[發明專利]舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩及其設計方法

有效

• 申請號: 201710635666.8
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107391865B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 葉金銘;王友乾;王威;張凱
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F30/28;G06F119/14
• 代理公司: 北京天盾知識產權代理有限公司 11421
• 代理人: 黃淑娟

本發明屬于船舶設計領域，尤其涉及一種舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩及其設計方法。一種舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩，所述導流罩位于舵葉端部，表面光順，所述導流罩的邊緣輪廓線與舵葉端面的邊線重合，并與舵葉表面光順過渡。所述導流罩能夠改善舵葉端部附近的流場分布，抑制舵葉下端面附近的流體分離，提高舵葉下端面的抗空化性能，進一步避免舵葉端部的空化剝蝕，減小舵葉下端面因空化和分離渦引起的振動和噪聲。

技術領域

本發明屬于船舶設計領域，尤其涉及一種舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩及其設計方法。

背景技術

船舵是船舶上用于控制船舶航行方向的基礎設備，傳統船用舵的下端面為平面，與舵葉面葉背約成90度夾角形成形狀畸變，導致在舵端面處易發生流體分離，形成很強的分離渦，分離渦不僅會引起振動和噪聲，而且使得舵端部在較低航速時發生空化，產生空化剝蝕，增加舵的維護成本，降低了舵的使用壽命，舵端部空化還會進一步加劇舵的振動和噪聲。舵空泡實船觀測結果和舵空泡模型試驗觀測結果均顯示，平面型舵下端面的空化的起始航速比舵葉表面空化低得多，一般水面船在18Kn左右的巡航速度下舵端面就已經產生明顯空化。

發明內容

針對上述現狀，本發明的目的在于提供一種舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩及其設計方法，該導流罩能夠改善舵葉端部附近的流場分布，抑制舵葉端部的流體分離，降低該部位發生空化的可能性，提高船舵的綜合性能。

為實現上述目的，本發明創造采用如下技術方案。

一種舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩，所述導流罩位于舵葉端部，表面光順，所述導流罩的邊緣輪廓線與舵葉端面的邊線重合，并與舵葉表面光順過渡。所述導流罩能夠改善舵葉端部附近的流場分布，抑制舵葉下端面附近的流體分離，提高舵葉下端面的抗空化性能，進一步避免舵葉端部的空化剝蝕，減小舵葉下端面因空化和分離渦引起的振動和噪聲。

進一步地，導流罩各弦向位置垂向剖面(用垂直于舵葉下端剖面對稱線的平面去截取導流罩得到的剖面)形狀是使各剖面負壓力系數峰值取值最小的剖面形狀，所述負壓力系數的定義為：其中p為導流罩表面的壓力，p₀為參考壓力，ρ為海水密度，V_S為船舶航速。通過利用上述參數對負壓力系數進行計算，可以方便的對各種導流罩設計模型進行對比計算，得到使舵葉獲得最佳性能的外形數據。

在進行快速設計的時候，可以使每一弦向位置處導流罩的豎直剖面為半圓形或者半橢圓形，在為半橢圓形的時候該半橢圓形的橫軸始終等于舵葉的下端的剖面在該弦長處的厚度。在滿足設計需求的基礎上，通過取上述參數進行快速設計，可以簡化導流罩設計過程，再根據該參數的設計結果決定是否還需要對剖面形狀進行進一步優化設計。

進一步地，所述導流罩的內部為空心結構。通過設置空心結構的導流罩，可以減小船舵重量，同時降低材料使用量，降低生產升本。

根據需要，可以利用輕質材料填充以減小船舵重量或者更進一步在導流罩內腔設置加強筋板，以保證空心的導流罩的強度。

進一步地，可以使導流罩與舵葉一體加工成型。通過使舵葉一體加工設計，可以避免結合部產生額外的異常流場，優化船舵整體的流場分布以及抗空化效果，提高船舵整體性能。

一種舵葉端部抑制流體分離和空化的導流罩的設計方法，包括以下步驟：

步驟一：保持舵葉的主體外形和結構不變，對舵葉的外輪廓進行建模；

步驟二：在舵葉幾何模型的端部加裝幾何光順的導流罩模型，調整導流罩模型參數，使導流罩模型的邊線與舵葉模型的安裝剖面的邊線重合，導流罩外表面與舵葉表面光順連接；

步驟三：通過數值計算方法計算螺旋槳的尾流場，所述尾流場數據包括尾流速度方向和速度大小的分布；