一种转子叶片带叶冠的低噪声泵喷推进器

本发明涉及船舶推进，特别是涉及具有低叶顶间隙激励力、可用于水下航行器的泵喷推进器。

背景技术：

1、声隐身性能是衡量舰船性能的一项重要指标。改善舰船的声隐身性能是提高其生存能力，并取得战略、战术优势的重要途径。随着船舶减振消声技术的发展，船舶推进器的振动声辐射问题是制约其低噪声设计的主要因素，这也对船舶推进技术提出更高要求。近年来，泵喷推进器作为一种新型船舶推进器，与传统的螺旋桨相比，具备优异的水动力、空化及噪声性能。因此，泵喷推进器将成为未来几十年舰船推进器的一个重要发展方向，已倍受世界各海军强国的关注。

2、泵喷推进器通常由导管、以及置于导管内部的转子叶片和定子叶片三部分组成。泵喷推进器在工作时，置于转子叶片之前的定子叶片对来流起到预旋作用。导管边界层流动的迟滞效应可有效降低进入泵喷的来流速度，从而延长空化的产生，改善泵喷空化性能和提升安静航速。然而，转子叶片与导管间的间隙容易产生叶顶间隙涡，引起强烈的叶尖间隙激振力，增大泵喷推进器的声辐射水平。此外，该激励力不仅会增强转子叶片的非定常力，并沿转子叶片-轴系-艇体激起艇体的结构振动。而且也直接激励导管内壁面，并沿着导管-定子叶片-艇体这一耦合振动传递路径，诱发船体艉部结构振动，从而增大水下航行器的整体声辐射水平。因此，如何有效抑制甚至完全消除叶尖间隙涡及其诱发的激励力是我国泵喷设计时需解决的关键问题。

3、例如专利申请号为cn112115562a，专利名称为一种叶梢圆环嵌入导管凹槽的泵喷推进器，具体公开了包括导管、定子叶片、转子叶片及转子叶梢圆环。转子叶片及转子叶梢圆环固定在转子轮毂上，转子叶片与叶梢圆环固定连接，导管内壁开有环形凹槽，转子叶梢圆环可转动，并置于导管内壁环形凹槽内，圆环与导管内壁凹槽之间存在间隙。转子梢部圆环与导管之间充满流体，两者之间无推力轴承等硬接触方式。

4、该型泵喷推进器包括导管、定子叶片、转子叶片及转子叶梢圆环，所述转子叶片固定在转子轮毂上，转子轮毂安装在从艇体尾部伸出的传动轴系上，传动轴系与布置在艇体尾部的推进电机相连，通过布置在艇体尾部的推进电机带动转子旋转工作，所述导管内壁开有环形凹槽，所述转子叶片与叶梢圆环固定连接，所述叶梢圆环镶嵌在导管内壁环形凹槽内，圆环与导管内壁凹槽之间存在间隙，导管与定子固定连接，定子毂固定安装在艇体尾部，导管及定子所产生的力通过定子毂传递到艇体，转子梢部圆环与导管之间无推力轴承等硬接触方式，两者之间的间隙内只充满流体，推力轴承布置在转子轴上。

5、叶梢圆环是以转子轴线为旋转轴的回转体结构，梢部圆环外表面为圆柱面叶梢圆环嵌入导管凹槽的泵喷推进器，梢部圆环前端面位于叶轮梢部导边之前，梢部圆环后端面位于叶轮梢部随边之后，前端面和后端面为平面且均与转子轴向垂直。

6、对于上述专利存在着下述的缺陷：

7、1.导管开槽处理会使导管截面发生不均匀减薄，降低导管结构强度，在艉部强烈的非定常激励力作用下甚至会导致疲劳断裂。

8、2.由于转子嵌入导管凹槽内，在船舶正车和倒车转换时，推进轴系发生较大的轴向位移，会导致转子与凹槽侧壁发生碰撞，额外引起强烈的结构振动和噪声问题。

9、3.受轴系振动的影响，运转在艉部的泵喷推进器转子叶片呈现复杂的空间运动，则必然导致转子叶片叶顶间隙和圆环前后端面处间隙不再均匀，甚至与导管发生碰摩，额外引起强烈的结构振动和噪声问题。

10、4.叶梢圆环前后端面为垂直于轴线的平面，则圆环前后端面为钝体结构，不具备整流作用，则必然导致水流过圆环前后端面附近时发生流体翻转，产生强度较大的涡流结构，诱发涡激振动。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的问题，本发明旨在通过在泵喷推进器转子叶片顶部增设一回转型的整体式冠结构，来对转子叶顶间隙流场进行调控，从而达到均匀间隙流场、消除叶顶间隙涡、降低压力脉动、消除激励力线谱成分、降低泵喷推进器整体声辐射水平的目的。

2、本发明的技术方案为：一种转子叶片带叶冠的低噪声泵喷推进器，包括位于导管内部的定子叶片、转子叶片与转子轮毂，所述转子轮毂上安装有若干个呈圆周阵列的转子叶片，所述导管的内壁上安装有若干个呈圆周阵列的定子叶片，所述导管与转子轮毂均与船体相连接，若干个所述转子叶片顶部设置有回转型整体式叶冠，所述回转型整体式叶冠与导管均以泵喷推进器的轴线为旋转轴的回转结构。

3、作为上述技术方案的进一步改进：

4、优选地，所述回转型整体式叶冠的横截面前缘下端面为naca翼型构型，所述回转型整体式叶冠的横截面前缘上端面和回转型整体式叶冠截面的尾缘由样条曲线构成，所述回转型整体式叶冠的横截面下端面与转子叶片顶部的线型保持一致，所述回转型整体式叶冠的横截面的上端面与导管内壁面线型保持一致，间隙尺寸保持不变。

5、优选地，所述回转型整体式叶冠的横截面下端面与轴线平行，所述回转型整体式叶冠的横截面下端面的长度a与转子叶片顶部线型的轴向长度一致。

6、优选地，所述回转型整体式叶冠的横截面上端面与导管内壁面线型保持一致。

7、优选地，所述回转型整体式叶冠的横截面上端面的长度b＝回转型整体式叶冠的横截面下端面长度a*(1～1.5)，上端面与轴线的夹角α由导管内壁面与轴线的相对位置确定。

8、优选地，所述回转型整体式叶冠横截面的前缘端点与轴线的夹角β的取值范围为α<β<γ，其中，γ为上端面长度b的左端点到原点o的夹角，由上端面长度b的相对位置确定，原点o由回转型整体式叶冠横截面的尾缘与回转型整体式叶冠的横截面下端面长度a的位置确定。

9、优选地，所述回转型整体式叶冠横截面前缘的上端面长度c的取值范围为5％～10％叶冠截面下端面长度a，其形状由样条曲线控制。

10、优选地，所述回转型整体式叶冠横截面前缘的下端面d长度根据叶冠截面前缘的上端面长度c和叶冠截面的上端面长度b确定，其形状选用naca系列翼型构型。

11、优选地，所述回转型整体式叶冠横截面尾缘的上、下端面呈对称布置，其形状由样条曲线控制。

12、优选地，所述回转型整体式叶冠横截面尾缘的轴向长度e的取值范围为5％～10％回转型整体式叶冠横截面下端面长度a；所述回转型整体式叶冠横截面的最大厚度2f的取值范围为5％～8％回转型整体式叶冠横截面下端面长度a。

13、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

14、本发明提供的一种转子叶片带叶冠的低噪声泵喷推进器，在保证泵喷推进器推进性能相当的情况下，通过在转子叶片顶部增设一回转型的整体式叶冠，可以使叶顶间隙的流场变得更加均匀，叶顶间隙涡得以消除、可以有效降低叶顶间隙脉动压力的幅值、可以消除间隙激励力中的线谱成分，频谱特性幅值大幅降低。在横向、垂向和轴向上的声压监测点，总声压级分别降低了约6db、8db和1db。泵喷推进器整体噪声水平得到大幅改善，本装置对叶顶间隙流场和激励力的调控效果显著，能够有效降低泵喷推进器的声辐射水平，为低噪声泵喷推进器的工程应用提供技术支撑。