管道式预旋定子组件 技术领域 本发明主要涉及管道式预旋定子组件，更具体地涉及一种管道式预旋定子组 件，其中预旋定子和管道设置成能够实现它们之间的最优联接，从而提高船舶螺旋桨的 推进性能。
背景技术 预旋定子通常设置于螺旋桨前面的船舶的尾轴毂上。 预旋定子具有围绕尾轴毂 设置并沿径向方向延伸预定长度的多个叶片。 预旋定子改变螺旋桨前面的流体流向螺旋 桨的流入角度，从而提高螺旋桨的推进效率。 换言之，预旋定子是用于对相对于旋转方 向的能量损失进行弥补的装置。
但是传统的预旋定子可能引发可归因于气穴的对叶片的损坏或是由于在叶片外 端部上产生的梢涡空化所引起的对螺旋桨的损坏。 此外，由预旋定子引起的螺旋桨上 的逆流的增加降低了螺旋桨的转速。 因此，考虑到这些问题，必须对螺旋桨进行重新设 计。 所以，在现有船舶上应用预旋定子存有很多限制。
同时，与预旋定子的叶片的外端部相联接的圆筒形管道设置成围绕预旋定子。 所述管道作用为在通过螺旋桨的操作产生吸力的时候对螺旋桨前面的流体进行加速，从 而在船舶行进方向上在管道本身内产生附加推力。 这样，所述管道对螺旋桨前面流体 的流动进行加速和矫正，从而提高螺旋桨的推进性能，并降低推进器引发的船体压力波 动。 但是，在圆筒形管道的尺寸很大的情况下，可能存在结构损坏的问题，并且很难保 证结构的稳定性
在传统的技术中提出了多种预旋定子和管道相结合的结构。 但是尚未开发出能 够实现预旋定子与管道之间的最优联接并因此使推进效率最大化且保证管道结构稳定性 的技术。
发明内容
相应地，本发明已经在考虑现有技术中出现的上述问题的情况下完成，并且本 发明的目的是提供一种管道式预旋定子组件，其中，改变流体进入螺旋桨的流入角度从 而提高推进性能的预旋定子以及对被吸入螺旋桨中的流体的流动进行加速和矫正从而进 一步提高推进性能的管道被构造成和设置成使得实现它们之间的最优联接，从而使螺旋 桨的推进性能最佳。
本发明的另一目的是提供一种管道式预旋定子组件，所述管道式预旋定子组件 实现预旋定子与管道之间的最优设置，从而减少可归因于在螺旋桨中所产生的气穴的损 坏、使得由气穴产生的船舶振动最小化、并可靠地保证将管道支撑于船舶的船体上的结 构强度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种管道式预旋定子组件，其包括 ：设置在 船体的尾轴毂上的预旋定子，所述预旋定子具有基于螺旋桨中心轴线在径向方向上延伸的至少一个叶片 ；与预旋定子的叶片的外端部联接的圆筒形管道 ；以及将管道紧固于船 体的支撑件。 管道的中心轴线相对于从船尾侧指向船首侧的方向从螺旋桨的中心轴线向 上且向右偏离。
优选地，管道的中心轴线与螺旋桨的中心轴线的偏心距可以相对于螺旋桨 的 直 径 Dp 设 定 成 使 得 向 上 偏 心 距 (Hc) 满 足 0 ＜ Hc ＜ 0.3Dp 且 向 右 偏 心 距 (Bc) 满 足 0 ＜ Bc ＜ 0.2Dp。 此外，相对于螺旋桨的直径 (Dp)，管道的内径 (Dd) 可以满足 0.5Dp≤Dd≤1.0Dp。
所述管道可以具有 ：位于管道前缘的内表面上的倾斜弯曲部，所述倾斜弯曲部 以在从 20°到 30°的范围内变化的倾斜角度倾斜 ；位于管道后缘的内表面上的倾斜线性 部，所述倾斜线性部以在从 2°到 6°的范围内变化的倾斜角度倾斜 ；以及形成于倾斜弯 曲部和倾斜线性部之间的水平线性部，所述水平线性部与预旋定子的叶片的外端部相连 接。 倾斜弯曲部和倾斜线性部中每一个的倾斜角度可以相对于沿平行于水平线性部的方 向从水平线性部延伸的直线来设定。
另外，倾斜弯曲部、水平线性部以及倾斜线性部的长度可以分别是管道的弦长 的 0.4 倍、0.2 倍和 0.4 倍。 管道后缘的端部与螺旋桨的叶片的中心线之间的在船体纵向 方向上的距离可以相对于螺旋桨的直径 Dp 设定成使得满足 0.1Dp ＜ H ＜ 0.3Dp。 支撑件可以包括 ：将管道的外表面与船体的下部相连接的上支撑构件 ；以及将 管道的内表面与尾轴毂的下部相连接的下支撑构件，
预旋定子的叶片可以包括多个叶片，所述多个叶片设置成使得基于螺旋桨的中 心轴线，两个叶片设置在左舷侧且一个叶片设置在右舷侧、或者两个叶片设置在左舷侧 且两个叶片设置在右舷侧。 预旋定子的左舷侧 / 右舷侧叶片中的至少一对叶片可以与螺 旋桨的中心轴线平齐，并且预旋定子的余下的一个或多个叶片可相对于螺旋桨的中心轴 线向上倾斜。
附图说明 通过下面结合附图的详细描述能够更加清楚地理解本发明的上述和其它的目 的、特征和优点，其中 ：
图 1 是示出了根据本发明的实施方式的管道式预旋定子组件的安装的立体图 ；
图 2A 和图 2B 分别是示出了根据本发明的管道式预旋定子组件的安装的侧视图 以及示出了预旋定子、管道以及船体之间的联接的管道的局部断开视图 ；
图 3 和图 4 是示出了图 1 和图 2 所示的预旋定子和管道之间的设置在从船尾侧朝 向船首侧的方向上的前视图 ；
图 5 是示出了管道的中心轴线相对螺旋桨的中心轴线的偏心率的视图 ；
图 6 是示出了与偏离螺旋桨的中心轴线的管道的设置相对应的预旋定子的叶片 的长度的视图 ；
图 7 是示出了根据本发明的管道的截面的视图 ；
图 8 是对在仅安装预旋定子的情况下以及在既安装了预旋定子又安装了管道的 情况下的逆流分布进行比较的曲线图 ；
图 9 具有以比较的方式示出在仅安装预旋定子情况下以及在既安装了预旋定子
又安装了管道的情况下所形成产生的气穴的体积的曲线图 ；
图 10 是以比较的方式示出了在预旋定子和管道均没有安装的情况下、仅安装预 旋定子的情况下以及既安装了预旋定子又安装了管道的情况下的推力和波动压力的增加 的柱形图 ；
图 11 是对当管道的中心轴线从螺旋桨的中心轴线向上偏心移位时的逆流分布与 在管道的中心轴线对准螺旋桨的中心轴线的情况下的逆流分布进行比较的曲线图 ；
图 12 是对在管道的中心轴线从螺旋桨的中心轴线向右且向上偏心移位的情况下 的逆流分布与在管道的中心轴线仅从螺旋桨的中心轴线向上偏心移位的情况下的逆流分 布进行比较的曲线图 ；
图 13 是以比较的方式示出了取决于传统技术和本发明的管道截面轮廓的流速变 化分布的图 ；和
图 14 是以比较的方式示出了取决于管道的后缘与螺旋桨的轴线之间距离的流体 流动矫正作用的曲线图。 具体实施方式
在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的优选实施方式的管道式预旋定 子组件。
如图中所示，尾轴毂 10 设置在船体的尾部。 螺旋桨 12 以可旋转地方式设置于 尾轴毂 10 上使得螺旋桨 12 可以通过从发动机提供的驱动力转动。 预旋定子 14 设置于尾 轴毂 10 上且位于螺旋桨 12 前面，并且基于螺旋桨 12 的中心轴线 X 径向地延伸。 联接于 预旋定子 14 的外端部的圆筒形管道 16 围绕预旋定子 14 设置。
优选地，预旋定子 14 包括相对于螺旋桨 12 的中心轴线 X 径向延伸的至少一个 或更多个叶片。 预旋定子 14 的叶片能够以各种不同的方式设置。 例如，基于螺旋桨 12 的中心轴线 X，叶片可以设置成使得两个叶片设置在左舷侧且一个叶片设置在右舷侧， 或者两个叶片设置在左舷侧且两个叶片设置在右舷侧。 如图 3 和图 4 所示，在该实施方 式中，在预旋定子 14 的左舷侧 / 右舷侧叶片中，至少一对叶片与螺旋桨 12 的中心轴线 X 平齐，并且预旋定子 14 的其余叶片相对于包括螺旋桨 12 的中心轴线 X 在内的水平面成大 约 45°的角度向上倾斜。
管道 16 通过支撑件 18 紧固于船体。 如图 2 到图 4 所示，支撑件 18 包括上支撑 构件 18a 和下支撑构件 18b，上支撑构件 18a 将管道 16 的外表面连接至船体的下部，下支 撑构件 18b 将管道 16 的内表面连接至尾轴毂 10 的下部。
图 5 示出了管道 16 的中心轴线 Y 相对螺旋桨 12 的中心轴线 X 的偏心率。 在螺 旋桨 12 是常规的顺时针旋转类型的情况下，管道 16 的中心轴线 Y 相对于从船尾侧指向船 首侧的方向向上且向右偏离螺旋桨 12 的中心轴线 X。 管道 16 的中心轴线 Y 相对螺旋桨 12 的中心轴线 X 的偏心距设定成使得满足 0 ＜ Hc ＜ 0.3Dp 且 0 ＜ Bc ＜ 0.2Dp。 这里， Dp 表示螺旋桨 12 的直径。 Hc 表示管道 16 的中心轴线 Y 向上偏离螺旋桨 12 的中心轴线 X 的向上偏心距。 另外，Bc 表示管道 16 的中心轴线 Y 向右偏离螺旋桨 12 的中心轴线 X 的向右偏心距。
此外，取决于管道 16 的中心轴线 Y 相对螺旋桨 12 的中心轴线 X 的偏心率，确定了预旋定子 14 的叶片长度。 在基于螺旋桨 12 的中心轴线 X 在左舷侧和右舷侧 各自设置两个叶片的情况下，如图 6 所示，预旋定子 14 的叶片的长度设定成使得满足 3Dp≤D1≤0.7Dp、0.6Dp≤D2≤1.0Dp 以及 0.5Dp≤D3≤1.2Dp。 这里， D1、 D2 和 D3 分别表 示预旋定子 14 的叶片的长度。 当预旋定子 14 的叶片从尾轴毂 10 的周向外表面沿基于螺 旋桨 12 的中心轴线 X 的径向方向延伸使得这些叶片的长度满足上述条件时，两个叶片定 向为与螺旋桨 12 的中心轴线 X 平齐，并且余下的两个叶片相对于包括螺旋桨 12 的中心轴 线 X 的水平面向上倾斜。 另外，管道 16 的内径 Dd 相对于螺旋桨 12 的直径 Dp 设定成使 得满足不等式 0.5Dp≤Dd≤1.0Dp。
图 7 示出了管道 16 的截面。 管道 16 具有中空结构，该中空结构是以如下方式 制造的 ：在管道 16 的前缘和后缘中分别设置杆 16a，并且以杆 16a 为基础将板在内侧和外 侧彼此附接。 因此，使用杆 16a 能够将形成管道 16 的板更加容易的彼此附接。
在这种情况下，管道 16 的内表面按照从前缘到后缘的位置顺序包括彼此成一体 的倾斜弯曲部 16b、水平线性部 16c 和倾斜线性部 16d。 水平线性部 16c 连接于预旋定子 14 的叶片的外端部。 这里，因为水平线性部 16c 平行于螺旋桨 12 的中心轴线 X，所以能 够促进管道 16 和预旋定子 14 的联接。 此外，倾斜弯曲部 16b 的水平长度 L1、水平线性部 16c 的水平长度 L2 以及倾斜 线性部 16d 的水平长度 L3( 在水平线性部的延长线上 ) 分别为管道 16 的弦长的 0.4 倍、 0.2 倍和 0.4 倍。
这里，相对于水平线性部 16c 的延长线，由管道 16 前缘的内表面上的倾斜弯曲 部 16b 限定的倾角 α 设定成使得该倾角 α 在从 20°到 30°的范围内变化，而由管道 16 后缘的内表面上的倾斜线性部 16d 限定的倾角 β 设定成使得该倾角 β 在从 2°到 6°的 范围内变化。
因此，由于管道 16 前缘上的倾斜弯曲部 16b 的倾角 α，倾斜弯曲部 16b 可以平 稳地引导流体进入管道 16 并因此降低围绕管道 16 的入口的流体压力，从而增加流体的流 速。 另外，由于倾斜线性部 16d 的倾角 β，倾斜线性部 16d 引导流体使得流体能够在其 围绕管道 16 出口的流速增大后流入螺旋桨 12。 因此，管道 16 能够作用为对流体的流动 进行加速和矫正，从而减小推进器引发的船体压力波动。
同时，如图 2A 所示，管道 16 后缘的端部和螺旋桨 12 的叶片的中心线之间的距 离 H 设定成使得能够保证管道 16 与螺旋桨 12 之间的能够防止管道 16 与螺旋桨 12 的叶片 相干涉的最小间隙并且距离 H 不大于螺旋桨 12 的直径 Dp 的 0.3 倍。 优选地，距离 H 的 最小值大于或等于螺旋桨 12 的直径 Dp 的 0.1 倍。 此外，距离 H 的最大值小于或等于螺 旋桨 12 的直径 Dp 的 0.3 倍。 设定距离 H 的最大值的原因是防止流体的流动加速并且防 止管道 16 的矫正效果变差。
在下文中，将解释根据本发明的管道式预旋定子组件的操作和效果。
如上所述，具有叶片的预旋定子 14 设置于尾轴毂 10 的周向外表面上，所述尾轴 毂 10 设置在船体的尾部侧。 管道 16 安装成使得其中心轴线 Y 设置在从螺旋桨 12 的中心 轴线 X 向上且向右偏离的位置处并且预旋定子 14 的叶片的外端部联接于管道 16 的内表 面。 此外，管道 16 通过支撑件 18 可靠地紧固于船体和尾轴毂 10。 管道 16 改变流体从 预旋定子 14 被吸入螺旋桨 12 的流入角度，由此减小流体的动能的损失，并增大流体的轴
向动能，从而显著地提高螺旋桨 12 的推进性能。
这里，管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上且向右偏离的构造理 由是气穴主要在从船尾侧指向船首侧的方向上出现在螺旋桨 12 上且处于基于螺旋桨 12 的 中心轴线 X 的 11 点钟到 3 点钟的区间内。 换言之，由于根据本发明的管道 16 的偏心结 构，能够在螺旋桨 12 的上述 11 点钟到 3 点钟的区间内增大流体的流速，从而减小气穴。
通过图 8 的图表能够更加清楚地理解该事实，图 8 对在只有预旋定子 14 设置于 尾轴毂 10 上的情况下以及在既安装了预旋定子 14 又安装了向上且向右偏心的管道 16 的 情况下的逆流的分布进行比较。 这里，管道 16 的中心轴线 Y 相对于螺旋桨 12 的中心轴 线 X 的向上偏心距 Hc 和向右偏心距 Bc 是以上述方式设定的。
详细地，图 8 示出了仅设置预旋定子 14 的情况 ( 浅色细线表示 ) 以及既安装了 预旋定子 14 又安装了向上且向右偏心的管道 16 的情况 ( 深色粗线表示 )。 参考图 8，关 于螺旋桨 12 的处于叶片半径的 50％部分以及 70％部分中的轴向逆流的速度分布 Vx，可 以解释为，相比于仅设置预旋定子 14 的情况，在既具有预旋定子 14 又具有向上且向右偏 心的管道 16 的结构的情况下，进入螺旋桨 12 的轴向速度增加了 15％。
此外，如图 9 所示，当对在仅安装预旋定子 14 的情况下形成的气穴的体积以及 在既安装了预旋定子 14 又安装了管道 16 的情况下形成的气穴的体积进行比较的时候，在 管道式预旋定子的情况下，所形成的气穴的体积减小了 60％，这是因为管道 16 围绕预旋 定子 14 的叶片的外端部并因此执行了流体流动的加速和矫正功能。 在此，由于管道 16 通过支撑件 18 牢固地紧固于船体和尾轴毂 10，因此能够进一步提高管道 16 的结构稳定 性。 因而，推进器引发的船体压力波动能够被减少到 50％。 因此，本发明能够显著 地减少因为气穴产生而传递至船体的船体压力波动，从而提高船体的振动性能。 此外， 这可以由图 10 的图表更加清楚地解释，图 10 以比较的方式示出了在预旋定子 14 和管道 16 均没有安装的情况下、仅安装预旋定子 14 的情况下以及既安装了预旋定子 14 又安装了 管道 16 的情况下对推力和波动压力的影响。 就是说，预旋定子 14 的关于旋转方向的能 量损失的恢复、以及管道的附加推力生成效果和管道的流入流加速效果增大了螺旋桨 12 的推力。 另外，管道 16 用作为减少螺旋桨 12 中的波动压力。
此外，图 11 和图 12 对在管道 16 的中心轴线 Y 仅从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向 上偏离的情况下以及在管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上且向右偏离 的情况下的螺旋桨 12 中的轴向逆流的速度分布 Vx 进行了比较。
详细地，在沿基于离开船体的船尾侧所指示的方向的顺时针方向旋转的常规螺 旋桨 12 的情况下，气穴主要产生于螺旋桨 12 的整个旋转区域的介于 -10°与 50°之间的 区间内，也就是说，产生于在从船尾侧指向船首侧的方向上基于螺旋桨 12 的中心轴线 X 的 11 点钟到 3 点钟的区间内。 因此，为了在该区间内增大被吸入螺旋桨 12 中的流体的轴 向速度，管道 16 的中心轴线 Y 设定成使其从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上且向右偏离。
因此，被吸入螺旋桨 12 中的流体的轴向速度能够在螺旋桨 12 的整个旋转区域的 介于 -10°与 50°之间的区间内增大，从而减少气穴的产生。 因而，能够显著地降低由 于螺旋桨 12 内产生的气穴而施加于船体的波动压力。
换言之，以使得管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上且向右偏
心移位的方式来改善被吸入螺旋桨 12 中的流体的速度分布的效果可以通过对图 11 和图 12 所示情况下的螺旋桨 12 的轴向逆流的速度分布 Vx 而认识到，在图 11 所示情况下，管道 16 的中心轴线 Y 仅从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上偏心移位，在图 12 所示情况下，管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上且向右偏心移位。
首先，图 11 是对在管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上偏心移 位的情况下的轴向逆流的速度分布 Vx 与中心轴线 Y 与中心轴线 X 对准的情况下的轴向逆 流的速度分布 Vx 进行比较的图表。 清楚的是，相比于对准轴线结构的情况，在向上偏心 的轴线结构的情况下，流体的轴向速度在与螺旋桨 12 的整个旋转区域的 0°相对应的区 间的附近增大。 另一方面，清楚的是，相比于对准轴线结构的情况，在向上偏心的轴线 结构的情况下，流体的轴向速度在与螺旋桨 12 的整个旋转区域的 50°相对应的区间的附 近减小。
图 12 是对在管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向右且向上偏心移 位的情况下的轴向逆流的速度分布 Vx 与和中心轴线 Y 仅从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上 偏心移位的情况下的轴向逆流的速度分布 Vx 进行比较的图表。 可以理解的是，相比于向 上偏心的轴线结构的情况，在向上且向右偏心的轴线结构的情况下，流体的轴向速度在 与螺旋桨 12 的整个旋转区域的 50°相对应的区间的附近增大。 总之，能够认识到的是，相比于中心轴线 Y 对准中心轴线 X 或者中心轴线 Y 仅 从中心轴线 X 向上偏心移位的情况下的被吸入螺旋桨 12 中的流体的轴向速度，在本发明 的管道 16 的中心轴线 Y 从螺旋桨 12 的中心轴线 X 向上且向右偏心移位的情况下，被吸 入螺旋桨 12 中的流体的轴向速度增大。 这样，被吸入螺旋桨 12 中的流体的轴向速度的 增大减少了气穴的产生并减轻了施加于船体的波动压力。 特别地，在本发明中，被吸入 螺旋桨 12 中的流体的轴向速度的增大集中在螺旋桨 12 的整个旋转区域中的主要产生气穴 的区间，从而使本发明的上述效果最大化。
此外，参考示出管道 16 的截面的图 7，以倾角 α 形成于管道 16 的前缘的倾斜 弯曲部 16b 能够引导流体平稳地流入管道 16 中，从而促进流体流速的增大。 这可以通过 图 13 中的对本发明与传统技术之间的流体流速的变化进行比较的视图来进行解释。 详细 地，如形成于管道附近的流体流速变化的分布图所示，相比于传统技术，本发明的管道 16 使流体的流速增大 5％。 流体流速的增大表现为管道 16 的流体流动的加速和矫正效 果，因此限制了螺旋桨 12 内气穴的产生，从而减轻推进器引发的船体压力波动。
另外，参考图 14，图 14 示出了取决于管道 16 的后缘的端部与螺旋桨的中心轴线 X 之间的距离 H 的矫正效果，可以认识到，当距离 H 小于螺旋桨 12 的直径 Dp 的 0.3 倍 时矫正效果得以最大化。 详细地，当距离 H 大于或等于螺旋桨 12 的直径 Dp 的 0.3 倍的 时候，相比于 0.2 倍的情况，速度分布 Vx 迅速减小。 这证实了推进性能以及减小波动压 力的效果的恶化。 因此，在本发明中，管道 16 的后缘的端部与螺旋桨 12 的中心轴线 X 之间的距离 H 设定在介于一最小距离与一最大距离之间的范围，在所述最小距离处不发 生螺旋桨 12 与管道 16 之间的干涉，在所述最大距离处不引起流速的降低。
如上所述，在根据本发明的管道式预旋定子组件中，预旋定子设置在船舶的螺 旋桨前面，以而在船舶运动时改变流体被吸入螺旋桨中的角度，由此提高推进性能。 管 道设置在螺旋桨前面以对被吸入螺旋桨中的流体的流动进行加速和矫正，使得能够进一
步提高推进性能。 为了实现管道与预旋定子之间的最优联接，管道联接于预旋定子使得 管道的中心轴线从螺旋桨的中心轴线偏离。 因此能够尽最大可能提高螺旋桨的推进性 能。
此外，由于实现了预旋定子与管道之间的最优设置，所以本发明能够减小在螺 旋桨中产生的气穴的体积，因此减轻施加于船舶的船体上的螺旋桨波动压力，从而使船 舶的振动最小化。
尽管已出于说明的目的公开了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员将理 解，在不偏离所附权利要求所公开的本发明的范围和精神的情况下，各种修改、增加以 及替代都是可能的。