一种喷水推进泵叶轮的设计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于船舶领域，特别涉及一种喷水推进栗叶轮的设计方法。
【背景技术】
[0002] 目前，喷水推进栗属于新型船舶推进装置一一喷水推进器的核心部件，喷水推进 器的技术特点在于:利用喷水推进栗喷出的水流所产生的反作用力推动船舶前进，具有许 多常规螺旋桨所不及的优点，例如，航速高于25节时，喷水推进器的推进效率达60%以上； 喷水推进器的叶轮在栗壳内工作，不易产生空化现象，产生的激振力小，工作平稳、噪声低、 抗空化能力强;喷水推进器的功率-航速曲线平坦，在船舶工况多变情况下，能够充分利用 主机功率，适应变工况能力强、主机不易发生过载现象;采用喷水推进器的船艇的操纵不需 改变主机转速，主要依靠偏折喷水推进栗喷射出高速水流来实现船舶的转向和倒航，操纵 性和动力定位性能优异;喷水推进栗叶片在管道中受到较好的保护，不易损坏，可靠性好； 此外，喷水推进器还具有浅水效应小、附体阻力小、主机无需反转等特点。
[0003] 上述喷水推进栗一般由叶轮、导叶喷嘴及出口喷嘴组成，其中，叶轮的结构型式主 要有轴流式结构、混流式结构和离心式结构三种，具体如下：
[0004] 1、轴流式叶轮，采用该结构的叶轮一般采用升力法的水力设计方法，这种叶轮应 用于低航速船舶领域，高航速时效率低，不能够满足高航速(比转速要求达到400~500)时 的设计要求；
[0005] 2、混流式叶轮，采用该结构的叶轮一般采用流线法的水力设计方法，其应用于高 航速船舶，属于喷水推进器的主流配置，其比转速在400~500之间，但从加工和安装方面考 虑，混流栗叶轮由于对叶顶间隙控制十分严格，所以导致对主轴轴向定位要求极高，从而使 得加工、安装及后期保养费用高，且叶顶间隙位置需设计专门的监控装置来进行反馈，额外 花费巨大；
[0006] 3、离心式叶轮应用较少。
[0007] 由此可见，目前亟需研发出一种能满足高航速时的设计要求且费用低的喷水推进 栗叶轮。
【发明内容】
[0008] 为了解决现有喷水推进栗叶轮不能同时满足高航速时的设计要求和低费用要求 的问题，本发明实施例提供了一种喷水推进栗叶轮的设计方法。所述技术方案如下：
[0009] 本发明实施例提供了一种喷水推进栗叶轮的设计方法，所述叶轮采用轴流式结 构，所述叶轮采用流线法的水力设计方法，所述采用流线法的水力设计方法的步骤如下：
[0010] 确定所述叶轮的设计目标参数:流量Q(m3/s)、扬程H(m)、转速n(rpm)、机械效率nm、 容积效率q v、总功率P、轮毂形状及尺寸、叶顶入流角、叶顶处叶片宽度b。、叶中处叶片宽 度b。、叶根处叶片宽度bh;
[0011] 依据流量相似公式确定所述叶轮的直径D，计算公式为：
[0012]
[0013] 其中，Q的单位为m3/s，D的单位为m，K = nD;
[0014] 确定所述叶轮的叶顶进口圆周速度U〇i，计算公式为：
[0015]
[0016] 其中，doi为所述叶轮的进口叶顶直径，d〇i = D;
[0017] 确定所述叶轮的理论轴向速度Cml，计算公式为：
[0018]
[0019] 确定所述叶轮的叶中进口圆周速度11。1，计算公式为：
[0020]
[0021 ] 其中，(1。1为所述叶轮的进口叶中直径，(1。1= (d〇i+dhi)/2，dhi为所述叶轮的进口叶 根直径，dhi = 0 · 27*d〇i;
[0022] 确定所述叶轮的叶中处入流角0。1，计算公式为：
[0023]
[0024] 确审所i术P十轮的P十根进口圆周速度Uhl，计算公式为：
[0025]
[0026] 确定所述叶轮的叶根处入流角βω，计算公式为：
[0027]
> ' :，
[0028] 确定所述叶轮的理论流量Qi，计算公式为：
[0029]
[0030] 确定所述叶轮的叶顶处轴面速度Cm2。；
[0031]
[0032] 其中，(1。2为所述叶轮的出口叶顶直径，(1。2 = D，dh2为所述叶轮的出口叶根直径，dh2 = 0.6*d〇2;
[0033] 确定所述叶轮的比转速113，计算公式为：
[0034]
[0035] 确定喷水推进栗的总效率，计算公式为：
[0036]
[0037] 其中，相对流量Qref = lkg/m3;
[0038] 确定所述叶轮的水力效率％，计算公式为：
[0039]
7
[0040] 确定所述叶轮的叶顶出口圆周速度U2。，计算公式为：
[0041]
[0042]确定所述叶轮的叶顶圆周分量CU2。；
[0043]
[0044] 确定所述叶轮的叶顶处出口角β〇2,计算公式为：
[0045]
[0046] 确定所述叶轮的叶中处出口角队2,计算公式为：
[0047]
[0048] 其中，dc2为所述叶轮的出口叶中直径，dc2 =(心+如)/2;
[0049] 确定所述叶轮的叶根处出口角&?，计算公式为：
[0050]
[0051] 根据所述轮毂形状、所述叶顶处叶片宽度b。、所述叶中处叶片宽度b。、所述叶根处 叶片宽度bh、所述进口叶顶直径cU、所述进口叶中直径d cl、所述进口叶根直径dhl、所述出口 叶顶直径(1。2、所述出口叶中直径dc2、所述出口叶根直径dh2，分别画出叶顶处方格图、叶中处 方格图和叶根处方格图；
[0052] 根据所述叶顶入流角β〇ι、所述叶中处入流角队1、所述叶根处入流角&1、所述叶顶 处出口角队2、所述叶中处出口角队2、所述叶根处出口角仇2、以及所述叶顶处叶片宽度b。、所 述叶中处叶片宽度b。、所述叶根处叶片宽度bh，分别在所述叶顶处方格图、所述叶中处方格 图和所述叶根处方格图上画出工作面型线，对应得到叶顶处叶片的工作面型线图、叶中处 叶片的工作面型线图和叶根处叶片的工作面型线图；
[0053] 根据叶片数Z与比转速&的关系，确定所述叶轮的叶片数Z;
[0054] 根据转速n、叶片数Z、叶轮直径D及总功率P，确定叶片叶根处最大厚度Tmax;
[0055] 根据叶片叶根处最大厚度Tmax，在所述叶顶处叶片的工作面型线图、所述叶中处 叶片的工作面型线图和所述叶根处叶片的工作面型线图上分别画出叶片的背面型线，对应 得到叶顶处叶片的双面型线图、叶中处叶片的双面型线图和叶根处叶片的双面型线图；
[0056] 将所述叶顶处叶片的双面型线图、所述叶中处叶片的双面型线图和所述叶根处叶 片的双面型线图分别在各自的叶片前缘和尾缘处作圆弧处理，对应得到叶顶处叶片的型线 图、叶中处叶片的型线图和叶根处叶片的型线图；
[0057] 根据所述叶顶处叶片的型线图、所述叶中处叶片的型线图和所述叶根处叶片的型 线图，画出单个叶片的三维图；
[0058]根据所述轮毂形状及尺寸，采用绕轴线旋转方法，得到轮毂的三维图；
[0059]将所述单个叶片的三维图与所述轮毂的三维图按照空间对应关系合并，得到单叶 片的叶轮三维图；
[0060] 在所述单叶片的叶轮三维图上补全其它叶片，从而得到完整的叶轮三维图，设计 完成。
[0061] 通过使用流线法的水力设计方法设计轴流式结构的叶轮1，这样，得到的叶轮1既 具有轴流式叶轮的易加工、易安装及后期保养费用低等特点，同时又具有混流式叶轮的比 转速高的特点，从而提高了叶轮的适用范围。
[0062]在上述方案中，所述确定所述叶轮的直径D具体为：第一次计算时给定K在600~ 700间的某个初值K，然后根据该初值K确定初始直径D，再通过所述转速η重新计算K并代入 公式进行迭代计算，最后确定所述叶轮的最终直径D。
[0063] 在上述方案中，所述根据所述轮毂形状、所述叶顶处叶片宽度b。、所述叶中处叶片 宽度b。、所述叶根处叶片宽度bh、所述进口叶顶直径(1。1、所述进口叶中直径(1。1、所述进口叶 根直径dhi、所述出口叶顶直径(1。2、所述出口叶中直径d C2、所述出口叶根直径dh2，分别画出叶 顶处方格图、叶中处方格图和叶根处方格图具体为:根据所述轮毂形状、所述叶顶处叶片宽 度b。、所述叶中处叶片宽度b。、所述叶根处叶片宽度bh、所述进口叶顶直径(1。1、所述进口叶中 直径d cl、所述进口叶根直径dhl、所述出口叶顶直径(1。2、所述出口叶中直径d c2、所述出口叶根 直径dh2,采用方格网保角变换方法分别画出叶顶处方格图、叶中处方格图和叶根处方格图。
[0064] 在上述方案中，所述分别在所述叶顶处方格图、所述叶中处方格图和所述叶根处 方格图上画出工作面型线具体为:根据所述叶顶入流角β。:、所述叶中处入流角i3 cl、所述叶 根处入流角仇1、所述叶顶处出口角队2、所述叶中处出口角队2、所述叶根处出口角仇2、以及所 述叶顶处叶片宽度b。、所述叶中处叶片宽度b。、所述叶根处叶片宽度bh，采用单圆弧法光滑 过渡设计方法，分别在所述叶顶处方格图、所述叶中处方格图和所述叶根处方格图上画出 工作面型线。