带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型及其设计方法与流程

本发明属于船舶推进器技术领域，特别是涉及具有低线谱噪声和高临界航速特征，可以用于推进水下潜器的泵喷推进器。

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、“弗吉尼亚级”和“机敏级”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(即抗空泡能力强)、推进效率适中(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，cn104462652a，2015-03-25；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，cn105117564a，2015-12-02)。

在泵喷水力模型自主设计方面，上述发明专利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效率和总噪声级要求的泵喷水力模型。鉴于当前国内大型消声循环水槽的最低有效分析频率仅能达到800hz([1]杨琼方,王永生,张明敏,等.伴流场中对转桨空化初生的判定与辐射噪声的预报和校验,声学学报,2014,39(5).)，而推进器最为关注的低频线谱噪声通常位于100hz以内的低频段，导致实验室状态下推进器低频线谱噪声无法得到直接评估。实船海试辐射噪声测量时，由于机械噪声、推进器噪声和流噪声三者共同存在([2]carltonjs.marinepropellersandpropulsion(船舶螺旋桨与推进),secondedition,elsevierltd.,netherlands,2007.)，且艇外流体流动和艇内动力装置设备的工作状态均会直接影响推进器噪声大小，导致单纯推进器噪声无法得到准确测量数据，也就更加难以明确界定推进器低频线谱噪声的大小。

经典声学理论描述([3]ittc,specialistcommitteeonhydrodynamicnoise(国际拖曳水池会议水动力噪声专家委员会报告),proceedingsoffinalreportandrecommendationstothe27thittc,denmark,2014)：无空化螺旋桨脉动水动力辐射噪声主要包括离散线谱噪声和连续宽带谱噪声两类。离散线谱噪声主要是由于桨叶工作于非均匀伴流时产生，线谱频率与桨叶叶频(叶片数*转速)及其谐频(叶频的整数倍)对应，前3阶线谱频率通常低于100hz。

刚性导管内的螺旋桨噪声测量结果表明([4]morrissc,muellert.experimentalandanalyticalstudyofthehydroacousticsofpropellersinrigidducts(刚性导管内螺旋桨水声的实验和理论研究),美国海军研究署报告,no.n00014-04-1-0193,2006.)：主要离散线谱噪声频率位于桨叶叶频和2倍叶频处。

叶轮和定子相互作用水声测量结果表明([5]tweedies.experimentalinvestigationofflowcontroltechniquestoreducehydroacousticrotor-statorinteractionnoise(用于减小叶轮-定子相互作用水声的流动控制技术的实验研究),弗吉尼亚理工学院暨州立大学机械工程学院硕士学位论文,2006.)：主要离散线谱噪声频率位于叶频、2倍叶频、3倍叶频和4倍叶频处，且以叶频处线谱噪声最为突出。

瑞典sspa公司在visby隐身护卫舰声学设计时，计算喷水推进泵(简称喷泵)噪声结果表明([6]kallmanm,lidq.waterjetnoise(喷水推进泵噪声),rina第3届国际喷水推进会议论文,2001.)：低频离散线谱噪声以2倍叶频处噪声为主。喷泵由轮缘、叶轮和定子组成，轮缘同时包围叶轮和定子，功能与泵喷导管的内壁面相同。

泵喷由环状导管、叶轮(也称为转子)和定子组成，且导管同时包围叶轮和定子(组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，cn103714246a，2014.04.09)。叶轮的工作原理与螺旋桨类同，导管内叶轮的流动特征与导管内螺旋桨类似，泵喷工作时导管包围的叶轮和定子之间同样存在相互作用，导管内几何结构布置与喷泵类同，因此，泵喷离散线谱噪声频率同样位于叶轮叶频(叶片数*转速)及其谐频(通常主要位于前3阶谐频)处。需要抑制泵喷低频辐射噪声大小时，首先需要抑制低频离散线谱的噪声大小，关键是控制叶频和2倍叶频处的噪声大小。

亥姆霍兹共振式消声器具有结构简单、低频消声性能好、消声带宽窄且对消声频率选择性强的特点，在理论上完全适用于泵喷低频离散线谱噪声的消声应用。亥姆霍兹共振腔的共振频率由颈部截面积、颈部长度和共振腔体积共同决定，且改变颈部截面积对共振频率的影响最为直接。当泵喷水力模型确定后，额定工况下泵喷叶频及2倍叶频均已确定，叶栅截面通道和导管内、外壁面确定，亥姆霍兹共振腔只能位于中空导管内部。在导管径向尺寸限定的条件下，叶频越低，亥姆霍兹共振腔的设计难度越大。

在有关带亥姆霍兹共振腔的水下导管设计方面，目前国内已公开的相关文献报道非常稀少，主要集中于水管路系统的消声器设计，且主要通过调节颈部截面积来达到多线谱可调频亥姆霍兹共振腔设计的目的。更进一步，在颈部填充平行穿孔材料后，通过改变入口声阻抗来改变共振腔调频特征。在中国专利网中以“亥姆霍兹共振器”为关键词进行检索时，所检索专利主要集中于管路空气消声的应用，在有限弦长、截面为翼型的导管内部空间设计应用方面几乎是空白。因导管自身结构强度要求的限制，无法做到内部大范围中空，导致能够利用的共振腔体积有限，实现30hz以内极低频消声的难度较大。

从上述研究背景和应用现状可以看出，采用亥姆霍兹共振腔减小泵喷离散线谱噪声进而进一步降低低频辐射噪声的技术措施在理论上完全可行，也从结构设计上开启了抑制泵喷线谱噪声的一条新途径。该技术措施可以有效缓解当前泵喷低频线谱噪声实验难以测量、海试实测难以准确评估的尴尬局面，既适用于常规有轴机械式泵喷水力模型的声学改进设计，也可推广用于新型无轴驱动集成电机式泵喷水力模型的声学改进设计，可以有效填补国内该应用领域的缺项，有力促进国内低噪声泵喷的自主研发和推广应用。

技术实现要素：
：

本发明针对上述背景技术存在的问题，提供一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：包括导管，导管内设有同轴设置的定子和叶轮，定子前置，叶轮后置；叶轮包括叶轮叶片和叶轮轮毂，叶轮叶片沿周向均布设置在叶轮轮毂上；定子包括定子叶片和定子轮毂，定子叶片沿周向均布设置于定子轮毂，且定子叶片叶梢固定于导管内壁面；导管为设有肋骨的中空结构，导管的肋骨包括环肋和纵肋，导管内部的前端和后端分别布置有亥姆霍兹共振器。

较佳地，导管内部前端设置的亥姆霍兹共振器是两并联共振腔亥姆霍兹共振器，共振频率为泵喷叶频和2倍叶频；导管内部后端设置的亥姆霍兹共振器是两并联颈部亥姆霍兹共振器，共振频率为泵喷2倍叶频。

进一步优选的，两并联共振腔亥姆霍兹共振器轴向位于第一根环肋之前，周向左右舷呈对称分布；两并联颈部亥姆霍兹共振器轴向位于最后一根环肋之后，周向左右舷呈对称分布。

较佳地，定子叶片的叶数和叶轮叶片的叶数互质。

较佳地，叶轮叶片的叶梢截面与导管内壁面之间设有叶顶间隙，叶顶间隙与叶轮直径的比值范围为2～5‰。

较佳地，定子叶片与叶轮叶片均采用naca16翼型厚度分布。

较佳地，定子叶片和叶轮叶片之间的轴向间隔距离不小于叶轮叶片弦长的0.5倍。

较佳地，导管的内壁面、外壁面的截面轮廓为翼型。

带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器设计方法，包括以下步骤：

一)进行泵喷流体通道水力参数的选型设计；

二)确定泵喷前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投影几何；

三)由步骤一)和步骤二)所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定定子和叶轮的三维几何形状；由步骤一)和步骤二)所得结果将导管内外截面的二维轴面投影几何沿轴向旋转得到中空导管三维几何形状；

四)采用计算流体力学方法计算步骤三)所得模型在设计航速、转速和伴流条件下泵喷的水动力性能，判断泵喷轴向推力、消耗功率、推进效率和空化性能是否满足设计要求，若是，则进行下一步，若否，则回到步骤二)修改相应的二维轴面投影几何，并调整步骤三)中定子叶片和叶轮叶片在三元逆向设计过程中的叶片表面负载分布规律，重新设计定子和叶轮三维几何形状；

五)采用计算流体力学方法计算步骤四)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，从计算结果中提取泵喷水力模型的脉动推力系数，计算泵喷叶频和2倍叶频处的线谱噪声，若线谱噪声超过噪声指标值5db以上，则回到步骤一)重新进行选型设计；若大于噪声指标值3～5db，则回到步骤二)增加定子叶片和叶轮叶片的轴向距离；

六)增加步骤五)所得模型中空导管的壁面厚度以及导管内部的环肋和纵肋，设置导管内部前端的两并联共振腔亥姆霍兹共振器，并采用有限元方法计算共振腔亥姆霍兹共振器的共振频率：若共振频率等于泵喷叶频和2倍叶频，则进行下一步；若共振频率偏离泵喷叶频和2倍叶频大于5％，则改变共振器颈部截面积以及调整共振腔体积来调整共振频率；

七)设计步骤六)所得模型导管内部后端的两并联颈部亥姆霍兹共振器，并采用有限元方法计算共振器的共振频率，若共振频率等于泵喷2倍叶频，则进行下一步；若共振频率偏离泵喷2倍叶频大于5％，则改变共振器颈部截面积以及调整共振腔体积来调整共振频率；

八)采用有限元方法计算校核泵喷定子导管整体结构的强度，若满足材料使用要求，则进行下一步；若否，则回到步骤六)增加环肋截面厚度；

九)确定带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷推进器模型。

较佳地，步骤三)中设计定子叶片和叶轮叶片三维几何形状时：定子叶片随边采用递增型环量分布、叶轮叶片导边采用二次方环量分布；定子和叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。

较佳地，步骤五)中计算泵喷脉动推力系数并且评估线谱噪声时采用尺度适应模拟方法sas结合脉动力辐射噪声理论公式。

较佳地，步骤五)中计算泵喷叶频和2倍叶频处的线谱噪声的计算理论公式为：

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，则线谱噪声谱源级就可以确定。

本发明的有益效果在于：本发明在前置定子泵喷水力模型的基础上，以中空导管内部肋骨结构设计为基础，设计导管内部前端两并联共振腔亥姆霍兹共振器和导管内部后端两并联颈部亥姆霍兹共振器，得到了带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷模型，能够同时减小泵喷叶频和2倍叶频处的低频离散线谱噪声，降低总噪声。与基准泵喷水力模型相比，叶片三维几何采用的设计方法和加工材料都未发生改变，易于扩展。设计泵喷案例中定子叶片数为11叶，叶轮叶片数为9叶，导管内外截面轮廓为翼型，内外截面厚度均为10mm。导管内部包含6根环肋和7根纵肋，肋骨截面厚度均为15mm。定子叶片和叶轮叶片均采用naca16翼型厚度分布特征。叶轮叶片具有大侧斜特征。设计泵喷在额定航速16节、额定转速200rpm下，敞水效率为0.58，轴向推力大于300kn、消耗功率小于3.5mw，水深大于30米时无空化产生。亥姆霍兹共振器使得泵喷在叶频30hz和2倍叶频60hz处线谱噪声能够减小2～3db。该设计方案中采用的消声技术措施也适用于无轴驱动式集成电机泵喷水力模型的线谱噪声优化设计，该技术措施推广应用后可进一步促进泵喷推进技术的普及应用。

附图说明

图1是本发明带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷模型三维几何图；

图2是本发明导管内部前端两并联共振腔亥姆霍兹共振器的截面图；

图3是本发明导管内部后端两并联颈部亥姆霍兹共振器的截面图；

图4是本发明带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷模型设计流程图。

图中：1-定子叶片，2-定子轮毂，3-叶轮叶片，4-叶轮轮毂，5-导管，6-环肋，7-纵肋，8-两并联共振腔亥姆霍兹共振器，9-两并联颈部亥姆霍兹共振器。

具体实施方式

下面通过图1～图4以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围。

实施例一

如图1所示，本发明设计的带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷推进器模型，包括导管5，所述导管5内设有同轴的叶轮和定子，所述定子前置，所述叶轮后置；所述叶轮包括叶轮叶片3和叶轮轮毂4，所述叶轮叶片3周向对称固定于叶轮轮毂4；所述定子包括定子叶片1和定子轮毂2，所述定子叶片1固定于定子轮毂2且定子叶片1叶梢固定于导管5的内壁面；导管内部肋骨结构包括环肋6和纵肋7，环肋6轴向初始等间隔布置，纵肋7周向非均匀布置；两并联共振腔亥姆霍兹共振器8位于导管内部前端的第1根环肋前方，两并联颈部亥姆霍兹共振器9位于导管内部后端的最后1根环肋后方。与无亥姆霍兹共振器的基准泵喷模型相比，该布置结构能够在不影响水动力性能的条件下减小泵喷叶频和2倍叶频处线谱噪声，进而控制低频辐射噪声，进一步降低总的辐射噪声。

本实施例中，所述定子叶片1的叶数和叶轮叶片3的叶数互质。定子叶片1的叶数优选为11叶，叶轮叶片3的叶数优选为9叶。

本实施例中，所述叶轮叶片3的叶梢截面与导管5内壁面之间设有叶顶间隙。本例中，所述叶顶间隙与叶轮直径的比值为3‰。

本实施例中，叶轮叶片3侧斜角等于相邻的叶轮叶片3之间夹角的一半，侧斜角为优选为20度。

作为本实施例的一种改进方式，叶轮叶片3从叶根到叶梢截面，侧斜角按给定规律增加，不同半径截面处的侧斜角数学表达式为：

其中，θsmax是叶梢截面侧斜角，用于描述叶轮叶片的侧斜角；rh是叶轮轮毂半径，r是叶轮半径，r是叶轮叶片上任一截面半径，θs是半径r截面处的侧斜角。

本实施例中，定子叶片1和叶轮叶片3均采用naca16翼型厚度分布。

本实施例中，所述导管5的内外壁面截面轮廓为翼型，导管内外壁面厚度均为10mm。导管内部包含6根环肋和7根纵肋，环肋和纵肋截面厚度均为15mm。

本实施例中，所述两并联共振腔亥姆霍兹共振器8的颈部截面直径10mm、颈部长度12mm、大共振腔体积0.4m³、小共振腔体积0.1m³。颈部截面位于共振腔中央位置，成x形排列。

本实施例中，所述两并联颈部亥姆霍兹共振器9的颈部截面直径6mm、颈部长度7mm、共振腔体积0.06m³。颈部截面位于周向45度角位置，成x形排列。

实施例二

本发明设计的带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷模型设计方法的流程图如图4所示，

步骤s1，依据设计要求进行泵喷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s2，确定泵喷前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投影几何；二维轴面投影几何包括定子叶片导边和随边、定子轮毂、叶轮叶片导边和随边、叶轮轮毂、导管内壁面和外壁面的轴面投影。

步骤s3，由步骤s1和步骤s2所得结果采用参数化三元逆向设计方法(详见申请人专利：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，cn105117564a，2015-12-02)确定定子、叶轮的三维几何形状；由步骤s1和步骤s2所得结果将导管内外壁面的二维轴面投影几何沿轴向旋转得到中空导管三维几何形状；

设计定子和叶轮叶片三维几何形状时：定子叶片随边采用递增型环量分布、叶轮叶片导边采用二次方环量分布；定子和叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。

步骤s4，采用计算流体力学方法计算步骤s3所得模型在设计航速、转速和伴流条件下泵喷的水动力性能，判断泵喷轴向推力、消耗功率、推进效率和空化性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤s2修改相应的二维轴面投影几何，并调整定子和叶轮在三元逆向设计过程中的叶片表面负载分布规律，重新设计定子和叶轮三维几何形状；

步骤s5，引入叶轮叶片大侧斜特征：使叶轮叶片侧斜角大于相邻叶片之间夹角的一半；

带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷水力模型中叶轮叶片具有大侧斜特征所指为：叶轮叶片侧斜角大于相邻叶片之间夹角的一半，本实施例中侧斜角取为20度，侧斜程度为50％。叶轮叶片从叶根到叶梢截面，侧斜角按给定规律增加，不同半径截面处的侧斜角数学表达式为：

其中，θsmax是叶梢截面侧斜角，用于描述叶轮叶片的侧斜角，本实施例中取为20度；rh是叶轮轮毂半径，r是叶轮半径，r是叶轮叶片上任一截面半径，θs是半径r截面处的侧斜角。

步骤s6，采用计算流体力学方法计算步骤s5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，求取泵喷水力模型的脉动推力系数，并由理论公式计算得到泵喷叶频和2倍叶频处的线谱噪声，若线谱噪声大于噪声指标值3db以上，则回到步骤s2增加定子叶片和叶轮叶片的轴向距离；若否，则进行下一步；

线谱噪声计算理论公式所指为：

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，则线谱噪声谱源级就可以确定。

步骤s7，在步骤s6所得模型基础上增加泵喷导管内外截面厚度、增加中空导管内部的环肋和纵肋结构，确定导管内部前端两并联共振腔亥姆霍兹共振器的几何尺寸，包括颈部截面积、颈部长度和共振腔体积，并采用有限元方法计算共振器的共振频率，判断共振频率是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若共振频率偏离泵喷叶频和2倍叶频大于5％，则通过改变共振器颈部截面积或者是同时改变颈部截面积和共振腔体积来调整共振频率；共振腔体积改变通过调整包围共振腔的纵肋周向角度位置来完成。

如图2所示，导管内部前端的两并联共振腔亥姆霍兹共振器数量为2，呈左右舷对称分布。共振器轴向位于第1根环肋前方，周向位于左右舷侧中间。单个共振器的两并联共振腔由单条纵肋周向隔开，两共振腔体积之比为4：1。左舷侧大共振腔位于上方，右舷侧大共振腔位于下方。两个共振器中四处颈部截面积相同、四处颈部长度也相同。

颈部截面积、颈部长度和共振腔体积之间满足以下关系式：

其中，bpf是泵喷叶频，bpf＝叶片数*转速(r/s)；c为声速；ac和lc分别是颈部截面积和颈部长度，v1和v2分别是大共振腔和小共振腔体积。

步骤s8，在步骤s7所得模型基础上确定导管内部后端两并联颈部亥姆霍兹共振器的几何尺寸，包括颈部截面积、颈部长度和共振腔体积，并采用有限元方法计算共振器的共振频率，判断共振频率是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若共振频率偏离泵喷2倍叶频大于5％，则通过改变共振器颈部截面积或者是改变颈部截面积的同时回到步骤s7改变共振腔体积来调整共振频率。共振腔体积改变通过调整最后1根环肋的轴向位置来完成。

如图3所示，导管内部后端的两并联颈部亥姆霍兹共振器数量为2，呈左右舷对称分布。单个共振器中两处颈部截面积相同、颈部长度也相同。颈部截面积、颈部长度和共振腔体积之间满足以下关系式：

其中，ac2和lc2分别是颈部截面积和颈部长度，v3是共振腔体积。

步骤s9，采用有限元方法计算校核泵喷定子-导管整体结构的强度，若满足国军标要求，则进行下一步；若否，则回到步骤s7增加环肋和纵肋截面厚度；

步骤s10，确定带亥姆霍兹共振腔的前置定子泵喷推进器模型。

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。