺旋桨的单个桨叶上的推力减小了，相对于同样推力的五叶螺旋桨单个 桨叶上压力的降低要小一些，因此可以延迟空泡的产生，避免了空泡噪声。根据以上三个原 因，七叶大侧斜螺旋桨能够达到降低振动和噪声的目的。
[0006] 对于水下航行器，由于其使用的特殊性，并不能直接采用潜艇上所用的七叶大侧 斜螺旋桨。因为水下航行器在使用过程中常常要进行收放作业，为了保护螺旋桨在收放过 程中不至于碰坏，常常需要在螺旋桨外部加装保护罩或者使用导管螺旋桨。另外由于水下 航行器的推进器往往负载较重，也需要采用导管螺旋桨这种形式。
[0007] 导管螺旋桨（简称导管桨）是特种推进器的一种，主要是为了提高功率系数较高 的高负荷螺旋桨的效率，如图3所示。它是在普通螺旋桨的外围装上一个导管，导管的纵剖 面为机翼型或折角线型。按导管中流场不同可分为加速型导管和减速型导管，如图4所 示。加速导管螺旋桨具有效率高、推力大、在风浪中的性能较好等特点。对于功率系数较高 的高负荷螺旋桨，采用它所能达到的效率，将超过常规螺旋桨，在推轮、拖船、渔船上得到广 泛应用。对于减速导管，与加速导管相反，它产生负推力，增加了船舶阻力。但是导管中的 流体流经盘面处时流线扩张，流速比普通螺旋桨低，压力则较高，对推迟或避免螺旋桨的空 泡有好处，所以减速导管螺旋桨常用于易发生空泡的情况。导管桨不仅能应用于船舶推进， 而且在水下航行器上也应用非常广泛。近年来，随着水下航行器的快速发展，针对其使用要 求的导管桨也越来越受到重视。
[0008] -些特殊用途的水下航行器，如扫雷器、猎雷器等，不仅螺旋桨的负荷较重，而且 对螺旋桨的振动和噪声也有很高的要求。为满足这一要求，根据导管桨和七叶大侧斜螺旋 桨各自的优点，提出了将导管螺旋桨与七叶大侧斜螺旋桨结合在一起的本发明的新型低噪 声大侧斜导管螺旋桨设计。
[0009] 本发明不仅能提供水下航行器所需的推力，而且其噪声比常规导管桨有明显的降 低。例如某型水下航行器，推进器分别采用常规导管桨与本发明，在380rpm时的声压级相 比较，本发明能够降低噪声3?4dB。
【发明内容】
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[0010] 本发明的目的在于减小水下航行器的推进器所引起的水下噪声，并满足水下航行 器水下航行推力、效率、强度及使用等方面的要求，为水下航行器或船舶的推进器选型提供 了一种新的选择。
[0011] 本发明主要由大侧斜螺旋桨（1)、导管（2)和毂帽（3)部分组成，其中大侧斜螺旋 桨可以采用由桨叶（4)和桨毂（5)组成，桨毂中有螺旋桨安装用的轴孔（6)和键槽（7)，如 图5所示。本发明的螺旋桨部分，如图6所示，借鉴了潜艇上普遍使用的针对敞水环境设 计的七叶大侧斜螺旋桨的形式，但是根据导管螺旋桨的特点，对桨叶弦长分布、厚度分布、 纵倾和侧斜角等参数进行了重新设计，并与导管和毂帽部分相协调，使其水动力、强度等性 能达到较好的水平。本发明采用的七叶大侧斜螺旋桨与敞水中使用的七叶大侧斜螺旋桨线 型有很大不同，主要差别在于敞水中使用的七叶大侧斜螺旋桨桨叶上部叶切面弦长和螺距 逐步减小，叶稍部位叶切面弦长为零或者很小。而本发明中的七叶大侧斜螺旋桨，根据新的 使用环境（在导管内），采用新的线型设计，桨叶上部叶切面弦长和螺距明显大于敞水螺旋 桨，在桨叶上部能够提供更多的推力，如图7所示。本发明采用的七叶大侧斜螺旋桨与常规 导管螺旋桨亦有很大不同，主要差别是常规导管螺旋桨的螺旋桨叶数通常为四叶，侧斜角 很小，而本发明中的螺旋桨叶数为七叶，而且螺旋桨的侧斜角也增大很多，螺旋桨的线型也 与常规导管螺旋桨的线型有很大差别，如图8所示。本发明的导管部分，对螺旋桨的水动力 性能有较大影响。目前导管主要分为加速型导管和减速型导管两种。加速型导管将螺旋桨 的部分推力转移到了导管上，减小了螺旋桨上的推力，可以改善载荷较重的螺旋桨的效率。 针对水下航行器螺旋桨载荷较重的特点，本发明采用加速型导管，其形式如图9所示。本发 明还可以根据需要对螺旋桨和导管进行重新设计或选型。
[0012] 本发明实施例中螺旋桨的敞水性能曲线如图10所示，在进速系数J等于0.655 时，敞水效率达到最高值0.602。另外采用有限元方法对本发明实施例进行螺旋桨桨叶 强度校核。采用铜合金材料时，在设计工况下，桨叶最大应力出现在〇. 5倍半径（0. 5R)的叶 切面随边处，最大值为13. 9Mpa，未超过材料的屈服极限380Mpa，叶片的强度储备系数K = 47. 8 (按照"GJB2735-96舰船螺旋桨通用规范"计算）。桨叶叶稍变形最大，达到0. 243mm， 但未超过正常使用所要求的范围。经强度校核发现，本发明能够保证水下航行器水下正常 使用的强度要求。
[0013] 本发明在某无人航行器上的安装具体见图11所示，在其他水下航行器、潜艇或鱼 雷上安装可根据实际情况进行调整。
[0014] 本发明的有益效果是：提供了一种能够有效降低水下航行器振动噪声的推进器， 并满足水下航行器水下航行推力、效率、强度及使用等方面的要求。
[0015] 本发明的实施：
[0016] 本发明中螺旋桨的几何外形、导管剖面线型以及两者的相对位置确定了，就确定 了本发明。
[0017] 1.螺旋桨的几何表示
[0018] 1.1参数符号表
[0019] (1)坐标参数：
[0020] x,y, z--直角坐标系表示螺旋桨桨叶表面空间点坐标的三个参数；
[0021] x,r, Θ -柱坐标系表示螺旋桨桨叶表面空间点坐标的三个参数；
[0022] (2)螺旋桨参数
[0023] R--螺旋桨半径，单位：米（m);
[0024] D--螺旋桨直径，单位：米（m);
[0025] r--螺旋桨叶切面的径向坐标，单位：米（m);
[0026] Z--螺旋桨桨叶数量，单位：个；
[0027] C(r)--半径r处的桨叶叶切面长度（弦长），单位：米（m);
[0028] Cs(r)--半径r处的桨叶叶切面中线距螺旋桨参考线的距离（侧斜），单位：米 (m)；
[0029] xE(r)--半径r处的桨叶叶切面沿螺旋桨轴线方向的位移（纵斜），单位：米 (m)；
[0030] tm(r)-半径r处的桨叶叶切面最大厚度，单位：米（m);
[0031] fm(r)-半径r处的桨叶叶切面中心线最大拱度，单位：米（m);
[0032] P(r)--半径r处的桨叶叶切面螺距，单位：米（m);
[0033] rH--螺旋桨桨毂半径，m ;
[0034]
【权利要求】
1. 一种由大侧斜螺旋桨（1)、导管（2)、毂帽（3)构成的大侧斜导管螺旋桨，其中大侧斜 螺旋桨由桨叶（4)和桨毂（5)组成，桨毂中有螺旋桨安装用的轴孔（6)和键槽（7)。 其特征之一，采用大侧斜螺旋桨（1)和导管（2)的组合形式，其中大侧斜螺旋桨桨叶 (4)数目为七叶； 其特征之二，采用大侧斜螺旋桨作为导管螺旋桨的螺旋桨部分，在不同半径位置处，即 半径比r/R为0. 2?1. 0的范围内，大侧斜螺旋桨桨叶（4)的线型通过以下取值范围内的 无因次参数确定： (a) 螺距比 P/D : 0.8 ?1.4 ; (b) 侧斜角 0 s(° ) : -25 ?40 ; (c) 纵倾比 XK/D : 04 ?0? 01 ; (d) 弦长比 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. 根据权利要求1所述的大侧斜导管螺旋桨，其特征是：导管（2)采用加速型导管（8) 或减速型导管（9)。
3. 根据权利要求1所述的大侧斜导管螺旋桨，其特征是：导管（2)为BD15加速型导管。
4. 根据权利要求1所述的大侧斜导管螺旋桨，其特征是：螺旋桨毂帽（3)为近似圆锥 形。
5. 根据权利要求1所述的大侧斜导管螺旋桨，其特征是：大侧斜螺旋桨（1)与敞水中 使用的七叶大侧斜螺旋桨（简称敞水七叶桨）相比外形有差别，桨叶（4)上部叶切面弦长 C和螺距P明显大于敞水七叶桨，在桨叶上部能够提供更多的推力，在半径比r/R为0. 7? 1. 0的范围内，弦长比C/D为0. 18?0. 25,螺距比P/D为0. 8?1. 4。
6. 根据权利要求1所述的大侧斜导管螺旋桨，其特征是：与现有导管螺旋桨采用的螺 旋桨有很大不同，主要有：(a)桨叶数为7叶，数目更多；(b)侧斜角0 s范围为-25°? 40°，侧斜角更大；（c)桨叶线型不同，桨叶（4)弦长比C/D在0. 10?0.50范围内，范围更 大。
【文档编号】B63H1/16GK104417738SQ201310363534
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月19日 优先权日:2013年8月19日
【发明者】方斌, 周其斗 申请人:中国人民解放军海军工程大学