一种导管螺旋桨

技术领域

本发明涉及航行器螺旋桨技术领域，尤其涉及一种导管螺旋桨。

背景技术

导管螺旋桨由螺旋桨及其外部安装的筒状导流管组成，作为一种水下推进形式，广泛应用于水面舰艇和水下潜航器等领域。相对于普通螺旋桨，导管螺旋桨具有保护螺旋桨、提高推进效率和降低噪声等优势。船舶行业的不断发展，对水面舰艇和水下潜航器等实际应用提出了更高的水动力性能和声学性能需求，因此需要对导管螺旋桨等推进技术进行发展和创新。

推进装置的尾流分为轴向速度分量和周向速度分量。为了尽可能提高推进装置的推进效率和声学性能，期望出流仅有轴向速度分量，而无周向速度分量。因此，需要发展流动控制技术，通过某些手段对尾流进行整流，从而尽量减少尾流的周向速度分量，达到提高推进效率、降低噪声等目的。

此外，螺旋桨的叶梢涡是推进装置流动噪声的主要来源之一，需要对其进行控制。导管螺旋桨的导管与叶梢之间存在的微小间隙称为梢隙，在螺旋桨作业时，桨叶前方形成吸力区，后方产生压力区，流体在压力差的作用下沿桨梢通过梢隙，向吸力区转移，进入吸力区后与低压流体发生相互作用，产生了高强度的旋涡，称为梢隙泄涡，这种流动称为梢隙流动(TLV)。导管螺旋桨梢隙中存在复杂的流动，各种大小的旋涡交替脱落，这种不稳定的梢隙涡不仅会影响推进器的效率，而且对推进器本身也容易造成剥蚀损坏。此外，梢隙涡的存在容易在涡核低压区发生空化形成空泡，空泡产生以后会直接增大推进器工作时的噪声。

因此，如何减少尾流的周向速度分量以及降低梢隙涡的不良影响是导管螺旋桨研发与设计的重要课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种导管螺旋桨，用于解决如何减少导管螺旋桨尾流的周向速度分量以及降低梢隙涡对导管螺旋桨产生不良影响的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种导管螺旋桨，包括管体，内壁上开设有至少一个沟槽；桨主体，设置在管体内并位于管体其中一端；其中，沟槽环绕管体中轴线呈螺旋线。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括若干凸出单元，沿沟槽的螺旋线连续均匀的布设在沟槽内；其中，相邻凸出单元首尾相连。

更进一步优选的，凸出单元沿沟槽螺旋线延伸方向的断面形状为梯形或者三角形；凸出单元的断面形状为梯形时，凸出单元的较长底边固设在沟槽底面上且凸出单元的较短底边朝向管体内部；凸出单元的断面形状为三角形时，凸出单元的其中一个底边固设在沟槽底面上且凸出单元的其中一角朝向管体内部。

更进一步优选的，凸出单元沿沟槽螺旋线延伸方向的断面形状为直角梯形或者直角三角形，凸出单元的直角侧边的延长线对准管体径向断面的圆心，凸出单元的斜边朝向管体的自由端。

在以上技术方案的基础上，优选的，沟槽螺旋线的螺距沿桨主体朝向管体自由端的方向等比例增大。

更进一步优选的，沟槽的深度随螺旋线螺距增大而等比例增加。

更进一步优选的，沟槽螺旋线的最小螺距与桨主体的螺距相同。

在以上技术方案的基础上，优选的，沟槽螺旋线沿管体轴向的长度不小于桨主体的桨叶离管体自由端的间距。

在以上技术方案的基础上，优选的，沟槽螺旋线的旋转方向与桨主体的转动方向相同。

在以上技术方案的基础上，优选的，管体包括第一管筒，内壁上开设沟槽且内部设置桨主体；第二管筒，固定套设在第一管筒外；其中，第一管筒为吸音材料制成。

本发明的一种导管螺旋桨相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)本发明通过在管体内壁上开设螺旋线形状的沟槽，通过沟槽对螺旋桨的尾流进行整流，使尾流在向管体自由端的出口流动时，尾流的周向速度分量在沟槽作用下逐渐减小，从而能够使尾流流出端的周向速度分量明显小于尾流始入端的周向速度分量，进而实现提高推进效率、降低噪声等目的。

(2)本发明沿沟槽在其内部均匀布设若干凸出单元，使若干凸出单元形成波浪状的整流结构，当尾流经过沟槽时，波浪状整流结构对尾流会产生与尾流旋转方向相反的作用力，不仅能够大幅减少尾流的周向速度分量，而且可以诱导螺旋桨的叶梢涡分离为更小的涡，耗散叶梢涡中的能量，从而达到降低叶梢涡产生的流动噪声的目的。

(3)本发明的管体由两个管筒内外套设围成，便于拆卸和安装，设计和加工制造较为简便；内管部分由吸声材料制成，并在内管上开设沟槽及设置凸出单元，有助于吸收尾流产生的流动噪声，达到提高推进装置声学性能的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的导管螺旋桨的侧剖图；

图2为本发明的管体的立体图；

图3为本发明的管体的内部结构立体示意图；

图4为本发明的管体的侧剖图；

图5为本发明的凸出单元的立体图；

图6为本发明的凸出单元的侧剖图。

图中：1、管体；11、第一管筒；12、第二管筒；101、沟槽；2、桨主体；3、凸出单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，结合图2和图3，本发明的一种导管螺旋桨，包括管体1及桨主体2。

其中，管体1即为导管螺旋桨中的导管部分，管体1两端贯通，管体1设置有螺旋桨的一端为尾流始入端，而远离螺旋桨的一端为尾流流出端。尽管管体1在本申请的附图中为圆柱状，但在实际航行器中，管体1还可以是圆锥柱状或者鼓形或者瓶颈形。管体1内壁上开设有至少一个沟槽101，沟槽101环绕管体1中轴线呈螺旋线，沟槽101的作用是对尾流进行整流，以减少尾流的周向速度分量。

桨主体2是导管螺旋桨的螺旋桨部分，桨主体2上周向布设有至少两个桨叶，桨叶的形状是具有一定角度的螺旋扭曲状，因此桨叶的设计参数也包括螺距。桨主体2设置在管体1内并位于管体1始入端，水流从管体1的始入端进入管体1后经由桨主体2旋转加速成为尾流，尾流再从管体1流出端喷出。

本案中提高沟槽101对尾流进行整流的原理为，假设在尾流中存在一个动点，可以发现尾流在经由桨主体2加速后在管体1内流动会形成螺旋线状移动轨迹，因此动点在移动过程中始终存在轴向速度分量与轴向速度分量；由于尾流中存在无数个动点，而不同动点的螺旋线移动轨迹不尽相同，因而不同动点的周向速度分量区别极大，这也是尾流会产生涡流的原因之一；本实施例通过在管体1内壁上开设螺旋线状的沟槽101，可以视作是以尾流中某一个周向速度分量相对较小动点的螺旋线移动轨迹作为基准，对尾流中的不同动点进行引导，使周向速度相对较大的动点能够在沟槽101引导下转化为周向速度相对较小的动点，从而实现了减少尾流周向速度分量的目的。

另外，根据管体1的不同造型及设计参数，可以换算获知该管体1造型下尾流的轴向速度分量及周向速度分量，从而设计中相对应的沟槽101。

在图5所示的一优选实施例中，还包括凸出单元3。

其中，若干凸出单元3沿沟槽101的螺旋线连续均匀的布设在沟槽101内，相邻凸出单元3首尾相连形成波浪状的整流结构，当尾流经过沟槽101时，波浪状整流结构对尾流会产生与尾流旋转方向相反的作用力，不仅能够大幅减少尾流的周向速度分量，而且可以诱导螺旋桨的叶梢涡分离为更小的涡，耗散叶梢涡中的能量，从而达到降低叶梢涡产生的流动噪声的目的。

在图6所示的一优选实施例中，由于需要使若干凸出单元3形成波浪状的整流结构，凸出单元3沿沟槽101螺旋线延伸方向的断面形状为梯形或者三角形。具体来说，凸出单元3的断面形状为梯形时，凸出单元3的较长底边固设在沟槽101底面上且凸出单元3的较短底边朝向管体1内部；而凸出单元3的断面形状为三角形时，凸出单元3的其中一个底边固设在沟槽101底面上且凸出单元3的其中一角朝向管体1内部。从而使波浪状整流结构对尾流会产生与尾流旋转方向相反的作用力。

在图6所示的一优选实施例中，为了使若干凸出单元3组成的整流结构具有良好的整流效力，凸出单元3沿沟槽101螺旋线延伸方向的断面形状可以为直角梯形或者直角三角形，优选为直角三角形，且凸出单元3的直角侧边的延长线对准管体1径向断面的圆心，凸出单元3的斜边朝向管体1的自由端。通常会对凸出单元3的三角形顶部角进行圆角处理，以避免影响整流结构的效力。

在图3所示的一优选实施例中，沟槽101螺旋线的螺距沿桨主体2朝向管体1自由端的方向等比例增大。如前所述假设尾流中存在一个动点，当动点沿沟槽101移动时，随着沟槽101的螺距逐渐正大，动点的周向速度分量则随之减小，因此能够进一步减少尾流的周向速度分量。

在图4所示的一优选实施例中，沟槽101的深度随螺旋线螺距增大而等比例增加。如前所述假设尾流中存在一个动点，当动点沿沟槽101移动时，随着沟槽101的螺距逐渐正大，动点每走一圈螺旋所经过的螺旋长度越长，而沟槽101深度的增大类似于扩大了该圈螺旋径向断面的周长，从而又进一步增大了动点需要经过的螺旋长度，有助于进一步减少尾流的周向速度分量。

在图1所示的一优选实施例中，沟槽101螺旋线的最小螺距与桨主体2的螺距相同，使尾流能够尽快且影响较小的受到沟槽101的整流。

在图1所示的一优选实施例中，沟槽101螺旋线沿管体1轴向的长度不小于桨主体2的桨叶离管体1自由端的间距，使尾流能够尽快进入到沟槽101内受到整流。

在图1所示的一优选实施例中，沟槽101螺旋线的旋转方向与桨主体2的转动方向相同，使尾流能够有效受到沟槽101的整流。

在图1所示的一优选实施例中，管体1包括第一管筒11及第二管筒12。

其中，第一管筒11内壁上开设沟槽101且内部设置桨主体2。第一管筒11为吸音材料制成，有助于吸收尾流产生的流动噪声，达到提高推进装置声学性能的目的；具体来说可以是泡沫金属或者泡沫玻璃，在水面舰艇或者水下航行器中优选采用泡沫玻璃，以降低锈蚀等不良影响。第一管筒11优选采用增材制造手段制成。

第二管筒12固定套设在第一管筒11外；通过两个管筒内外套设围成，使管体1便于拆卸和安装，设计和加工制造较为简便。第二管筒12通常为金属材料制成，具体来说可以采用高强度不锈钢材料或者钛合金材料，主要起到定型与固定的作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。