螺旋桨空化和噪声的降低制造技术

一种螺旋桨、叶轮或混合器，其包括至少一个叶片，该叶片具有从叶片前缘延伸至叶片后缘的吸力表面和压力表面以及径向外侧的叶尖区域，其中提供了从压力表面穿过至少一个叶片延伸到吸力表面的五到一百个管道开口，该管道开口被分组在叶片的叶尖区域中。

Cavitation and noise reduction of propeller

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】螺旋桨空化和噪声的降低本专利技术涉及一种轴流转子，尤其涉及一种螺旋桨和叶轮。螺旋桨是一种通过将旋转运动转换为推力而传递动力的风机。其是用于推动艇、船和飞行器的设备的最常用形式，但是也能够在混合机和叶轮等设备中发现。螺旋桨也以鼓风机的形式存在以驱动空气。螺旋桨由围绕轮毂布置的多个叶片组成。叶片呈一定角度并具有一定的形状，以使当轮毂由连接至飞行器马达的驱动轴转动时，会使叶片通过流体(通常是水或空气)的路径旋转和“扭转”(screw)。叶片可以是翼型的。当螺旋桨旋转时，在叶片的前向表面和后向表面之间形成压力差，并且流体在叶片后面加速。向后侧面是高压侧面。该压力差推动了飞行器。螺旋桨旋转得越快，叶片低压侧的压力就越低。当叶片低压侧或叶尖的压力下降到水的蒸汽压以下导致形成气穴(vapourpocket)时，就会发生空化。当气穴在高压流体存在的情况下塌陷时，这可能会损坏叶片低压侧和叶尖的螺旋桨。塌陷可能是高能的，会产生腐蚀叶片材料的冲击波。可以产生每平方英寸30,000磅(2068巴)的局部压力。空化还会浪费动力，产生振动并导致磨损增加。它也是水下辐射噪声的主要来源。水下辐射噪声(underwaterradiatednoise,URN)现在已被认为是一个严重的环境污染问题，其中，鱼类和鲸鱼等海洋动物群可能会迷失方向，难以交流。正制定法律以强制降低船舶对海洋的噪声污染，并且提出了根据船舶的噪声性能改变船舶进入港口所收取的费用的提议。因此，需要找到减少URN的方法。由于螺旋桨产生的高速水在船体和船舵表面上引起空化，因此船体和船舵也可能发生空化损坏。在发动机内的管道内部和活塞气缸壁上也会发生空化损坏。迄今为止，对船或艇用螺旋桨的空化的唯一有效的补救措施是限制螺旋桨的速度或将其形状设计为不易发生空化。如果船或艇用螺旋桨能够以更高的速度运行而没有空化的风险，并且不必专门将它们的形状设计为减少空化，则它们的效率可能高得多。泵叶轮也是如此。下面将描述已经开发的其他方法。美国专利申请号07/454,316描述了一种通过在垂直于迎面而来的气流方向上并且相对于螺旋桨旋转轴线的横向位置上排放位于上游并邻近螺旋桨的气流，来用于减少空化腐蚀的装置。气流旨在防止导致空化的低压区域的形成。该装置的缺点在于，它需要单独的泵送系统来引入空气。挪威专利说明书第40419号描述了一种通过将空气流引入邻近螺旋桨管道的水流中来防止螺旋桨管道中的空化腐蚀的方法和装置。螺旋桨管道是一个螺旋桨可在其中旋转的圆柱形腔。其缺点是，它需要一个单独的泵送系统来引入空气，并且它仅对螺旋桨管道，而不对螺旋桨提供保护。S.D.Sharma等人在论文：“Cavitationnoisestudiesonmarinepropellers(对海洋螺旋桨的空化噪声研究)”，J.SoundandVibration(1990)，138(2)，第255-283页中，讨论了影响空化的因素和空化产生的噪声，包括对螺旋桨的噪声测量，该螺旋桨通过在每个叶片的叶尖区域中钻300个紧密且均匀间隔的0.3mm的孔以延迟叶尖涡流空化而改进。然而，这种改进对于制造来说是不切实际的，因此尚未推进。此外，这些实验是在均匀流动的条件下进行的(即，不在产生不均匀流动的船体后面)，因此有必要找到一种装置，其适合于螺旋桨在与Sharma论文中所用流动条件不同的流动条件下运行的现实世界条件。本专利技术是一种防止或减少螺旋桨或叶轮中的空化和空化噪声的装置。根据本专利技术，在船用螺旋桨中，螺旋桨叶片包含多个在叶片的高压侧和叶片的低压侧之间穿过的开口。低压侧的开口靠近或处于空化可能发生的区域，特别是叶尖区域，并且令人惊讶地发现，在叶尖区域(叶片的外半径)中设置比Sharma所使用的每个叶片上300个少的孔，即使在非均匀流动条件下，对于降低噪声有着显著的影响，而对效率的影响却很小。设置在其他位置的孔可能有助于降低噪声，但在降低效率方面会有更大的损害。应该理解的是，在以下说明书中，术语“管道”、“管道开口”和“孔”均指从叶片的一侧到另一侧的通道，并且可以互换地使用。还应当理解，在描述了螺旋桨的地方，其也可以应用于叶轮、管道风机和其他类型的轴流转子。管道也可以设置在叶尖上，使得它们在叶片边缘上在大体上径向于旋转轴线的方向打开，或者在叶片的高压或低压侧上接近叶尖打开。这些管道通常连接到叶片高压侧的开口，尽管它们也可以连接到叶片低压侧的管道。管道设计为将相对少量的高压流体引导到会发生空化的低压区域。该高压流体抵消了低压蒸汽泡的形成，因此减少或防止了空化。叶片高压侧上的管道开口与叶片低压侧上以及叶尖处的开口之间的压力差驱动流体通过管道。在管道连接到叶尖的情况下，也可以通过由来自作用于管道中流体上的螺旋桨的旋转的离心力引起的流体压力在叶片的叶尖与高压或低压侧之间产生的压力差，来驱动流体通过通道。叶片高压侧上的管道开口不必直接邻近低压侧上的开口，也不必靠近叶尖上的管道开口。不同的叶片设计将需要不同的布置，以便例如从高压表面上的最佳位置抽取高压流体。管道或孔不一定是沿其长度呈圆形的或均匀的。例如，它们可以是锥形的。在叶片厚度允许的情况下，它们也可以从高压侧倾斜地通向低压侧；这种倾斜也可能有益于螺旋桨的效率。任何形状的开口都是可能的。例如，孔可以是圆形、矩形、菱形、梯形或平行四边形的。孔的内部形状可以沿其长度变化。例如，其形状可以是锥形的。孔的内表面可以是锯齿状的。已经发现，对叶片进行穿孔可以减少或消除空化以及与空化有关的噪声高达17dB，重要的是不会实质性地影响叶片的效率。下述孔的布置可能会导致螺旋桨产生的空化体积、叶尖涡流的尺寸以及由此产生的URN的显著减少。令人惊讶和有益的是，已发现这些噪声的降低可能发生在10Hz至1KHz频率范围内，这被认为对海洋生物最有害。在模型螺旋桨直径为300mm的模型比例尺中，开口的直径可以为0.5到1mm。当模型按比例放大从而以全刻度(即全尺寸)螺旋桨使用时，孔的直径将更大。例如，直径为4m至5m的全刻度螺旋桨的开口的直径可以为10mm至50mm，优选为15mm至40mm，更优选为20mm。孔的大小可以作为螺旋桨的直径的函数进行选择。例如，螺旋桨的直径与孔的直径的比率可以是100-1000，并且优选地为200-600。这样就可以将孔按比例缩放到螺旋桨的任何尺寸，同时考虑到如下所述从模型螺旋桨获得的结果。孔可以在整个或部分叶片区域上均匀分布，并且可以全部尺寸相同。可替代地，可以利用孔的大小和形状的不同布置，例如，可以沿着叶片的边缘放置单个或多个较小的孔带，然后是较大的孔带，或较大和较小的孔的混合。这些孔的尺寸和距离被布置成针对特定的叶片设计来最大程度地减少空化和空化噪声。每种叶片的设计都会有不同的布置。重要的是，为了保持叶片的效率，叶片的高压侧和低压侧之间的压差需要保持在最佳状态，而只有充分降低压力才能降低空化和URN。由于孔起到了湍流器作用，可以在保持效率的同时，实现空化和URN的降低，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴流转子，包括至少一个叶片，所述叶片具有从叶片的前缘延伸至后缘的吸力表面和压力表面以及径向外侧的叶尖区域，其中设有从所述压力表面穿过所述至少一个叶片延伸到所述吸力表面的五至一百个管道开口，所述管道开口被分组在所述叶片的叶尖区域中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170511 GB 1707565.61.一种轴流转子，包括至少一个叶片，所述叶片具有从叶片的前缘延伸至后缘的吸力表面和压力表面以及径向外侧的叶尖区域，其中设有从所述压力表面穿过所述至少一个叶片延伸到所述吸力表面的五至一百个管道开口，所述管道开口被分组在所述叶片的叶尖区域中。


2.根据权利要求1所述的轴流转子，其中，每个叶片设置有五到一百个管道开口。


3.根据权利要求1或2所述的轴流转子，其中，所述管道开口被分组在所述叶片的径向外侧的三分之一中。


4.根据权利要求1、2或3所述的轴流转子，其中，所述管道开口被分组在所述叶片的径向外侧的四分之一中。


5.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，所述管道开口被分组在所述叶片的径向外侧的五分之一中。


6.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，所述管道开口被分组在所述叶片的径向外侧的十分之一中。


7.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，所述管道开口被分组在所述叶片的径向外侧的二十分之一中。


8.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，每个叶片具有十至五十个管道开口。


9.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，每个叶片具有十五至二十五个管道开口。


10.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，所述轴流转子的直径比与所述管道开口的直径的比率的比率为100-1000，优选地为200-600。


11.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，所述管道开口的直径为0.5至50mm，优选地为15mm-40mm，并且更优选地为20mm。


12.根据前述权利要求中任一项所述的轴流转子，其中，所述管道开口被分组为二至五个径向隔开、弦向延伸...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·泰勒，梅赫梅特·阿特拉，巴图汗·阿克塔斯，
申请(专利权)人：奥斯卡推进有限责任公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB