一种水下螺旋桨旋流能量提取与利用的推进装置的制作方法

本发明属于航海技术领域，涉及一种能提高普通水下螺旋桨推进器能量利用率的技术。

背景技术：

目前，船舶、船艇、潜航器等水上、水下航行器普遍采用螺旋桨及喷水推进两种方式产生动力。在这两种动力方式中，螺旋桨都是产生动力的核心。螺旋桨推进器通过桨叶在水中旋转，将发动机转动能量转化为水向后运动的动能，利用动量定理，产生推力。

但是，目前为止，无论是在何种螺旋桨结构中，无论螺旋桨桨叶进行何种优化，在螺旋桨工作时，从螺旋桨流出的水流除了具有沿螺旋桨轴线向后的轴向速度，都伴随有跟随螺旋桨桨叶旋转的周向速度。其中轴向速度产生推力，为有效速度，而周向旋转速度与轴向速度垂直，无法产生推进力，成为无效速度。无效速度伴随水流流动，将能量耗散，显著地降低了螺旋桨的能量利用率，降低了螺旋桨的推进效率。在有些水下推进系统中，会在螺旋桨之后设置固定的导流装置，将水流的旋转运动强行扭转，虽然消除了水流的旋转运动，但却造成强烈的水流冲击，同样会造成显著的能量损失。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供一种将螺旋桨尾流的旋转能量提取并用于产生附加推力的主、被动双螺桨水下推进装置，通过合理设计被动螺旋桨叶型结构，在尽量不影响水流周向速度的情况下，充分提取水流的周向旋转能量，并产生附加推力，从而显著提高推进装置的能量利用效率，达到节能效果。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种水下螺旋桨旋流能量提取与利用的推进装置，包括壳体、电机舱体、主螺旋浆，所述的壳体位于主螺旋浆外部，电机舱体设置在壳体一侧，推进装置还包括被动螺旋桨、支撑架，所述的主螺旋浆安装在电机舱体的转轴上，电机舱体设置在支撑架的前端，并通过支撑架与壳体一端相连，被动螺旋桨设置在壳体另一端；主动螺旋桨通过电机舱体带动旋转，形成具有轴向速度以及旋转的周向速度的流体，流体进入被动螺旋桨形成运动水流，产生附加推动力。

进一步地，所述的被动螺旋桨包括内叶轮、中介壳体、外廓叶轮，内叶轮均匀分布在中介壳体内侧形成内流道，外廓叶轮均匀分布在中介壳体外侧形成外流道。

进一步地，所述的壳体、电机舱体、主螺旋浆、被动螺旋浆同轴设置。

进一步地，所述的电机舱体设置在支撑架的前端，并通过支撑架固定在壳体一侧轴心上。

优选地，所述的壳体的后端轴心位置设置有支撑轴，支撑轴与被动螺旋浆轴向连接。

优选地，所述的支撑轴一端与尾部固定装置相连，用于对被动螺旋桨轴向定位。

优选地，所述的内叶轮的形状为被动螺旋浆的旋转轴到外扩廓叶轮经过15度扭转的自由延伸面；所述的外廓叶轮的螺距比为0.8，后倾角为10度，直径0.25m，盘面比为0.85。

所述的被动螺旋桨通过轴承设置在支撑轴上，轴承内圈与支撑轴之间为过盈配合。

所述的尾部固定装置内的用于紧固的螺纹方向与被动螺旋桨运行时的旋转方向相同。

本发明与现有技术相比，具有以下有益技术效果：

(1)充分提取并利用主流流体的周向旋流能量，将无效能量转化为有效能量；

(2)适当降低主流流体的轴向速度，减少主流流体“带走”的能量；

(3)通过外流道流体的流动增加产生推力的工质流量，提高推进装置的推力；

(4)被动螺旋桨的内叶轮提取功率、外廓叶轮释放功率，实现功率提取-释放一体化。

附图说明

图1为本发明的推进装置侧面剖视图及整体结构图。

图2为本发明的推进装置侧面剖视图。

图3为传统主动螺旋浆工作原理图。

图4为传统主动螺旋桨桨后尾流的速度分析。

图5为本发明的推进装置的工作原理图。

图6为本发明的测试样机实物照片。

图7为本发明对比实验散点图分布。

图中各数字符号分别代表以下含义：1-主动螺旋桨；2-被动螺旋桨；3-壳体；4-电机舱体；5-安装架；6-支撑架；7-内叶轮；8-外廓叶轮；9-轴承；10-支撑轴；11-尾部固定装置；12-中介壳体。

以下结合附图及具体实施方式对本整体技术方案详细内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参见图1-图2，本发明的一种水下螺旋桨旋流能量提取与利用的推进装置，包括壳体3、电机舱体4、主螺旋浆1，所述的壳体3位于主螺旋浆1外部，壳体3起固定和支撑作用，电机舱体4设置在壳体3一侧，该推进装置还包括被动螺旋桨2、支撑架6，所述的主螺旋浆1安装在电机舱体4的转轴上，电机舱体4设置在支撑架6的前端，并通过支撑架6与壳体3一端相连，被动螺旋桨2设置在壳体3另一端；主动螺旋桨1通过电机舱体4带动旋转，形成具有轴向速度以及旋转的周向速度的流体，流体进入被动螺旋桨2形成运动水流，产生附加推动力。

被动螺旋桨2包括内叶轮7、中介壳体12、外廓叶轮8，内叶轮7均匀分布在中介壳体12内侧形成内流道，外廓叶轮8均匀分布在中介壳体12外侧形成外流道。内叶轮7用于提取从主动螺旋桨流出的水流的周向旋转动能及部分轴向运动动能。中介壳体12形成内流道后段的外围结构，并用于固定外廓叶轮。外廓叶轮8，用于对外流道水流做功，推动水流向后运动产生推力。内叶轮7须与主动螺旋桨1排出水流的运动特征(即速度三角形)相匹配，充分提取水流周向旋转的动能，同时适当提取水流轴向流动的动能，结合外廓叶轮8，实现主、被动螺旋桨的功率平衡和转速匹配。内叶轮7的形状为被动螺旋浆的旋转轴到外扩廓叶轮经过15度扭转的自由延伸面；外廓叶轮8的螺距比为0.8，后倾角为10度，直径为0.25m，盘面比为0.85。

壳体3、电机舱体4、主螺旋浆1、被动螺旋浆2同轴设置。电机舱体4设置在支撑架6的前端，并通过支撑架6固定在壳体3一侧轴心上。壳体3的后端轴心位置设置有支撑轴10，支撑轴10与被动螺旋浆2轴向连接。支撑轴10一端与尾部固定装置11相连，用于对被动螺旋桨轴向定位。

支撑轴10为被动螺旋桨提供支撑，其后端带有螺纹，用于安装尾部固定装置。

轴承9为角接触球轴承，用于减少被动螺旋桨旋转的摩擦力，内环通过过盈配合安装在支撑轴上，外环外径与被动螺旋桨的轴心孔相匹配。

尾部固定装置11孔内带有内螺纹，通过螺纹连接安装于支撑轴后端，用于对被动螺旋桨2轴向定位。尾部固定装置11螺纹紧固方向与被动螺旋桨2运行时的旋转方向相同。

在工作过程中，电机舱体4旋转并通过转轴带动主动螺旋桨1旋转，主动螺旋桨1带动水流在壳体内的主流道向后流动，此时，从主动螺旋桨1流出的水流同时具有轴向速度、径向速度和周向旋转速度。其中，径向速度受壳体限制很微弱。之后水流进入被动螺旋桨2的内流道，内流道的桨叶利用水流的周向速度以及部分轴向速度提取功率，获得旋转的能量，产生旋转运动。从被动螺旋桨2内流道流出的主流继续向后运动，产生主推力，被动螺旋桨的外流道桨叶旋转带动外流道的水流运动，产生附加推力。

航行器动力产生装置通过驱动主动螺旋桨对流体做功，将电能转化为动能。在主动螺旋桨运动过程中，周围的流体由于螺旋桨对其做功而产生了额外的速度，为系统运动提供前进所需的推力；尾流的能量并未全部转化为推进船舶前进的推力。尾流中存在轴向、周向与径向三个方向的水流速度，即主动螺旋桨尾部会形成旋转的水流；此时，被动螺旋桨的内径结构使之能够在航行器尾流周向方向的水流的作用力下转动，将尾流周向方向无用的能量转化；被动螺旋桨叶扇进一步对流体做功，进而产生系统前进需要的动力。

参见图3-图4为传统主动螺旋浆工作原理图，及传统主动螺旋桨桨后尾流的速度分析。

其中叶片部分为叶轮在某径向位置的叶型剖面，沿轴向方向以v1速度运动的水流遇到以线速度u1旋转的叶轮。当坐标系固定于旋转的叶轮上时，可以发现经过叶轮做功，水流的速度从w1加速到了w2。而实际上，当坐标系固定到地面时，从叶轮流出的水流的实际速度为v2。v2包括两部分，轴向速度和周向速度。其中轴向速度产生推力，周向速度不产生推力。

流经桨叶后的水流可看作一个做螺旋运动的质点。其中vx为轴向速度，vy为旋转切向速度，á为攻角，v2为合成速度。其中，使船获得推力的只有vx，vy是无用的。vy的存在，造成了很大的能量浪费。

参见图5所示本发明的推进装置的工作原理：

航行器以v1速度前进，在主动螺旋桨的作用下，质量为m1的水流进入内流道，经过主动螺旋桨后加速为轴向速度v2，周向速度w2；之后水流进入被动螺旋桨的内叶轮，经过能量提取后变为轴向速度v3、周向速度w3。提取功率后的被动螺旋桨带动外桨叶旋转，带动质量为m2速度为v1的水流加速到v4。

以下进行推进效率的分析：

(1)当只有主动螺旋桨工作时，为现有常规推进方式。

由动量定理知，推力为：

f1＝m1(v2-v1)(1)

水从螺旋桨获得的动能为：

其中r为水流周向旋转运动的等效半径，假设水流获得的周向旋转动能为pr。

推进效率定义为，推进功率与水获得的能量增量的比值，即：

可以发现，排出水流的轴向速度越大，推进器的推进效率越低。

(2)当有被动螺旋桨工作时，此时主流排出水流的轴向速度为v3，外流带动水流的轴向速度为v4，假设v3＝v4，必然存在v1<v3<v2。假设水流的周向旋流动能pr全部被被动螺旋桨内叶轮提取，则w3＝0。

由被动螺旋桨内、外叶轮的能量守恒可知：

其中，pr'表示流过外流道之后水流的周向旋转动能。

产生的推力为：

f1'＝m1(v3-v1) m2(v4-v1)＝(m1 m2)(v3-

(5)

水从螺旋桨获得的动能与(1)中的相同，也可表示为：

推进效率为：

由于v3<v2，可知带有被动螺旋桨的推进装置推进效率必然大于单独的主动螺旋桨。

节能效果示例计算：

根据以上理论分析，以下以具体参数对比分析单独的主动螺旋桨推进装置，以及本申请提出的主、被动双螺旋桨、内外双流道推进装置的推进效率。

计算前作如下合理假设：

(1)从主动螺旋桨流出的水流轴向速度v2＝2v1，被动螺旋桨内外流道流出的水流轴向速度相等，v3＝v4；

(2)根据叶型相关研究论文及相关计算，流过螺旋桨的尾流中周向旋转动能约占尾流总能量的25％，该数值适用于主动螺旋桨及被动螺旋桨的外廓叶轮，即：

(3)被动螺旋桨的内叶轮从主动螺旋桨尾流中提取了80％的周向旋流动能，外廓叶轮带动的水流工质流量与内流道流量相等，m1＝m2。

首先对普通螺旋桨推进装置进行分析：

然后对主、被动双螺旋桨、内外双流道推进装置进行分析：

由被动螺旋桨内、外叶轮的能量守恒可知：

v3＝v4≈1.62v1

此时，推进装置的推进效率为：

对比可知，通过合理设计被动螺旋桨结构，可以将推进装置的推进效率由50％提高到70.63％，推进效率提升20％左右。

为了进一步检验本申请方案的实际节能效果，在完成样机实物制作后，进行了实地对比实验。样机实物外形如图6所示。

在实验过程中，采用普通螺旋桨(无被动螺旋桨装置)与主、被动双螺旋桨结构对比的方式，在主动螺旋桨驱动电机相同的工作状态下，对比船体的前进速度，通过多组实验数据采集，绘制对比曲线。

实验结果如图7所示，相比普通螺旋桨，采用本设计方案的主、被动双螺旋桨结构使推进装置的推进效率提高了10％左右。同时可以发现，由于被动螺旋桨叶轮设计水平的局限性，还并没有充分发挥本设计方案的最大潜力。在后续方案研究中还需要对被动螺旋桨的叶轮叶型结构进行进一步改进优化设计。

综上，本申请主要通过两种途径来提高水下推进装置的能量利用率和推进效率：

(1)利用被动螺旋桨的内桨叶适当降低主流水流的轴向出口速度，利用被动螺旋桨的外桨叶增大流过整个推进装置的水流流量(或质量)，从而显著提高整个推进装置的推进效率；

(2)利用推进装置的被动螺旋桨内桨叶提取主流水流的周向旋转速度，并带动外桨叶做功，充分利用原来无法利用的能量，从而提高整个推进装置的能量利用率。

(3)根据对传统螺旋桨尾流流场的计算分析，尾流的周向旋转运动能量约占其总能量的25％～30％，这部分能量在传统螺旋桨中由于不产生有效推力而损失。此外，高速的喷流也会降低螺旋桨的推进效率。通过计算模拟，本申请的主、被动双螺旋桨、内外双流道设计，通过最大可能提取尾流的周向旋流能量、适当降低主流流速以及增大工质流量等设计，将显著提高整个推进装置的推进效率。通过实体测试，推进效率可以提高10％左右；若通过改进被动螺旋桨内外叶轮叶型、优化主、被动螺旋桨转速匹配关系，本设计的理论推进效率将提高20％左右。