一种船舶水下分段式辅助推进转子

1.本发明涉及的是一种船舶推进装置，具体地说是船舶推进转子。


背景技术：

2.马格努斯效应是基于伯努利原理与康达效应的一种流体现象。与机翼理论类似，当旋转圆柱体转子受到横向流体的流动作用时，由于水流的粘性力的存在，将改变圆柱体周围流体的速度场。由伯努原理可知，速度场的改变会导致流场中压力场改变，速度大的一端压力减小，速度小的一端压力变大。压力场改变后形成一个向着流速慢的部分的压力合力p，这就是马格努斯效应。
3.目前，用来回收船尾尾流能量的装置，大多制造正本高，结构复杂，节能效果差，使用时受限于船型。水下助推转子的外形为圆柱体结构简单，可以代替舵的工作，且能产生助推力，节约船舶燃料，但是传统的转子大多以单段式为主，并不能适应由转子淹深产生的压力差，以及船舶伴流影响导致的速度场不同产生的推力大小方向均有不同的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供能够适应转子淹深，调整转子转速，从而更好的吸收螺旋桨后的尾流损失，将其能量转化为推力的一种船舶水下分段式辅助推进转子。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.本发明一种船舶水下分段式辅助推进转子，其特征是：包括内塔、第一段转子、第二段转子、第一驱动电机、第二驱动电机，内塔包括上内塔和下内塔，上内塔固定于船上，下内塔与上内塔通过联轴器联结在一起，第一段转子位于上内塔外部，第二段转子位于下内塔外部，第一段转子和第二段转子分别通过连接法兰连接各自的连接杆，各自的连接杆分别通过内塔轴承连接上内塔和下内塔，第一驱动电机位于船舱内并连接上内塔，第二驱动电机位于第二段转子内并连接下内塔。
7.本发明还可以包括：
8.1、第一段转子、第二段转子位于螺旋桨桨后，其与螺旋桨的距离为螺旋桨直径0.6
‑
0.8倍，第一段转子、第二段转子位于水面之下。
9.2、对于单桨船，第一段转子、第二段转子安装于螺旋桨垂直直径两侧，对于双桨船，第一段转子、第二段转子安装于双桨垂直直径中间。
10.本发明的优势在于：本发明能够适应转子淹深，调整转子转速。从而更好的吸收螺旋桨后的尾流损失，将其能量转化为推力，并又能代替传统的舵机，实现两种功能集成于一个设备上，优化了船尾布置。
附图说明
11.图1为本发明的结构示意图；
12.图2为双桨船舶转子工作示意图；
13.图3为单桨船舶转子工作示意图。
具体实施方式
14.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
15.结合图1
‑
3，本发明在船舶尾部设置多段式转子，转子通过固定杆5与内塔2固定，内塔2静止不同且与船体固定，转子通过电机直接驱动，第一驱动电机11通过齿轮连接的方式驱动上半部分转子，第二驱动电机10直接驱动下半部分转子，两套电机拥有独立的控制系统以及传感器，多段转子安装于螺旋桨桨后。对于单桨船，采用双转子安装于螺旋桨垂直直径两侧，对于双桨船，采用双转子安装于双桨垂直直径中间。
16.本发明两段转子公用一个内塔2，转子分为两段，分别通过连接杆5、内塔轴承4、连接法兰8固定于内塔2上。双段转子以及电机用于根据不同的水流速度、压力，调整转子转速。通过转子改变周围流体速度场，对转子产生一定的助推力。多个转子产生的推力总和通过内塔2传递至船身。
17.转子同内塔轴承4装于内塔2的外部，内塔2固定，转子相对内塔转动，第一驱动电机11设置于船舱内，通过齿轮结构驱动转子。第二驱动电机10与内塔2下部固定驱动转子旋转，转子旋转带动周围水流压力场变化，产生压力作用于两段转子上，两个转子所受合力通过连接杆5传递至内塔2，又通过内塔2以及内塔底座1传递到船身上。
18.转子安装于螺旋桨桨后，且转子与螺旋桨之间的距离为螺旋桨直径的0.6
‑
0.8倍，转子轴线分布于螺旋桨垂直直径两侧或双螺旋垂直直径中间，且转子不能浮出水面。
19.第一驱动电机11、第二驱动电机10的实时转速、功率不相同，且拥有两套独立的控制系统与传感器。实时转速、功率根据不同位置的水深、航速由控制系统决定。
20.由马格努斯效应可知，根据不同的来流方向转子转动改变周围流场可以在航行时助推，也可以助力船舶转向，一种装置集成了两种功能，节省了船舶尾部空间，实现了船舶尾部装置的合理安排。
21.如图所示，船舶在前进时螺旋桨产生尾流，为了吸收螺旋桨尾流中的能量、为船舶产生额外推力，现加装如图1所示的分段式助推转子。结合图1至图3，本发明包括一对分段式转子结构，两套独立控制的驱动电机包括第二驱动电机10、第一驱动电机11以及传动齿轮3、12，连接杆5，以及可以自由旋转的转子外壳6，其中转子外壳通过连接法兰8与连接杆5连接，连接杆另一端连接在固定于内塔的轴承4上，内塔轴承需要具有防水的密封式设计，转子的长度不超过船舶吃水并且不能露出水面，直径为0.5
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0.8倍的螺旋桨直径。所述的转子结构，对于单桨船两个转子位于螺旋桨两侧，对于多桨船采用双转子位于两个桨中间的位置，第一驱动电机11、第二驱动电机10可以分别单独控制上下两段转子的转速，使其适应不同深度的水流速度和压力大小，驱动装置能够给转子提供足够的转矩，转速。
22.当双转子以角速度ω对向旋转时，在螺旋桨尾流速度v0的作用下，通过马格努斯效应可以产生助推力f1、f2，从而提高船舶航行的能量利用率。当双转子同向旋转时产生的侧向力还可以辅助船舶转向增加船舶的可操纵性，能够明显的减小船舶的转弯半径。
23.由于水存在粘性的原因，船舶运动时带动周围流体运动形成伴流，周围的流场中速度成梯度分布，压力也由于淹深形成不均匀分布。
24.γ＝
‑
π2d2f
ꢀꢀꢀ
(1)
25.f＝
‑
ργv
ꢀꢀꢀ
(2)
26.公式1、2为马格努斯效应推力计算公式，助推转子的助推力大小与转子旋转频率f、转子直径d、以及来流速度v有关。
27.而辅助推进的转子是通过旋转改变转子两侧转速产生压力差从而助推的，当转子处于的速度场、压力场不均匀时，导致转子受力不均匀，容易发生断裂等问题，推进效率也会受到影响，本发明中给出的分段式的方案就可以解决这一问题，分段转子使用独立的控制系统，以及不同的尺寸，使上下两段转子通过转速的调控，得到作用于转子的均匀的助推力，从而提高转子的使用寿命。又根据kutta
‑
joukowski定理可知转子的助推力与流场速度以及半径皆为正相关，故下半部分转速相对较快的直径小，上半部分转速相对较慢的直径大。双段转子使用不同的电机控制其转速可以在电机输出能量以及转子产生的助推力之间产生更好的平衡，从而提高转子的助推效率。
28.根据上述转子原理，多段助推转子的段数越多其助推效率越高，使用寿命越长，但是过多的转子段数会导致传动设备的布置、转子的制造成本增大。于是综合考虑螺旋桨直径在6m以下时使用双段转子即可。
29.综上所述，本发明公开了一种船舶水下分段式辅助推进转子，本发明包括一对分段式转子结构，两套独立控制的第一驱动电机11、第二驱动电机10，连接杆5，以及可以自由旋转的转子外壳6，对于单桨船采用，两个转子分布螺旋桨两侧的对称式安装，对于双桨船采用两个转子置于两个螺旋桨中间的对称式安装。根据船舶的不同工作情况，通过驱动装置，调节转子的转速，转向达到助推的目的。其原理与马格努斯效应相同。