一种适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型的制作方法

本发明属于船舶推进器技术领域，特别是涉及具有临界航速高、辐射噪声低特征，可以用于水下航行潜器推进的泵喷推进器。

背景技术：

随着机械式泵喷推进器(简称泵喷，泵喷转子由舱内推进电机驱动，存在推进轴系)在世界海军强国主战潜艇上的成功应用，如“海狼”级、“弗吉尼亚”级和“机敏”级攻击型潜艇以及“北风之神”级弹道导弹核潜艇等，均应用外置泵喷为主推进器，且“弗吉尼亚”级潜艇装备外置无轴驱动式泵喷推进器(简称无轴泵喷，推进电机从舱内移出，与泵喷完全集成在一起，工作时浸泡于海水中，取消推进轴系)为辅推，以及下一代“俄亥俄”级改进型战略导弹核潜艇应用外置无轴泵喷作为主推进器的研制计划定型，泵喷推进技术已经成为新型潜艇减振降噪的顶层核心技术之一。

与7叶大侧斜螺旋桨(简称7叶桨)相比，泵喷的理论技术优势是：空化更晚、噪声更低、高效区范围更广。除去泵喷本身比7叶桨结构部件更多，水力设计难度更大外，美国ad报告([1]furuyao，chiangwl.anewpumpjetdesigntheory一种新的泵喷设计理论[r].tetratech.inc.reportno.tc-3037，1986.)还阐明：泵喷与7叶桨的显著差异在于，泵喷能够更加有效的利用艇体边界层来流，使得进入泵喷叶栅通道的迟滞来流速度明显低于艇体航速，同时泵喷出流速度极端接近航速，从而使得艇体-泵喷推进系统的能量损失非常少。该技术优势主要来源于导管存在将泵喷绕流分为内、外流场，艇体和导管边界层流的共同作用，使得泵喷进流在径向先增加后迅速减小再单调增加，速度梯度大且存在拐点([2]杨琼方，王永生.泵喷推进器的低噪声设计机理与设计应用[m].武汉:华中科技大学出版社，2016.)，与7叶桨进流沿径向单调增加不同。可以说：与7叶桨相比，泵喷进流速度分布更加复杂，对艇尾伴流速度分布更加敏感，与艇体尾翼构型之间的水动力相互作用更强。因此，泵喷设计时更加需要重视艇体尾翼构型的设计。

从现有装备的泵喷推进工程应用来看，“海狼”级和“弗吉尼亚”级泵喷推进潜艇均采用“木”字形艇体尾翼构型，“凯旋”级泵喷推进潜艇采用“工”字形艇体尾翼，同时泵喷推进鱼雷多采用x形尾翼，均不同于当前7叶桨推进潜艇常用的十字形尾翼构型。此外，从船坞中“弗吉尼亚”级潜艇ssn-789的建造照片可以看出，艇体尾锥段小端与大端的直径比大于0.35，明显不同于7叶桨前方十字翼所在的尾锥段小端与大端直径比一般小于0.15，锥度更小，与泵喷的毂径比通常大于7叶桨相对应。上述实践应用表明：十字形艇体尾翼构型不再是适应泵喷进流的良配，要想充分发挥泵喷低噪、抗空化和效率适中的潜在技术优势，必须优化改进艇体尾翼构型，从流场细节特征入手定量设计新的尾翼构型。

在艇体尾翼构型设计方面，在中国专利网中以“潜艇舵翼”或“艇体尾翼构型”或“x形舵”或“潜艇附体”为关键词进行检索时，未能检索到相关应用。即使是在中国知网学术应用数据库中以“潜艇舵翼”或“艇体尾翼”为主题检索时，研究报道也主要集中于带典型十字翼和木字翼构型的艇体操纵过程中水动力系数的差异以及对螺旋桨伴流分布的影响，未发现艇体尾翼-泵喷推进系统相关的论述。主要原因是：国内泵喷推进工程应用仍处于起步阶段，当前的关键技术攻关主要集中于泵喷自身的叶型设计上，尚未能兼顾到整个泵推系统。

从泵推技术的应用价值来看，虽然一定程度上受限于军事应用领域的敏感性，但当前水下无人航行潜器、载人深潜器、蛙人运载器等民用海洋资源开发的过程中，同样需要应用上述技术，该技术革新所带来的市场经济价值照样不可忽视，因此，有必要在民用船舶推进领域中同步研发并大力推广该项技术。

技术实现要素：

本发明针对上述背景技术存在的问题，提供一种适应泵喷推进器进流的艇体尾翼构型及其流场特征，并在流场特征量化分析过程中首次对比阐述了周向对称星形艇体尾翼构型与非对称星形艇体尾翼构型的差异，能够有效控制泵喷非定常力与低频线谱噪声。

一种适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型，包括x形主舵翼和水平固定辅翼，水平固定辅翼与艇体尾锥段大端之间的轴向距离小于x形主舵翼与艇体尾锥段大端之间的轴向距离，x形主舵翼和水平固定辅翼的径向高度均不大于艇体的最大直径，x形主舵翼叶根前端与艇体尾锥段大端的轴向距离为13％l，x形主舵翼叶根后端与泵喷进口面的轴向距离为0.502d，其中，l为艇长，d为艇体最大直径。

较佳地，水平固定辅翼与艇体尾锥段大端之间的轴向距离比x形主舵翼与艇体尾锥段大端之间的轴向距离小3％l。

较佳地，星形艇体尾翼下游桨盘面处的面积平均轴向速度分量占合速度的比值为99％～100％。

较佳地，星形艇体尾翼将泵喷进流的主涡束分裂成多束小涡。

较佳地，星形艇体尾翼下游桨盘面处的最大湍流速度脉动量小于相同翼型截面的十字翼，伴流不均匀度和最大湍流速度脉动量小于相同翼型截面的木字翼。

较佳地，星形尾翼所在的艇体尾锥段小端与大端的直径比为0.202，且星形艇体尾翼与前置定子式大侧斜泵喷装配时，航速6节条件下泵喷轴向非定常力与时均力的比值为1‰。

较佳地，星形艇体尾翼的翼型截面形状与公开标准模型潜艇suboff相同。

较佳地，x形主舵翼和水平固定辅翼的叶梢端面至桨轴中心的径向距离均等于艇体最大半径。

本发明的有益效果在于：所述星形艇体尾翼构型桨盘面处的面积平均轴向速度分量占合速度的比值大于99％，泵喷设计时可以仅考虑轴向伴流影响。所述星形艇体尾翼构型与相同翼型截面的十字翼相比，同一艇体相同航速下艇尾桨盘面处最大湍流速度脉动量减小，并且泵喷推进时，星形翼将泵喷进流的主涡束分裂为多束小涡，提高泵喷进流与叶片之间的相互作用辐射噪声频率，有利于抑制最为突出的低频噪声；所述星形艇体尾翼构型与相同翼型截面的木字翼相比，同一全附体艇体相同航速下的艇体总阻力、桨盘面处伴流不均匀度和最大湍流速度脉动量均减小，有利于减小艇尾泵喷的轴向非定常力，控制低频线谱噪声。所述星形艇体尾翼构型中水平固定辅翼与相邻主舵翼之间的周向夹角由上下对称45度变为非对称时，艇尾泵喷轴向时均力几乎不变但轴向非定常力增加，低频线谱噪声增加。所述星形艇体尾翼构型为定子13叶、转子9叶的前置定子式大侧斜泵喷提供进流时，泵喷轴向非定常力与时均力的比值仅为1‰，小于某鱼雷x形舵翼后方转子7叶、定子9叶的后置定子式泵喷，星形艇体尾翼构型-泵喷水动力匹配设计较佳。

本发明适应泵喷推进器对进流敏感且与艇体尾翼构型相互作用强烈的设计需求。该设计方案可以直接用于指导潜艇低噪声泵喷推进器的设计，该技术措施推广应用后可进一步促进潜艇和鱼雷低噪声推进器设计水平的提升。本发明首次提出的适应泵喷进流特征的星形艇体尾翼设计方案，能够有效填补国内泵推技术方面的缺项，有力促进国内舰艇用高性能泵喷的自主研发和推广应用。

附图说明

图1是本发明适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型三维几何模型；

图2是本发明适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型-前置定子泵喷的总体装配图；

图3是本发明适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型桨盘面处湍流速度脉动量云图分布与十字翼艇尾的比较示意图；

图4是本发明适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型下游处泵喷进流面的涡量场分布；

图5是本发明适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型桨盘面处轴向速度分量云图分布与木字翼艇尾的比较示意图；

图6是本发明适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型下游处泵喷轴向非定常总推力和转子轴向力与辅翼周向非对称分布时的比较。

具体实施方式

下面通过图1～图6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。

本发明设计的适应泵喷推进器进流的星形艇体尾翼构型，包括x形主舵翼1和水平固定辅翼2，水平固定辅翼2与艇体尾锥段大端6之间的轴向距离比x形主舵翼1与艇体尾锥段大端6之间的轴向距离小3％l，主舵翼和辅翼所在的艇体尾锥段3小端与大端的直径比0.202，具有抑制泵喷非定常力和降低泵喷辐射噪声的特征。本实施例中，所述x形主舵翼叶根前端4轴向距离艇体尾锥段大端6为13％l、后端5轴向距离泵喷进口面7为0.502d(d为艇体最大直径)，下游桨盘面处8的面积平均轴向速度分量占合速度的比值大于99％，泵喷设计时可以仅考虑轴向伴流影响。

图1所示为星形艇体尾翼构型三维几何模型，图2是星形艇体尾翼构型-前置定子泵喷的总体装配图。

x形主舵翼和水平固定辅翼的径向高度均不大于艇体的最大直径，本实施例中，x形主舵翼和水平固定辅翼的叶梢端面至桨轴中心的径向距离均等于艇体最大半径，实现尾翼径向不超出艇体。

本实施例中，所述星形艇体尾翼构型与相同翼型截面的十字翼相比，同一艇体相同航速下艇尾桨盘面处最大湍流速度脉动量(k为湍动能)减小，如图3中所示，并且泵喷推进时，星形翼将泵喷进流的主涡束分裂为多束小涡，如图4中所示，提高泵喷进流与叶片之间的相互作用辐射噪声频率，有利于抑制最为突出的低频噪声。

本实施例中，所述星形艇体尾翼构型与相同翼型截面的木字翼相比，同一艇体相同航速下的艇体总阻力、桨盘面处伴流不均匀度和最大湍流速度脉动量均减小，有利于减小艇尾泵喷的轴向非定常力，控制低频线谱噪声。

图5所示为给定航速下星形艇体尾翼构型下游桨盘面处的轴向速度分量分布云图与木字形尾翼的比较。其中，左图为木字翼，伴流不均匀度为0.113；右图为星形翼，伴流不均匀度为0.112。其中，伴流不均匀度ξ的定义式为：

式中，q为体积流量，a为面积，v为速度，ρ为基于面积平均的速度。

本实施例中，所述星形艇体尾翼构型中水平固定辅翼与上下相邻主舵翼之间的周向夹角均为45度，当改变水平固定辅翼的周向角度时，如变为上夹角60度、下夹角30度，艇尾泵喷的轴向时均力几乎不变，但是，泵喷轴向非定常总推力和转子轴向非定常力均显著增加，如图6中所示，导致低频线谱噪声增加，不宜采用。

本实施例中，所述星形艇体尾翼构型的翼型截面形状与公开标准模型潜艇suboff相同。

本实施例中，所述星形艇体尾翼构型与定子13叶、转子9叶的前置定子式大侧斜泵喷装配时，航速6节条件下泵喷轴向非定常力与时均力的比值仅为1‰，比某鱼雷x形舵翼后方转子7叶、定子9叶的后置定子式泵喷更小，表明星形型与泵喷之间的水动力匹配设计较佳。

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。