СУДОВОЙ ГРЕБНОЙ ВИНТ
SHIP'S PROPELLER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение, в общем, относится к области судовых гребных винтов и их шума.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В технике хорошо известен гребной винт, представляющий собой тип вентилятора, который передает мощность путем преобразования вращательного движения в тягу. Между передней и задней поверхностями лопасти в форме аэродинамического профиля создается разница давлений, и текучая среда (например, воздух или вода) ускоряется позади лопасти. Большинство судовых гребных винтов представляют собой гребные винты с фиксированными спиральными лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной (или почти горизонтальной) оси или вала гребного винта.
Шум гребного винта состоит из дискретных частот (тональных частот), наложенных на широкополосный спектр. Шум гребного винта возникает из-за сложного взаимодействия гребного винта с текучей средой. Шум гребного винта изучали разные исследователи, но подходы к прогнозированию варьируются от сложных аналитических формулировок до эмпирических оценок. Несмотря на то, что вычислительные методы предсказывают шум при заданной геометрии, для каждого изменения параметров конструкции, таких как количество лопастей и шаг лопастей, необходимо повторять весь процесс моделирования и решения. Шум, излучаемый гребным винтом под водой, имеет решающее значение, а снижение шума гребного винта необходимо для усовершенствования технологии малозаметности.
Вследствие этого, в данной области техники существует потребность в подходе к прогнозированию шума гребного винта и гребного винта для решения вышеупомянутых ограничений.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы оптимизировать параметры конструкции гребного винта (в особенности, угол наклона и количество лопастей гребного винта) для снижения уровня шума.
Другой целью настоящего изобретения является разработка модели нечеткой логики для прогнозирования шума гребного винта для нескольких возможных совокупностей влияющих параметров.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним из аспектов настоящего изобретения является решение вышеупомянутых проблем и/или недостатков и обеспечение по меньшей мере преимуществ, описанных ниже.
Соответственно, в одном аспекте настоящее изобретение относится к гребному винту, содержащему: ступицу, имеющую центральную ось, одну или несколько лопастей, имеющих длину лопасти с проксимальным концом, прикрепленным к ступице, и дистальным концом, протяженным радиально наружу от ступицы, при этом гребной винт имеет диаметр от 360 до 400 мм, в котором совокупность диаметра, угла наклона, угла перекоса, количества лопастей гребного винта обеспечивает необходимую тягу и создает низкий уровень шума. Другие аспекты, преимущества и характерные признаки изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники из следующего подробного описания, которое вместе с прилагаемыми чертежами раскрывает примеры вариантов осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые и другие аспекты, признаки и преимущества некоторых примеров вариантов осуществления настоящего изобретения станут более очевидными из следующего описания, взятого в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 показывает твердотельную модель гребного винта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 2 показывает гребной винт в разрезе согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 3 показывает радиус, толщину, перекос и угол наклона гребного винта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 4 показывает гребной винт, испытываемый в кавитационной трубе, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения,
фиг. 5 показывает твердотельную модель малошумного гребного винта (6 лопастей, угол наклона +5 градусов) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 6 показывает график основных эффектов для средних значений в методе Тагучи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 7 показывает график оптимизатора отклика для методологии поверхности отклика согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 8 показывает твердотельная модель 6-лопастного гребного винта диаметром 365 мм (оптимизированный гребной винт) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 9 показывает интерполированные данные в системе нечеткой логики согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
фиг. 10 показывает экстраполированные данные в системе нечеткой логики согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Специалистам в данной области техники понятно, что элементы на фигурах проиллюстрированы для простоты и ясности и, возможно, не выполнены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на Фигуре могут быть преувеличены по сравнению с другими элементами, чтобы способствовать лучшему пониманию разных примерных вариантов осуществления настоящего раскрытия.
На всех чертежах следует отметить, что одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одних и тех же или подобных элементов, признаков и конструкций.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее описание со ссылкой на прилагаемые графики/чертежи приведено для помощи в полном понимании иллюстративных вариантов осуществления изобретения, определенных пунктами формулы изобретения и их эквивалентами. Оно включает в себя разные конкретные детали, чтобы помочь в этом понимании, но их следует рассматривать только как пример. Соответственно, специалистам в данной области техники будет понятно, что разные изменения и модификации описанных здесь вариантов осуществления могут быть сделаны без отклонения от объема и сущности изобретения. Кроме того, описания известных функций и конструкций опущены для ясности и краткости.
Термины и слова, используемые в нижеследующем описании и формуле изобретения, не ограничиваются библиографическими сведениями, а используются изобретателем только для обеспечения ясного и последовательного понимания изобретения. Соответственно, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что последующее описание иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения приведено только в целях иллюстрации, а не в целях ограничения изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.
Необходимо понимать, что формы единственного числа “a”, “an” и “the” включают референты во множественном числе, если контекст явно не диктует иное. Таким образом, например, ссылка на “поверхность компонента” включает в себя ссылку на одну или несколько таких поверхностей.
Под термином “по существу” подразумевается, что указанная характеристика, параметр или значение не обязательно должны быть достигнуты точно, но что отклонения или вариации, включая, например, допуски, погрешность измерения, ограничения точности измерения и другие факторы, известные специалистам в данной области техники может встречаться в количествах, которые не исключают эффекта, который должна была обеспечить данная характеристика.
Фигуры, обсуждаемые ниже, и разные варианты осуществления, используемые для описания принципов настоящего раскрытия изобретения в этом патентном документе, приведены только в качестве иллюстрации и не должны толковаться каким-либо образом, ограничивающим объем раскрытия. Специалистам в данной области техники будет понятно, что принципы настоящего раскрытия изобретения могут быть реализованы в любой соответствующим образом организованной системе. Термины, используемые для описания разных вариантов осуществления, являются типичными. Необходимо понимать, что они предоставлены только для облегчения понимания описания, и что их использование и определения никоим образом не ограничивают объем изобретения. Термины “первый”, “второй” и т.п. используются для различения объектов, имеющих одинаковую терминологию, и никоим образом не предназначены для представления хронологического порядка, если только явно не указано иное. Множество определяется как непустое множество, включающее хотя бы один элемент.
Настоящее изобретение сосредоточено на шуме гребного винта, его количественной оценке и минимизации. Как правило, шум гребного винта зависит от таких параметров, как количество лопастей, угол наклона, угол перекоса, толщина лопасти, площадь лопасти и диаметр гребного винта. Настоящее изобретение оптимизирует определенные параметры конструкции гребного винта (главным образом угол наклона и количество лопастей гребного винта) для снижения уровня шума. Хотя гребной винт создает необходимую тягу для движения вперед, он также создает шум из-за взаимодействия с структурой текучей среды.
Как правило, уровень шума увеличивается с увеличением количества оборотов гребного винта, а также с увеличением скорости потока. Уровни шума оценивают/прогнозируют либо с помощью основных уравнений гидродинамики, либо путем расчетов с использованием вычислительной гидродинамики (CFD). Эту оценка может быть измерена экспериментально. Однако проводить эксперименты для всех возможных конфигураций дорого и долго.
Мощность движителя передается на гребной винт через вал гребного винта, который, в свою очередь, крепят к ступице гребного винта. Затем на гребном винте создают крутящий момент, который вращает гребной винт вокруг своей оси, так что создается тяга, перемещающая транспортное средство вперед. Из-за разницы давлений между входом и выходом лопастей происходит обмен импульсом между лопастями и текучей средой, окружающей гребной винт. Таким образом, механическая энергия гребного винта преобразуется в энергию статического состояния и кинетическую энергию текучей среды.
Как правило, шум гребного винта зависит от таких параметров, как количество лопастей, угол наклона, угол перекоса, толщина лопасти, площадь лопасти, диаметр гребного винта и т. д. Большинство параметров гребного винта влияют на уровень шума.
На фиг. 1 показана твердотельная модель гребного винта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На этой фигуре показана твердотельная модель гребного винта. В одном варианте осуществления настоящее изобретение относится к гребному винту, содержащему: ступицу, имеющую центральную ось, одну или несколько лопастей, имеющих длину лопасти с проксимальным концом, прикрепленным к ступице, и дистальным концом, протяженным радиально наружу от ступицы, гребной винт имеет диаметр от 360 до 400 мм, при этом совокупность диаметра, угла наклона, угла перекоса, количества лопастей гребного винта обеспечивает необходимую тягу и создает низкий уровень шума.
На фиг. 2 показан гребной винт в разрезе, на фиг. 3 - геометрические параметры: радиус, толщину, угол перекоса и наклон гребного винта.
Основные параметры, влияющие на шум гребного винта
Существует несколько параметров, так или иначе влияющих на шум гребного винта. Краткое описание двух основных параметров, влияющих на шум гребного винта, представлено в следующем разделе.
Количество лопастей
Как правило, гребной винт содержит несколько лопастей. Гребной винт в основном зависит от уровня действующих на него нестационарных сил. Оптимальный КПД гребного винта на открытой воде увеличивается с увеличением количества лопастей до определенного предела. Поэтому по существу требуется доработать оптимальное количество лопастей. Меньшее количество лопастей выбирают из-за меньшего сопротивления, но рекомендуется больший диаметр, чтобы получить необходимую площадь лопастей для эффективной тяги. Большее количество лопастей, обычно 5 или более, целесообразно из-за большей площади лопастей при меньшем диаметре. Кроме того, близкие друг к другу лопасти создают большую турбулентность, чем открытые лопасти, что автоматически компенсирует поток воды друг друга. Как правило, более высокие лопасти также используют для уменьшения вибрации, возникающей из-за изменения давления, которое создает толчок. Более высокие вибрации приводят к более высокому уровню шума. В настоящем изобретении к ступице гребного винта прикреплено от четырех до семи лопастей. В варианте осуществления количество лопастей гребного винта составляет около 6. Лопасти гребного винта имеют диаметр в пределах примерно 350-400 мм и длину примерно 130-145 мм. В варианте осуществления диаметр и длина лопасти гребного винта составляют примерно 389 мм (диаметр) и длина примерно 137,5 мм. Толщина лопасти гребного винта находится в диапазоне примерно от 8,69 до 0,33 мм, а отношение площадей лопасти гребного винта находится в диапазоне примерно 0,70-0,90, где в варианте осуществления отношение площадей лопастей гребного винта находится в диапазоне примерно 0,78.
Ступица гребного винта соединена с валом гребного винта, при этом гребной вал передает мощность движения на ступицу гребного винта и создается крутящий момент, который вращает гребной винт вокруг своей оси, таким образом создается тяга, которая перемещает транспортное средство в прямом направлении.
Угол наклона
Уровень шума гребного винта также зависит от угла наклона гребного винта. Угол наклона не является ни большим, ни низким, но он должен быть оптимальным в зависимости от оборотов, чтобы избежать повышенного уровня шума. Существуют разные разновидности гребных винтов с переменным углом наклона, рассчитанные на низкий уровень шума. Гребной винт с регулируемым углом наклона (CPP) или гребной винт с изменяемым углом наклона представляет собой тип гребного винта, в котором угол наклона гребного винта изменяется в соответствии с требованиями к скорости потока.
В настоящем изобретении исследуются изменения угла наклона и количества лопастей, а также изменение шума гребного винта. Кроме того, проводятся дополнительные исследования и анализ характеристик гребного винта. В этих исследованиях также занимаются разработкой модели нечеткой логики для прогнозирования шума гребного винта путем интерполяции (между) и экстраполяции (за пределами) входных параметров с доступными данными. Гребной винт имеет угол наклона примерно от +46° до +29°, в отдельных случаях +5°, +10°, -5°, -10° существующего угла наклона, а количество лопастей гребного винта находится в диапазоне от 5 до 7, в конкретных случаях шести лопастей.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение относится к способу прогнозирования шума гребного винта. Способ включает в себя этапы, на которых прогнозируют некавитационный шум по меньшей мере одной конфигурации гребного винта посредством CFD-анализа, измеряют шум гребного винта по меньшей мере одной конфигурации гребного винта с использованием кавитационной трубы и анализируют влияние параметров конструкции гребного винта (количество лопастей, угол наклона) с использованием методов Тагучи и RSM по меньшей мере конфигурации гребного винта. Этапы способа повторяются для разных конфигураций (изменяющихся параметров гребного винта) гребного винта.
Прогноз шума гребного винта осуществляют с помощью CFD и акустического анализа. Для того же гребного винта измерения шума проводят в кавитационной трубе и подтверждают экспериментально измеренный шум. Используя тот же способ прогнозирования, оценки шума производят с разным углом наклона (от -10° до +10° с изменением на 5° существующего гребного винта) и количеством лопастей (5, 6 и 7). Из эксперимента следует, что гребной винт с 6 лопастями и углом наклона +5 град обеспечивает наименьший шум среди исследованных конфигураций при большей тяге и крутящем моменте, чем требуется.
Прогноз шума гребного винта
В настоящем изобретении шум некавитационного подводного гребного винта оценивают аналитически с использованием вычислительных гидродинамических моделей (CFD). Твердотельную модель создают для морского гребного винта, и выполняют CFD-анализ с использованием моделирования больших вихрей для определения выходных значений давления. Усилие и крутящий момент также можно найти в анализе CFD. Выходные данные анализа CFD используют для проведения акустического анализа с использованием уравнения FW-H для определения уровней звукового давления. Предполагаемая цель настоящего изобретения достигается путем проведения анализа гребного винта, состоящего из шести лопастей.
Экспериментальное измерение шума гребного винта
В настоящем изобретении шум гребного винта измеряют экспериментально с использованием системы акустических измерений в кавитационной трубе. Эксперимент проводят на 6-лопастном гребном винте и оценивают некавитационный шум гребного винта для той же скорости и скорости потока конфигурации гребного винта, которую использовали для прогнозирования. На фиг. 4 показан гребной винт, испытываемый в кавитационной трубе, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. Предсказанные результаты подтверждены экспериментальными результатами, и это проложило путь для проведения дальнейших исследований по снижению шума гребного винта.
Снижение шума гребного винта
Шум гребного винта может быть уменьшен разными методами, одним из которых является геометрическая модификация. В настоящем изобретении модификации геометрии гребного винта осуществляю путем изменения угла наклона и количества лопастей гребного винта. Влияние изменения угла наклона и количества лопастей на шум гребного винта анализируют с помощью CFD и акустического анализа. На фиг. 5 показана твердотельная модель малошумного гребного винта (6 лопастей, угол наклона +5 градусов, диаметр 389 мм) из всех изученных вариантов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Используя экспериментальную конструкцию Тагучи, угол наклона и количество лопастей гребного винта используют в качестве входных параметров, а шум гребного винта используют в качестве выходного параметра. Оптимизированная совокупность влияющих параметров получено для оптимизированного шума гребного винта. Эта полученная оптимизированная совокупность влияющих параметров хорошо согласуется с параметрами предсказанного оптимизированного шума гребного винта. На фиг. 6 показан график основных эффектов для средних в методе Тагучи согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
В Методологии Поверхности Отклика (RSM) оптимизированный шум гребного винта получают после анализа оптимизированных входных параметров, таких как количество лопастей и угол наклона. На фиг. 7 показан график оптимизатора отклика для Методологии Поверхности Отклика согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
Однако, поскольку основной функцией гребного винта для скомпонованного транспортного средства является создание требуемой тяги и крутящего момента, для этого же проверяют малошумный гребной винт. Поскольку анализ показал, что тяга и крутящий момент малошумного гребного винта выше требуемых, диаметр гребного винта рассчитывают для поддержания необходимой тяги и крутящего момента. Для этого гребного винта шум вычисляют снова с использованием CFD и акустического анализа. На фиг. 8 показана твердотельная модель оптимизированного гребного винта (6 лопастей, угол наклона +5 градусов с уменьшенным диаметром 365 мм) в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Таким образом, в данном изобретении достигается оптимальная конструкция гребного винта с меньшим уровнем шума и требуемой тягой.
Разработка модели нечеткой логики
Методология прогнозирования шума морского гребного винта громоздка и требует много времени. В настоящем изобретении представлена методология, основанная на модели нечеткой логики, для сокращения времени прогнозирования шума при изменении параметров конструкции.
Используя систему нечеткой логики, шум гребного винта для интерполяции (между) и экстраполяции (за пределами) входных параметров определяют с помощью доступных данных. Создана и разработана методология прогнозирования шума гребного винта с использованием нечеткой логики. На фиг. 9 показан интерполированный шум гребного винта для любого угла наклона и любого количества лопастей в заданном диапазоне входных параметров. На фиг. 10 показан экстраполированный шум гребного винта для любого угла наклона и любого количества лопастей за пределами заданного диапазона входных параметров.
Настоящее изобретение имеет своей целью снижение шума некавитационного гребного винта. Настоящее изобретение было осуществлено на разных этапах. На первом этапе было изучено прогнозирование шума, создаваемого некавитационным гребным винтом. В этой методологии метод моделирования больших вихрей использовали в анализе CFD, а метод FWH использовали в акустическом анализе. На втором этапе уровни шума гребного винта были экспериментально измерены в кавитационной трубе. Теоретическая модель была подтверждена экспериментальными результатами. Уровни шума, полученные экспериментально и с помощью теоретической модели, находятся в хорошем соответствии. Это подтверждает установление теоретической модели для прогнозирования шума.
На третьем этапе было изучено влияние параметров конструкции гребного винта, а именно угла наклона и количества лопастей. С этой целью были проведены прогнозы для пятнадцати разных конфигураций гребного винта. Было обнаружено, что в настоящем изобретении гребной винт с 6 лопастями и углом наклона +5 градусов создает самый низкий уровень шума. То же самое было проверено при планировании экспериментов с использованием методов Тагучи и RSM. Этот гребной винт с 6 лопастями и углом наклона +5 градусов был дополнительно проанализирован на тягу и крутящий момент. Конфигурация была изменена за счет уменьшения диаметра гребного винта, чтобы настроить тягу и крутящий момент до исходного заданного уровня. Теоретический прогноз был выполнен для измененной конструкции гребного винта, что привело к дальнейшему снижению уровня шума. Имея данные об изученных конфигурациях гребных винтов, интерполяция и экстраполяция шума гребных винтов были выполнены с использованием нечеткой логики. Был предложен жизнеспособный подход к снижению уровня шума морского гребного винта путем точной настройки параметров конструкции для удовлетворения требований низкого уровня шума.
Фигуры являются просто репрезентативными и не нарисованы в масштабе. Некоторые их части могут быть преувеличены, в то время как другие могут быть сведены к минимуму. На фигурах проиллюстрированы разные варианты осуществления изобретения, которые могут быть понятны и должным образом осуществлены специалистами в данной области техники.
В приведенном выше подробном описании вариантов осуществления изобретения разные признаки сгруппированы вместе в одном варианте осуществления с целью рационализации раскрытия. Это устройство, узел или схема раскрытия не должны быть интерпретированы как отражающие намерение, согласно которому заявленные варианты осуществления изобретения требуют большего количества признаков, чем прямо указано в каждой формуле изобретения. Скорее, как отражает следующая формула изобретения, объект изобретения заключается не во всех признаках одного раскрытого варианта осуществления. Таким образом, нижеследующая формула изобретения настоящим включена в подробное описание вариантов осуществления изобретения, при этом каждый пункт формулы изобретения представляет отдельный вариант осуществления.
Понятно, что приведенное выше описание носит иллюстративный, а не ограничительный характер. Он предназначен для охвата всех альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые могут быть включены в сущность и объем изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения. Многие другие варианты осуществления будут очевидны специалистам в данной области техники после ознакомления с вышеприведенным описанием. Таким образом, объем изобретения должен быть определен со ссылкой на прилагаемую формулу изобретения вместе с полным объемом эквивалентов, на которые распространяется такая формула изобретения. В прилагаемой формуле изобретения термины “включающий” и “в котором” используются как простые английские эквиваленты соответствующих терминов “содержащий” и “в котором” соответственно.