应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨

1.本发明涉及螺旋桨技术领域，尤其涉及一种应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨。


背景技术：

2.鱼类皮肤具有良好的水动力性能，可以帮助鱼类在水中快速的游动。现有的研究表明，如鲨鱼皮的表面就存在着广泛分布的盾形鳞片，该结构可以起到减摩抗摩、减震及抗黏附的效果，且已经应用于高性能泳衣、航空航天、医学等方面。航海领域内的研究目前较为集中于应用仿鲨鱼皮的减摩减阻的特性来减小船体航行阻力，但该方法制备成本过高且收益较小，无法大规模实际应用。现有利用仿鲨鱼皮表面加工处理固定螺距螺旋桨方法，并未遵循水动力学的原理：仿鲨鱼皮加工沟槽需平行于水流方向，才可展现出减摩减阻的特性，非平行的情况下会增大螺旋桨阻力。而多数螺旋桨在工作时有着多种转速与航速，来流的攻角是变化的，桨叶表面流线也是变化的，这就导致了经过仿鲨鱼皮结构表面加工的固定螺距螺旋桨减阻的效果微乎其微甚至可能是得不偿失的。
3.文献(wang,li,han,&hao,2022)及使用fluent软件进行水动力数值模拟得到的计算结果显示，桨叶表面流线在大部分区域平行；且在进速系数改变时，随着来流的攻角的改变，桨叶表面大多数流线产生了相同的角度变化，即流线与弦长线之间的夹角随着来流攻角呈现有规律的变化。在可变螺距螺旋桨上，不同航速下螺距的改变同样引起了水流攻角的改变，也造成了类似的现象。现有鲨鱼皮减阻技术所加工出的固定角度沟槽直接应用在螺旋桨上往往无法做到构造与水流平行，使其收效甚微甚至起到反作用。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨，在螺旋桨桨叶表面局部布置鲨鱼皮减阻沟槽，并借助机械结构的设计，实现在可调螺距螺旋桨改变螺距的同时改变桨叶表面减阻沟槽的排列角度，使得减阻沟槽得以在多种进速下大面积平行于来流，来发挥其减磨减阻的特性，使得螺旋桨工作的更为节能高效。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨，包括多个桨叶、多个仿生结构滑块、一桨毂、一固定支架、一桨叶旋转机构和一仿生结构滑块角度调节机构；所述固定支架与所述桨毂固定连接；所述桨叶可转动地连接于所述桨毂的外周；所述桨叶旋转机构连接于所述桨毂内并与所述桨叶传动连接；每一所述桨叶的表面设置有多个所述仿生结构滑块；所述仿生结构滑块的一端可转动地连接所述桨叶，所述仿生结构滑块的中部通过所述仿生结构滑块角度调节机构连接所述固定支架。
6.优选地，所述仿生结构滑块表面形成若干鱼皮仿生结构沟槽。
7.优选地，所述桨叶旋转机构包括多个叶底螺旋齿轮和一毂内螺旋齿轮；每一所述桨叶邻近所述桨毂的一端连接有所述叶底螺旋齿轮；所述毂内螺旋齿轮设置于所述桨毂内并与各所述叶底螺旋齿轮啮合。
8.优选地，所述固定支架包括一桨毂固定支架和多个叶内螺纹杆；所述桨毂固定支架固定于所述桨毂内；每一所述桨叶内穿设有一所述叶内螺纹杆；所述叶内螺纹杆与所述桨毂固定支架焊接固定。
9.优选地，所述仿生结构滑块角度调节机构包括多个螺纹槽和多个球柱滑动控制栓；每一所述叶内螺纹杆形成并列的多个所述螺纹槽；所述球柱滑动控制栓包括一连接杆和形成于所述连接杆的第一端的圆球，所述圆球可沿所述螺纹槽滑动地设置于对应所述螺纹槽内且所述螺纹槽对所述圆球限位；所述仿生结构滑块的内侧面连接对应所述连接杆的第二端。
10.优选地，所述仿生结构滑块表面的所述鱼皮仿生结构沟槽始终平行于所述桨叶的表面流线。
11.本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果：
12.1、仿生结构滑块表面形成若干鱼皮仿生结构沟槽，相比于光滑处理的螺旋桨表面，可有效提高螺旋桨的水动力性能，减小运行时的阻力，增强桨表面减摩抗摩擦及抗黏附的能力。
13.2、螺旋桨工作的整个过程中，不同工况下多种水速与转速，对螺旋桨提出了多种水动力的要求。相比已有的仿鲨鱼皮表面处理桨，只有固定的沟槽角度，无法适应螺旋桨复杂的水动力环境。本方案通过桨叶旋转机构和仿生结构滑块角度调节机构的配合，可调整出多种对应的螺距与仿生结构滑块的角度，对应着事先计算好的多种工作航速及状态，并确保在各种不同的工作状态下，螺旋桨具有最佳的水动力性能，故本方案螺旋桨设计具有较好的经济性和适用性。
14.3、采用仿生结构滑块的鱼鳞仿生结构起到的抗磨抗震及抗黏附的效果比起传统螺旋桨，可以更好的抵抗海水腐蚀、空泡腐蚀、振动噪声以及生物污染，有效延长螺旋桨的使用寿命。
附图说明
15.图1为本发明实施例的应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨的正视剖面图；
16.图2为本发明实施例的应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨的侧视剖面图；
17.图3为本发明实施例的应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨的俯视剖面图；
18.图4和图5为本发明实施例设计工况时的螺旋桨工作状态图；
19.图6和图7为本发明实施螺距增大时的螺旋桨工作状态图；
20.图8和图9为本发明实施螺距减小时的螺旋桨工作状态图。
具体实施方式
21.下面根据附图图1～图9，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
22.请参阅图1～图9，本发明实施例的一种应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨，包括多个桨叶1、多个仿生结构滑块4、一桨毂7、一固定支架6、一桨叶旋转机构和一仿生结构滑块角度调节机构；固定支架6与桨毂7固定连接；桨叶1可转动地连接于桨毂7的外周；桨叶旋转机构连接于桨毂7内并与桨叶1传动连接；每一桨叶1的表面设置有多个仿生结构滑块
4；仿生结构滑块4的一端通过固定铆钉2可转动地连接桨叶1，仿生结构滑块4的中部通过仿生结构滑块角度调节机构连接固定支架6。
23.本实施例中，仿生结构滑块4表面形成若干鱼皮仿生结构沟槽。
24.桨叶旋转机构包括多个叶底螺旋齿轮8和一毂内螺旋齿轮9；每一桨叶1邻近桨毂7的一端连接有叶底螺旋齿轮8；毂内螺旋齿轮9设置于桨毂7内并与各叶底螺旋齿轮8啮合。
25.固定支架6包括一桨毂固定支架和多个叶内螺纹杆；桨毂固定支架固定于桨毂7内；每一桨叶1内穿设有一叶内螺纹杆；叶内螺纹杆与桨毂固定支架焊接固定。
26.仿生结构滑块角度调节机构包括多个螺纹槽5和多个球柱滑动控制栓3；每一叶内螺纹杆形成并列的多个螺纹槽5；球柱滑动控制栓3包括一连接杆和形成于连接杆的第一端的圆球，圆球可沿螺纹槽5滑动地设置于对应螺纹槽5内且螺纹槽5对圆球限位；仿生结构滑块4的内侧面连接对应连接杆的第二端。
27.本发明实施例的一种应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨，以机械结构间的配合改变桨叶1表面仿生结构滑块4的角度，使之与流线平行，以发挥仿生沟槽减磨减阻的特性。
28.桨叶1设计成中空的形式，以在其中放置球柱滑动控制栓3和叶内螺纹杆。
29.通过结构设计，实现仅通过毂内螺旋齿轮9的旋转即可同时改变桨叶1的螺距和仿生结构滑块4的设置角度。
30.在螺旋桨水动力方面，实现了仿生结构滑块4表面的鱼皮仿生结构沟槽始终平行于桨叶1表面流线。以此保证了仿生结构可以始终实现减摩减阻的水动力特性，实现设计目标。
31.本发明实施例的一种应用鱼鳞仿生结构的可调螺距螺旋桨，其工作原理如下：
32.当螺旋桨工作时，通过毂内螺旋齿轮9的旋转，一方面可以调整桨叶1的螺距以保证最佳的螺旋桨水动力性能，另一方面同时调整仿生结构滑块4角度，使其与水流来流方向平行，降低螺旋桨的摩擦阻力，减少腐蚀，降低噪音。
33.当收到变换螺距的命令时，毂内螺旋齿轮9旋转带动叶底螺旋齿轮8转动，使得桨叶1转动来改变螺旋桨螺距。于此同时由于固定支架6是固定于桨毂7内的，在桨叶1转动的时候保持固定，而球柱滑动控制栓3、仿生结构滑块4跟随桨叶1转动，两部分结构发生相对转动，球柱滑动控制栓3在螺纹槽5中滑动，产生水平位移，带动仿生结构滑块4角度变化。仿生结构滑块4的变动角度范围可以通过调整螺纹槽5的斜率来调整。以上过程实现了螺旋桨在不同工况下可以调整最佳的螺距和仿生沟槽的角度，以实现高效节能的设计目标。
34.螺旋桨螺距变化时，仿生鱼鳞跟随工作状态变化，可参阅图4～图9，图中箭头方向为水流来流方向。
35.以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。