一种带分流短叶片的泵喷推进器水力模型和设计方法与流程

本发明属于船舶推进器技术领域，具体涉及一种带分流短叶片的泵喷推进器水力模型和设计方法。

背景技术：

泵喷推进器(Pumpjet，简称泵喷)以具有辐射噪声低、临界航速高的显著特征而被大量应用于低噪声潜艇主推进器，如“海狼级”潜艇和“弗吉尼亚级”潜艇。当前世界上美国、英国、法国和俄罗斯都已经将泵喷推进技术应用于了潜艇主推进，国内尚未见泵喷推进潜艇服役的主要原因在于缺乏优秀的泵喷水力模型。优秀的具体含义是：辐射噪声低、临界航速高(即抗空化能力强)、推进效率适中。为了实现这一自主设计目标，发明专利一种无轴驱动式集成电机泵喷推进器水力模型的设计方法(CN 10446265A,2015-03-25)和一种前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型及其设计方法(CN 105117564A，2015-12-02)中阐述了同时适用于无轴驱动式集成电机泵喷和常规有轴机械式泵喷水力模型的设计方法，可以设计出同时满足推进和噪声性能要求的泵喷水力模型。上述泵喷水力模型中，有三大共同点：一是叶轮叶片均为单列叶栅主叶片，且从叶片加工难度和重量考虑，叶轮叶片数最大取9叶。二是泵喷均作为主推进器，均以额定航速16节为设计工作点，具有大直径(一般大于2米)、低转速(低于200转/分)的物理特征；三是泵喷敞水效率大于0.58，设计点进速系数较大，叶轮叶片截面攻角较小，叶梢临界初生空化指数较小(通常小于1.2)，对于潜深大于30米时无空泡产生的设计要求来说相对较容易满足。

当泵喷用作潜器辅助推进器时，由于辅助推进电机转速明显高于主推电机(高于300转/分)，并且船体航速很低(小于4节)，使得进速系数明显减小(通常小于0.4)，导致叶片截面攻角增加、叶梢临界初生空化指数增加(甚至能够大于4)，使得叶轮叶片产生空泡的机率显著提高、抗空化性能下降(D.罗斯，水下噪声原理，水下噪声原理翻译组译，北京：海洋出版社，1983)，叶片设计难度也显著增加。

在叶轮机械领域内，为了提高叶轮叶片的抗空化性能，在叶轮径向尺寸、主机功率和转速限定的条件下，典型采用的技术措施有：①增加叶片数以减小单位叶片的推力载荷；②增加诱导轮以提高叶轮叶片的进口压力；③优化叶轮叶片水动力设计，直接减小叶轮叶片的叶梢截面推力载荷。上述措施中，方案①，增加叶片数会直接使叶轮重量增加，且叶片流体通道的摩擦损失也增加，在叶栅稠密度限制条件下，为了避免叶片扭曲程度过大，大尺度泵喷(直径大于1米)叶片数一般不超过13叶。方案②，诱导轮使得泵喷轴向长度增加，导致船尾纵向弯矩增大，对配重不利。方案③，通过调整叶轮叶片负载的径向分布规律，牺牲效率来小量提升抗空化性能，对由参数化三元逆向设计方法设计得出的叶轮水力模型来说优化空间很小。因此，为了解决泵喷用作潜器辅助推进器时空化性能显著下降、叶片设计难度显著增加的难题，一方面可以参照上述改进思路，另一方面也可以另辟蹊径，通过大幅减小叶轮叶片的推力载荷来达到改善抗空化性能的目的。

有关带分流短叶片的叶轮设计方面，目前国内已公开的相关文献报道主要集中于离心叶轮和轴流风扇，主要用于减小损失、提高效率和降低噪声。

从上述研究背景和应用现状可以看出，针对泵喷叶轮这种具有典型轴流特征的叶栅通道来说，采用分流短叶片来提升抗空化性能不仅在理论上完全可行，而且在技术应用上开启了高性能船舶泵类推进器叶片设计的一条新途径。该技术措施可以有效解决泵喷用作水下辅助推进器时由于工作点进速系数小而导致空化性能难以满足要求的难题，既适用于常规有轴机械式泵喷水力模型设计，也适用于新型无轴驱动集成电机式泵喷水力模型的设计，可以有效填补国内该应用领域的缺项，有力促进国内潜器具有优异抗空化性能的辅助推进用泵喷的自主研发和推广应用。

技术实现要素：
：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种带分流短叶片的泵喷推进器水力模型和设计方法。

为了解决上述技术问题本发明所采用的技术方案为：

一种带分流短叶片的泵喷推进器水力模型，包括导管，导管内同轴设有前置的叶轮和后置的定子，叶轮包括叶轮轮毂，和沿叶轮轮毂周向均匀布置的叶轮主叶片和分流短叶片，叶轮主叶片和分流短叶片具有侧斜角；定子包括与所述叶轮轮毂同轴设置的定子轮毂，和沿定子轮毂周向均匀布置的定子叶片，定子叶片的叶梢与导管的内壁面连接。

较佳地，分流短叶片导边平均直径与泵喷推进器进口直径的比值大于0.5，分流短叶片随边与叶轮主叶片随边的轴向位置相同；侧斜角的侧斜程度不小于50％。

较佳地，叶轮主叶片的叶梢截面和分流短叶片的叶梢截面与导管内壁面间具有相同的叶顶间隙，叶顶间隙为叶轮直径的2～5‰。

较佳地，叶轮主叶片的侧斜角和分流短叶片均的侧斜角角度相同；叶轮主叶片侧斜角大于相邻的叶轮主叶片之间夹角的一半，分流短叶片侧斜角大于相邻的分流短叶片之间夹角的一半；叶轮主叶片的侧斜角和分流短叶片的侧斜角角度从叶根到叶梢截面按线性规律增加。

较佳地，导管包括零推力和小推力导管，导管内壁面和外壁面的截面轮廓形成肥厚型导管。

较佳地，叶轮主叶片和分流短叶片的叶数相同，叶轮主叶片和分流短叶片的叶数均大于5叶；叶轮主叶片的叶数和定子叶片的叶数互质。

一种如上述带分流短叶片的泵喷推进器水力模型的设计方法，包括：

步骤1，依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计；

步骤2，确定泵喷前置叶轮、后置定子和导管内外壁面的二维轴面投影几何；

步骤3，由步骤1和步骤2所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定叶轮和定子的三维几何形状；由步骤1和步骤2所得结果将导管的二维轴面投影几何沿周向旋转得到导管三维几何形状；

步骤4，使叶轮主叶片和分流短叶片具有侧斜角，叶轮主叶片和分流短叶片侧斜角角度相同；

步骤5，计算步骤4所得模型设定条件下的水动力性能，判断是否满足设计，若是，则进入步骤6；若否，则回到步骤2修改二维轴面投影几何，并调整步骤3中叶轮主叶片和定子叶片在三元逆向设计过程中的叶片表面负载沿径向和轴向分布规律，重新设计叶轮和定子三维几何形状；

步骤6，采用计算流体力学方法计算步骤5所得模型在给定潜深、设计航速、转速和伴流条件下泵喷的空化性能，判断泵喷叶片是处于无空化还是有空化状态：若处于无空化状态，则进入步骤7；若处于空化初生状态，则回到步骤3调整叶轮主叶片和分流短叶片在三元逆向设计过程中的叶片表面负载沿轴向分布规律；若处于严重空化状态，则回到步骤2修改相应的二维轴面投影几何，并调整步骤3中叶轮主叶片随边和定子叶片导边的环量沿径向分布规律，重新设计叶轮和定子三维几何形状；

步骤7，采用计算流体力学方法计算步骤6所得模型在给定潜深、设计航速、转速和伴流条件下泵喷的非定常推进性能，求取带分流短叶片泵喷的脉动推力系数，并由理论公式计算得到线谱噪声，判断泵喷线谱噪声是否满足设计要求：若是，则进入步骤8；若否，则回到步骤2增加叶轮主叶片和定子叶片的轴向距离；

步骤8，确定带分流短叶片的泵喷推进器水力模型。

较佳地，步骤2中叶轮主叶片和定子叶片之间的轴向距离大于主叶片弦长的0.5倍。

较佳地，步骤3中叶轮主叶片、分流短叶片以及定子叶片均采用NACA 16翼型厚度分布。

较佳地，步骤4中使叶轮主叶片侧斜角大于相邻叶轮主叶片之间夹角的一半，分流短叶片侧斜角大于相邻的分流短叶片之间夹角的一半，使叶轮主叶片和分流短叶片的侧斜角角度从叶根到叶梢截面按线性规律增加。

较佳地，步骤5中的修改二维轴面投影几何包括：修改二维轴面投影几何中的叶轮主叶片直径和轴向长度。

较佳地，步骤6中的修改二维轴面投影几何包括：修改二维轴面投影几何中的叶轮主叶片导边的轴向位置和叶梢截面弦长。

本发明的有益效果在于：在常规机械式泵喷水力模型的基础上，通过引入分流短叶片，得到了带分流短叶片的后置定子泵喷推进器水力模型，适用于泵喷用作辅助推进器时工作点进速系数小、抗空化性能要求高的特点。设计泵喷水力模型中叶轮主叶片和分流短叶片的叶片数均为7叶，定子叶片数为9叶，导管为小推力肥厚型导管。叶轮主叶片、分流短叶片和定子叶片均采用NACA16翼型厚度分布特征。叶轮主叶片和分流短叶片均具有大侧斜特征，且侧斜角相同。设计泵喷在额定航速4节、额定转速300rpm下，敞水效率为0.28，艇尾边界层进流条件下产生轴向推力大于37kN、消耗功率小于250kW，水深大于10米时无空化产生，轴向脉动推力系数对应的一阶叶频处泵喷线谱噪声低于125dB。该设计方案中采用的技术措施也适用于无轴驱动式集成电机泵喷用作辅助推进器时水力模型的设计，该技术措施推广应用后可快速促进泵喷辅助推进技术的普及应用。

附图说明

图1是本发明实施例带分流短叶片的后置定子泵喷水力模型三维几何形状；

图2是本发明实施例带分流短叶片的后置定子泵喷水力模型二维轴面投影几何；

图3是本发明实施例带分流短叶片的后置定子泵喷水力模型设计流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种带分流短叶片2的泵喷推进器水力模型，如图1所示包括导管6，导管6内同轴设有前置的叶轮和后置的定子，叶轮包括叶轮轮毂3，和沿叶轮轮毂3周向均匀布置的叶轮主叶片1和分流短叶片2，叶轮主叶片1和分流短叶片2具有侧斜角，侧斜角的侧斜程度为50％；定子包括与所述叶轮轮毂3同轴设置的定子轮毂5，和沿定子轮毂5周向均匀布置的定子叶片4，定子叶片4的叶梢与导管6的内壁面14连接。叶轮主叶片1、分流短叶片2和定子叶片4均采用NACA 16翼型厚度分布。

导管6为零推力导管6或小推力导管6，内壁面14、外壁面15的截面轮廓形成肥厚型导管6。本实施例中导管6为小推力导管6。

分流短叶片2导边8的平均直径与泵喷推进器进口直径的比值大于0.5，本实施例中优选为0.63。分流短叶片2随边9与叶轮主叶片1随边9的轴向位置相同。

叶轮主叶片1的叶梢截面和分流短叶片2的叶梢截面与导管6内壁面14之间具有相同的叶顶间隙，叶顶间隙为叶轮直径的2～5‰。

叶轮主叶片1的侧斜角和分流短叶片2的侧斜角角度相同；叶轮主叶片1侧斜角大于相邻的叶轮主叶片1之间夹角的一半，分流短叶片2侧斜角大于相邻的分流短叶片2之间夹角的一半；叶轮主叶片1的侧斜角和分流短叶片2的侧斜角角度从叶根到叶梢截面按线性规律增加。

叶轮主叶片1和分流短叶片2的叶数相同，叶轮主叶片1和分流短叶片2的叶数均大于5叶；叶轮主叶片1的叶数和定子叶片4的叶数互质。本实施例中，叶轮主叶片1和分流短叶片2的叶数均为7叶，定子叶片4的叶数为9叶。

一种如上述带分流短叶片2的泵喷推进器水力模型的设计方法，包括：

步骤1，依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计；选型设计时，按照船舶喷水推进理论，由快速性要求确定泵喷叶栅通道的扬程、流量、出口面积、比转速和吸口比转速5个参数。

步骤2，确定泵喷前置叶轮、后置定子和导管6内壁面14、外壁面15的二维轴面投影几何；带分流短叶片2的后置定子泵喷水力模型中导管6内壁面14、外壁面15的截面轮廓形成肥厚型导管6所指为：导管6沿轴向方向的径向厚度与最大厚度的比值大于0.8的轴向长度范围与导管6总轴向长度的比值大于0.5。

如图2所示，二维轴面投影几何包括叶轮主叶片导边7、分流短叶片导边8、主叶片随边9、叶轮轮毂10、定子叶片导边11和随边12、定子轮毂13、导管6内壁面14和外壁面15的轴面投影。分流短叶片2随边与主叶片随边9的轴面投影重合。叶轮主叶片1和分流短叶片2的叶梢截面距离导管6内壁面14均设置有叶顶间隙，且间隙距离相等。分流短叶片2导边平均直径与泵喷进口直径的比值为0.63。定子叶片4导边距叶轮主叶片1随边9的轴向距离与主叶片弦长的比值为0.75。

步骤3，由步骤1和步骤2所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定叶轮和定子的三维几何形状；由步骤1和步骤2所得结果将导管6的二维轴面投影几何沿周向旋转得到导管6三维几何形状；

叶片(叶轮主叶片1、分流短叶片2和定子叶片4)三维几何形状由水力参数(主叶片和分流短叶片2的负载比例、叶片负载沿径向和轴向分布规律)和几何参数(轴面几何、叶截面厚度分布和堆叠角)共同决定。主叶片和分流短叶片2的负载比例决定了主叶片对总的推力负载的贡献；叶片负载沿轴向分布规律决定了叶截面压力系数沿弦长方向的分布，进而直接决定了其作功能力和抗空化性能；叶片负载沿径向分布规律用于控制叶轮主叶片1和分流短叶片2沿跨距方向的作功能力以及叶栅通道内的二次流动，提高效率。叶片推力负载(叶面压力面和吸力面之间的压力差)与沿周向平均的环量rVt在轴面流线方向上的导数密切相关，数学模型为，

式中，ρ是海水的密度；r是叶轮叶片上任一截面半径；V_m是沿周向平均的轴面速度，等于流量与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；V_t是沿周向平均的切向速度分量，等于环量rV_t值与轴面投影图中半径的比值，环量rV_t值由扬程和转速决定，η_h为水力效率，设计时初始值取为0.88；p⁺、p^-分别是叶片压力面与吸力面的静压，两者差值等于叶片产生推力；B是叶片数，依据经验给定，如叶轮主叶片1和分流短叶片2均为7叶、定子叶片9叶；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同跨距处几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1。

在设计叶轮主叶片1、分流短叶片2和定子叶片4三维几何形状时：叶轮主叶片1随边9采用递增型环量分布、叶轮分流短叶片2随边9采用递增型环量分布、定子叶片4导边采用二次方环量分布；叶轮主叶片1和定子叶片4的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用后载型负载分布；叶轮主叶片1叶根截面导边处采用小的正攻角，定子叶片4叶梢截面随边12处采用小的负攻角。

本实施例中叶轮主叶片1与分流短叶片2推力负载之间的比例优选为3：2。

步骤4，使叶轮主叶片1和分流短叶片2具有侧斜角，也即使其具有大侧斜特征，叶轮主叶片1和分流短叶片2侧斜角角度相同，侧斜程度为50％；

本步骤中使叶轮主叶片1侧斜角大于相邻叶轮主叶片1之间夹角的一半，分流短叶片2侧斜角大于相邻的分流短叶片2之间夹角的一半，使叶轮主叶片1和分流短叶片2的侧斜角角度从叶根到叶梢截面按线性规律增加。

步骤5，计算步骤4所得模型设定条件下的水动力性能，判断是否满足设计，若是，则进入步骤6；若否，则回到步骤2修改二维轴面投影几何，并调整步骤3中叶轮主叶片1和定子叶片4在三元逆向设计过程中的叶片表面负载沿径向和轴向分布规律，重新设计叶轮和定子三维几何形状；本步骤中修改二维轴面投影几何包括：修改二维轴面投影几何中的叶轮主叶片1直径和轴向长度。

步骤6，采用计算流体力学方法计算步骤5所得模型在给定潜深、设计航速、转速和伴流条件下泵喷的空化性能，判断泵喷叶片是处于无空化还是有空化状态：若处于无空化状态，则进入步骤7；若处于空化初生状态，则回到步骤3调整叶轮主叶片1和分流短叶片2在三元逆向设计过程中的叶片表面负载沿轴向分布规律；若处于严重空化状态，则回到步骤2修改相应的二维轴面投影几何，并调整步骤3中叶轮主叶片1随边9和定子叶片4导边11的环量沿径向分布规律，重新设计叶轮和定子三维几何形状；本步骤中的修改二维轴面投影几何包括：修改二维轴面投影几何中的叶轮主叶片1导边7的轴向位置和叶梢截面弦长。

计算泵喷空化性能时，空化模型优先采用发明人提出的改进型Sauer空化模型：

其中，和分别代表了水蒸汽蒸发(气泡生长)和凝结(气泡溃灭)过程，蒸发和凝结系数分别取C_prod＝50和C_dest＝0.01，气泡平均初始半径R_B＝1.5μm，α_v和ρ_v分别表示水蒸汽体积分数和密度，ρ_l表示水的密度，p表示流体压力，p_v表示相变临界压力，计算时取值如公式(2)：

其中，p_sat表示汽化压力常数，k表示流体湍动能，ρ_m表示混合流体密度，计算时取值如公式(3)：

ρ_m＝(α_vρ_v+(1-α_v-α_g)ρ_l)/(1-f_g) (3)，

其中，α_g和f_g分别表示非凝结性气核NCG的体积分数和质量分数，取值为α_g＝7.8×10^-4和f_g＝1.0×10^-6。对于由水、水蒸汽和NCG组成的三相混合流体来说，每一相的体积分数和质量分数均满足关系式

另外，计算泵喷空化性能时，空化模型还可以采用如公式(4)的Zwart模型

其中，_rnuc为气核体积分数，_RB为气核半径，参数取值为r_nuc＝5.0×10^-4,R_B＝2.0×10^-6，F_e＝50，F_c＝0.01。

混合密度ρ＝ρ＝α_vρ_v+(1-α_v)ρ_l。

进行空化性能计算时还可以采用如公式(5)的Sauer模型：

其中，n₀为常数

步骤7，采用计算流体力学方法计算步骤6所得模型在给定潜深、设计航速、转速和伴流条件下泵喷的非定常推进性能，求取带分流短叶片2泵喷的脉动推力系数，并由理论公式计算得到线谱噪声，判断泵喷线谱噪声是否满足设计要求：若是，则进入步骤8；若否，则回到步骤2增加叶轮主叶片1和定子叶片4的轴向距离；计算泵喷脉动推力系数并且评估线谱噪声时可以采用尺度适应模拟方法SAS结合脉动力辐射噪声理论公式完成。

非定常推进性能计算时，采用非定常瞬态CFD计算方法，如采用尺度适应模拟方法SAS或分离涡模拟方法DES或大涡模拟方法LES。优先采用SAS模拟，可在提高泵喷脉动推力系数计算精度的条件下有效缩短研发周期。

计算泵喷线谱噪声时，采用如式(6)的理论模型

其中，p为声压，t'为迟滞时间，F为脉动推力，r为脉动力源到测点距离，θ为F与r矢量之间夹角，cosθ项用于表征脉动力源的偶极声场指向性。一旦脉动推力幅值确定，则线谱噪声谱源级确定。

步骤8，确定带分流短叶片2的泵喷推进器水力模型。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。