一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型和設(shè)計(jì)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型和設(shè)計(jì)方法，包括葉輪主葉片和輪轂、葉輪分流短葉片、定子葉片和輪轂、導(dǎo)管。葉輪主葉片與分流短葉片之間的推力負(fù)載比例為3：2。分流短葉片與主葉片數(shù)目相同且單個(gè)短葉片周向位于兩相鄰主葉片正中間，分流短葉片隨邊軸向位置與主葉片相同、導(dǎo)邊平均直徑與泵噴進(jìn)口直徑的比值為0.63。葉輪主葉片與分流短葉片均具有大側(cè)斜特征。本發(fā)明專利技術(shù)可以延遲空泡產(chǎn)生，提升抗空化性能，降低輻射噪聲，能夠適應(yīng)泵噴用于輔助推進(jìn)器時(shí)進(jìn)速系數(shù)小、易于產(chǎn)生空泡的工作特點(diǎn)。該技術(shù)措施也適用于無軸驅(qū)動(dòng)式集成電機(jī)泵噴用作輔助推進(jìn)器時(shí)水力模型的設(shè)計(jì)。

Hydraulic model and design method of pump jet propeller with splitter short blade

The invention discloses a hydraulic model and a design method of a pump jet propeller with a splitter short blade, comprising an impeller, a main blade and a hub, an impeller, a splitter short blade, a stator blade and a hub, and a guide tube. The thrust load ratio between the impeller main blade and the splitter short blade is 3:2. The number of shunt short blade and main blade and the same single short blade circumferential in two adjacent blades is the middle of the splitter ratio with the same axial location, edge and the main guide blade edge diameter and the average diameter of jet pump imports was 0.63. The main impeller blade and the splitter short blade both have large side slope characteristics. The invention can delay the cavitation, enhance the anti cavitation performance and reduce the radiation noise, and can adapt to the working characteristics of low speed coefficient and easy to generate cavitation when the pump is used to assist the booster. The technique is also applicable to the design of a hydraulic model for a shaftless driven integrated motor pump as an auxiliary propeller.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型和設(shè)計(jì)方法
本專利技術(shù)屬于船舶推進(jìn)器
，具體涉及一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型和設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
泵噴推進(jìn)器(Pumpjet，簡(jiǎn)稱泵噴)以具有輻射噪聲低、臨界航速高的顯著特征而被大量應(yīng)用于低噪聲潛艇主推進(jìn)器，如“海狼級(jí)”潛艇和“弗吉尼亞級(jí)”潛艇。當(dāng)前世界上美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和俄羅斯都已經(jīng)將泵噴推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于了潛艇主推進(jìn)，國(guó)內(nèi)尚未見泵噴推進(jìn)潛艇服役的主要原因在于缺乏優(yōu)秀的泵噴水力模型。優(yōu)秀的具體含義是：輻射噪聲低、臨界航速高(即抗空化能力強(qiáng))、推進(jìn)效率適中。為了實(shí)現(xiàn)這一自主設(shè)計(jì)目標(biāo)，專利技術(shù)專利一種無軸驅(qū)動(dòng)式集成電機(jī)泵噴推進(jìn)器水力模型的設(shè)計(jì)方法(CN10446265A,2015-03-25)和一種前置定子周向非對(duì)稱布置的泵噴推進(jìn)器水力模型及其設(shè)計(jì)方法(CN105117564A，2015-12-02)中闡述了同時(shí)適用于無軸驅(qū)動(dòng)式集成電機(jī)泵噴和常規(guī)有軸機(jī)械式泵噴水力模型的設(shè)計(jì)方法，可以設(shè)計(jì)出同時(shí)滿足推進(jìn)和噪聲性能要求的泵噴水力模型。上述泵噴水力模型中，有三大共同點(diǎn)：一是葉輪葉片均為單列葉柵主葉片，且從葉片加工難度和重量考慮，葉輪葉片數(shù)最大取9葉。二是泵噴均作為主推進(jìn)器，均以額定航速16節(jié)為設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，具有大直徑(一般大于2米)、低轉(zhuǎn)速(低于200轉(zhuǎn)/分)的物理特征；三是泵噴敞水效率大于0.58，設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)速系數(shù)較大，葉輪葉片截面攻角較小，葉梢臨界初生空化指數(shù)較小(通常小于1.2)，對(duì)于潛深大于30米時(shí)無空泡產(chǎn)生的設(shè)計(jì)要求來說相對(duì)較容易滿足。當(dāng)泵噴用作潛器輔助推進(jìn)器時(shí)，由于輔助推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速明顯高于主推電機(jī)(高于300轉(zhuǎn)/分)，并且船體航速很低(小于4節(jié))，使得進(jìn)速系數(shù)明顯減小(通常小于0.4)，導(dǎo)致葉片截面攻角增加、葉梢臨界初生空化指數(shù)增加(甚至能夠大于4)，使得葉輪葉片產(chǎn)生空泡的機(jī)率顯著提高、抗空化性能下降(D.羅斯，水下噪聲原理，水下噪聲原理翻譯組譯，北京：海洋出版社，1983)，葉片設(shè)計(jì)難度也顯著增加。在葉輪機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)，為了提高葉輪葉片的抗空化性能，在葉輪徑向尺寸、主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速限定的條件下，典型采用的技術(shù)措施有：①增加葉片數(shù)以減小單位葉片的推力載荷；②增加誘導(dǎo)輪以提高葉輪葉片的進(jìn)口壓力；③優(yōu)化葉輪葉片水動(dòng)力設(shè)計(jì)，直接減小葉輪葉片的葉梢截面推力載荷。上述措施中，方案①，增加葉片數(shù)會(huì)直接使葉輪重量增加，且葉片流體通道的摩擦損失也增加，在葉柵稠密度限制條件下，為了避免葉片扭曲程度過大，大尺度泵噴(直徑大于1米)葉片數(shù)一般不超過13葉。方案②，誘導(dǎo)輪使得泵噴軸向長(zhǎng)度增加，導(dǎo)致船尾縱向彎矩增大，對(duì)配重不利。方案③，通過調(diào)整葉輪葉片負(fù)載的徑向分布規(guī)律，犧牲效率來小量提升抗空化性能，對(duì)由參數(shù)化三元逆向設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)得出的葉輪水力模型來說優(yōu)化空間很小。因此，為了解決泵噴用作潛器輔助推進(jìn)器時(shí)空化性能顯著下降、葉片設(shè)計(jì)難度顯著增加的難題，一方面可以參照上述改進(jìn)思路，另一方面也可以另辟蹊徑，通過大幅減小葉輪葉片的推力載荷來達(dá)到改善抗空化性能的目的。有關(guān)帶分流短葉片的葉輪設(shè)計(jì)方面，目前國(guó)內(nèi)已公開的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道主要集中于離心葉輪和軸流風(fēng)扇，主要用于減小損失、提高效率和降低噪聲。從上述研究背景和應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，針對(duì)泵噴葉輪這種具有典型軸流特征的葉柵通道來說，采用分流短葉片來提升抗空化性能不僅在理論上完全可行，而且在技術(shù)應(yīng)用上開啟了高性能船舶泵類推進(jìn)器葉片設(shè)計(jì)的一條新途徑。該技術(shù)措施可以有效解決泵噴用作水下輔助推進(jìn)器時(shí)由于工作點(diǎn)進(jìn)速系數(shù)小而導(dǎo)致空化性能難以滿足要求的難題，既適用于常規(guī)有軸機(jī)械式泵噴水力模型設(shè)計(jì)，也適用于新型無軸驅(qū)動(dòng)集成電機(jī)式泵噴水力模型的設(shè)計(jì)，可以有效填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該應(yīng)用領(lǐng)域的缺項(xiàng)，有力促進(jìn)國(guó)內(nèi)潛器具有優(yōu)異抗空化性能的輔助推進(jìn)用泵噴的自主研發(fā)和推廣應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
：為了克服上述
技術(shù)介紹
的缺陷，本專利技術(shù)提供一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型和設(shè)計(jì)方法。為了解決上述技術(shù)問題本專利技術(shù)所采用的技術(shù)方案為：一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，包括導(dǎo)管，導(dǎo)管內(nèi)同軸設(shè)有前置的葉輪和后置的定子，葉輪包括葉輪輪轂，和沿葉輪輪轂周向均勻布置的葉輪主葉片和分流短葉片，葉輪主葉片和分流短葉片具有側(cè)斜角；定子包括與所述葉輪輪轂同軸設(shè)置的定子輪轂，和沿定子輪轂周向均勻布置的定子葉片，定子葉片的葉梢與導(dǎo)管的內(nèi)壁面連接。較佳地，分流短葉片導(dǎo)邊平均直徑與泵噴推進(jìn)器進(jìn)口直徑的比值大于0.5，分流短葉片隨邊與葉輪主葉片隨邊的軸向位置相同；側(cè)斜角的側(cè)斜程度不小于50％。較佳地，葉輪主葉片的葉梢截面和分流短葉片的葉梢截面與導(dǎo)管內(nèi)壁面間具有相同的葉頂間隙，葉頂間隙為葉輪直徑的2～5‰。較佳地，葉輪主葉片的側(cè)斜角和分流短葉片均的側(cè)斜角角度相同；葉輪主葉片側(cè)斜角大于相鄰的葉輪主葉片之間夾角的一半，分流短葉片側(cè)斜角大于相鄰的分流短葉片之間夾角的一半；葉輪主葉片的側(cè)斜角和分流短葉片的側(cè)斜角角度從葉根到葉梢截面按線性規(guī)律增加。較佳地，導(dǎo)管包括零推力和小推力導(dǎo)管，導(dǎo)管內(nèi)壁面和外壁面的截面輪廓形成肥厚型導(dǎo)管。較佳地，葉輪主葉片和分流短葉片的葉數(shù)相同，葉輪主葉片和分流短葉片的葉數(shù)均大于5葉；葉輪主葉片的葉數(shù)和定子葉片的葉數(shù)互質(zhì)。一種如上述帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型的設(shè)計(jì)方法，包括：步驟1，依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行泵流體通道水力參數(shù)的選型設(shè)計(jì)；步驟2，確定泵噴前置葉輪、后置定子和導(dǎo)管內(nèi)外壁面的二維軸面投影幾何；步驟3，由步驟1和步驟2所得結(jié)果采用參數(shù)化三元逆向設(shè)計(jì)方法確定葉輪和定子的三維幾何形狀；由步驟1和步驟2所得結(jié)果將導(dǎo)管的二維軸面投影幾何沿周向旋轉(zhuǎn)得到導(dǎo)管三維幾何形狀；步驟4，使葉輪主葉片和分流短葉片具有側(cè)斜角，葉輪主葉片和分流短葉片側(cè)斜角角度相同；步驟5，計(jì)算步驟4所得模型設(shè)定條件下的水動(dòng)力性能，判斷是否滿足設(shè)計(jì)，若是，則進(jìn)入步驟6；若否，則回到步驟2修改二維軸面投影幾何，并調(diào)整步驟3中葉輪主葉片和定子葉片在三元逆向設(shè)計(jì)過程中的葉片表面負(fù)載沿徑向和軸向分布規(guī)律，重新設(shè)計(jì)葉輪和定子三維幾何形狀；步驟6，采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算步驟5所得模型在給定潛深、設(shè)計(jì)航速、轉(zhuǎn)速和伴流條件下泵噴的空化性能，判斷泵噴葉片是處于無空化還是有空化狀態(tài)：若處于無空化狀態(tài)，則進(jìn)入步驟7；若處于空化初生狀態(tài)，則回到步驟3調(diào)整葉輪主葉片和分流短葉片在三元逆向設(shè)計(jì)過程中的葉片表面負(fù)載沿軸向分布規(guī)律；若處于嚴(yán)重空化狀態(tài)，則回到步驟2修改相應(yīng)的二維軸面投影幾何，并調(diào)整步驟3中葉輪主葉片隨邊和定子葉片導(dǎo)邊的環(huán)量沿徑向分布規(guī)律，重新設(shè)計(jì)葉輪和定子三維幾何形狀；步驟7，采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算步驟6所得模型在給定潛深、設(shè)計(jì)航速、轉(zhuǎn)速和伴流條件下泵噴的非定常推進(jìn)性能，求取帶分流短葉片泵噴的脈動(dòng)推力系數(shù)，并由理論公式計(jì)算得到線譜噪聲，判斷泵噴線譜噪聲是否滿足設(shè)計(jì)要求：若是，則進(jìn)入步驟8；若否，則回到步驟2增加葉輪主葉片和定子葉片的軸向距離；步驟8，確定帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型。較佳地，步驟2中葉輪主葉片和定子葉片之間的軸向距離大于主葉片弦長(zhǎng)的0.5倍。較佳地，步驟3中葉輪主葉片、分流短葉片以及定子葉片均采用NACA16翼型厚度分布。較佳地，步驟4中使葉輪主葉片側(cè)斜角大于相鄰葉輪主葉片之間夾角的一半，分流短葉片側(cè)斜角大于相鄰的分流短葉片之間夾角的一半，使葉輪主本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，包括導(dǎo)管，所述導(dǎo)管內(nèi)設(shè)有前置的葉輪和后置的定子，其特征在于：所述葉輪包括葉輪輪轂，和沿所述葉輪輪轂周向均勻布置的葉輪主葉片和分流短葉片，所述葉輪主葉片和所述分流短葉片具有側(cè)斜角；所述定子包括與所述葉輪輪轂同軸設(shè)置的定子輪轂，和沿所述定子輪轂周向均勻布置的定子葉片，所述定子葉片的葉梢與所述導(dǎo)管的內(nèi)壁面連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，包括導(dǎo)管，所述導(dǎo)管內(nèi)設(shè)有前置的葉輪和后置的定子，其特征在于：所述葉輪包括葉輪輪轂，和沿所述葉輪輪轂周向均勻布置的葉輪主葉片和分流短葉片，所述葉輪主葉片和所述分流短葉片具有側(cè)斜角；所述定子包括與所述葉輪輪轂同軸設(shè)置的定子輪轂，和沿所述定子輪轂周向均勻布置的定子葉片，所述定子葉片的葉梢與所述導(dǎo)管的內(nèi)壁面連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，其特征在于：所述分流短葉片導(dǎo)邊平均直徑與泵噴推進(jìn)器進(jìn)口直徑的比值大于0.5，所述分流短葉片隨邊與所述葉輪主葉片隨邊的軸向位置相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，其特征在于：所述葉輪主葉片的葉梢截面和所述分流短葉片的葉梢截面與所述導(dǎo)管內(nèi)壁面間具有相同的葉頂間隙，所述葉頂間隙為葉輪直徑的2～5‰。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，其特征在于：所述葉輪主葉片的側(cè)斜角和所述分流短葉片的側(cè)斜角角度相同；所述葉輪主葉片側(cè)斜角大于相鄰的所述葉輪主葉片之間夾角的一半，所述分流短葉片側(cè)斜角大于相鄰的所述分流短葉片之間夾角的一半；所述葉輪主葉片的側(cè)斜角和所述分流短葉片的側(cè)斜角角度從葉根到葉梢截面按線性規(guī)律增加。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，其特征在于：所述導(dǎo)管包括零推力和小推力導(dǎo)管，所述導(dǎo)管內(nèi)壁面和外壁面的截面輪廓形成肥厚型導(dǎo)管。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型，其特征在于：所述葉輪主葉片和分流短葉片的葉數(shù)相同，所述葉輪主葉片和分流短葉片的葉數(shù)均大于5葉；所述葉輪主葉片的葉數(shù)和所述定子葉片的葉數(shù)互質(zhì)。7.一種如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述帶分流短葉片的泵噴推進(jìn)器水力模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括：步驟1，依據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行泵流體通道水力參數(shù)的選型設(shè)計(jì)；步驟2，確定泵噴前置葉輪、后置定子和導(dǎo)管內(nèi)外壁面的二維軸面投影幾何；步驟3，由步驟1和步驟2所得結(jié)果采用參數(shù)化三元逆向設(shè)計(jì)方法確定葉輪和定子的三維幾何形狀；由步驟1和步驟2所得結(jié)果將導(dǎo)管的二維軸面投影幾何沿周向旋轉(zhuǎn)得到導(dǎo)管三維幾何形狀；步驟4，使所述葉輪主葉片和所述分流短葉片具有側(cè)斜角，所...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊瓊方，王永生，劉彥森，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)人民解放軍海軍工程大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：湖北,42