新型前置侧斜导叶式泵喷推进器及其设计方法

摘要

本发明提供了一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器及其设计方法，包括前置侧斜导叶、后置叶轮、环状导管、支撑轴承、旋转轴，其中导叶轮毂和后置叶轮均同轴设置于环状导管的内部；前置侧斜导叶均匀倾斜设置于导叶轮毂的外壁并与环状导管固定连接；旋转轴依次同轴穿过导叶轮毂和后置叶轮，旋转轴末端设置有导流帽，后置叶轮位于导叶轮毂和导流帽之间；后置叶轮固定套接于旋转轴外部并由旋转轴驱动做功，旋转轴通过的滑动支撑轴承同轴支撑于导叶轮毂内部。本发明有效降低辐射噪声，提高结构强度，适合于水下航行体的抗冲击和低噪声推进。

说明书

技术领域

本发明属于泵喷水推进领域，具体涉及一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器及其设计方法。

背景技术

随着马航MH370航难事件的发生和相关搜救工作的开展，美国“蓝鳍金枪鱼”自主式航行器不断进入人们的视线，民众对水下探测器的重要性有了进一步的认识。声隐身性是水下航行体的重要性能指标之一，也是水下航行体完成使命任务的重要保障，它不仅决定了自身声纳和信号接收装置的作用范围，同时还显著影响了自身被对方声纳探测的概率。推进器作为水下航行体推进系统中的核心组成，其对水下航行体声隐身性能起着至关重要的作用。这是因为：一方面，随着舱笩、浮筏、隔振器、柔性接管等减震降噪技术的出现，水下航行体的机械噪声逐渐得到了有效治理和控制；另一方面，推进器经由进水管路的直接辐射噪声是无法通过隔振设备消除，其辐射噪声的降低只能通过低噪声推进器的设计来解决。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器及其设计方法，有效降低辐射噪声，提高结构强度，适合于水下航行体的抗冲击和低噪声推进。

本发明提供了一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器，包括前置侧斜导叶、后置叶轮、环状导管、支撑轴承、旋转轴，其中导叶轮毂和后置叶轮均同轴设置于环状导管的内部；前置侧斜导叶均匀倾斜设置于导叶轮毂的外壁并与环状导管固定连接；旋转轴依次同轴穿过导叶轮毂和后置叶轮，旋转轴末端设置有导流帽，后置叶轮位于导叶轮毂和导流帽之间；后置叶轮固定套接于旋转轴外部并由旋转轴驱动做功，旋转轴通过的滑动支撑轴承同轴支撑于导叶轮毂内部。

所述后置叶轮进口环量等于前置侧斜导叶出口的环量。

一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器的设计方法，包括以下步骤：

a.根据目标泵喷水推进器的流量、扬程、转速进出口尺寸以及扬程的定义式，计算出后置叶轮的叶片进出口环量；

b.在后置叶轮叶片径向方向选择三个以上特征截面，其中选取后置叶轮轮毂半径所在截面为一个特征截面，选取后置叶轮轮缘半径所在截面作为另一个特征截面，剩余的特征截面在后置叶轮轮毂半径所在截面与后置叶轮轮缘半径所在截面之间均匀选取，将最接近于后置叶轮轮缘半径所在截面的特征截面作为环量最大截面；

c.将第a步计算出的后置叶轮进出口环量作为环量最大截面的环量值，后置叶轮轮毂半径所在截面的进出口环量取值取为环量最大截面环量值乘以毂径比倍数，后置叶轮轮缘半径所在截面进出口环量取值取为环量最大截面环量值的0.5倍或以下，其余特征截面进出环量取值通过线性插值求得；

d.前置侧斜导叶出口的环量取值为后置叶轮进口的环量；

e.根据前置侧斜导叶出口的环量和后置叶轮进出口的环量完成后置叶轮和前置侧斜导叶叶片的三元设计；

f.选取前置侧斜导叶叶片的侧斜比例，其中侧斜比例为50％以上，侧斜角度沿叶片径向采用线性分布形式；

g.选取导管外壁面形状，采用流动性能较好的翼型结构；

h.借助高性能计算机平台，运用数值试验手段对泵喷推进器的推进性能进行计算和评估；

i.判断设计结果是否满足设计指标，若未满足设计指标，将进行循环迭代设计，不断修改后置叶轮及前置侧斜导叶叶片的环量、前置侧斜导叶叶片的侧斜角度，直到满足设计指标。

本发明的前置倾斜导叶处于后置叶轮进流的前方，一方面使做功叶轮的进流更为均匀，另一方面使得泵喷水推进器的动静干涉区域在做功叶轮的前方，其强度要明显小于叶轮做功后的高速高压出口区出现的动静干涉。本发明的前置侧斜导叶使得船/艇尾的高伴流区沿着导叶半径剖面渐次进入叶轮进口，从而达到减小叶轮桨叶激励力的目的。同时，本发明采用前置侧斜导叶可以有效降低做功叶轮的侧斜和扭曲变形，进而有效的增加了叶轮结构强度。本发明的前置倾斜导叶叶稍适当降低载荷并与叶轮载荷匹配，达到了抑制泵喷叶轮稍涡流动和降低推进器噪声的目的。

附图说明

图1是本发明结构示意图a；

图2是本发明结构示意图b；

其中，1-前置侧斜导叶；2-后置叶轮；3-导管；4-导流帽；5-导叶轮毂；6-支撑轴承；7-旋转轴，8-后置叶轮轮毂半径所在截面，9-后置叶轮轮缘半径所在截面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图所示，本发明提供了一种新型前置侧斜导叶式泵喷推进器，其特征在于：它包括前置侧斜导叶1、后置叶轮2、环状导管3、支撑轴承6、旋转轴7，其中导叶轮毂5和后置叶轮2均同轴设置于环状导管3的内部；前置侧斜导叶1均匀倾斜设置于导叶轮毂5的外壁并与环状导管3固定连接；旋转轴7依次同轴穿过导叶轮毂5和后置叶轮2，旋转轴7末端设置有导流帽4，后置叶轮2位于导叶轮毂5和导流帽4之间；后置叶轮2固定套接于旋转轴7外部并由旋转轴7驱动做功，旋转轴7通过的滑动支撑轴承6同轴支撑于导叶轮毂5内部。所述后置叶轮2进口环量等于前置侧斜导叶2出口的环量。

上述新型前置侧斜导叶式泵喷推进器的设计方法包括以下步骤：

a.根据目标泵喷水推进器的流量、扬程、转速进出口尺寸以及扬程的定义式，计算出后置叶轮的叶片进出口环量。计算时采用叶片载荷大小来表示叶片做功的强弱，实际上载荷分布即是叶片环量分布。泵类推进器的进出口环量差决定了推进器的扬程，扬程的高低决定了推进器做功能力的大小。根据《现代泵理论与设计》中扬程的定义式可知扬程Ht＝ω(г₂-г₁)/(2gπ)，其中ω表示角速度，г＝2πRv_u表示叶轮剖面的环量，下标1和2代表了进口和出口位置。

b.在后置叶轮叶片径向方向选择5个特征截面，其中选取后置叶轮轮毂半径所在截面8为百分比作为0的特征截面，选取后置叶轮轮缘半径所在截面9作为百分比作为1的特征截面，剩余的特征截面在后置叶轮轮毂与后置叶轮轮缘之间均匀选取，后置叶轮轮毂与后置叶轮轮缘之间选出三个特征截面25％，50％，75％，将最接近于1的百分比特征截面作为环量最大截面，即将75％的特征截面作为环量最大截面；

c.将第a步计算出的后置叶轮进出口环量作为环量最大截面的环量值，百分比为0的特征截面的进出口环量取值取为环量最大截面环量值乘以毂径比倍数，百分比为1的特征截面的进出口环量取值取为环量最大截面环量值的0.5倍或以下，其他特征截面进出环量取值通过线性插值求得；

d.前置侧斜导叶出口的环量取值为后置叶轮进口的环量，即是匹配前置倾斜导叶载荷与后置叶轮载荷。另外，根据低噪声推进器设计的实践经验，空泡是推进器的重要噪声源，而推进器桨叶稍部是线速度最高的部位，也是最容易出现空泡的位置。本发明通过降低前置侧斜导叶叶稍的载荷(环量)达到抑制泵喷叶轮稍涡流动和降低推进器噪声的目的。

e.根据前置侧斜导叶出口的环量和后置叶轮进出口的环量完成后置叶轮和前置侧斜导叶叶片的三元设计(参考文献《混流式喷水推进泵三元设计及数值试验》，靳栓宝)；

f.选取前置侧斜导叶叶片的侧斜角，其中侧斜比例为50％或以上，侧斜角度沿叶片径向采用线性分布形式；使得船/艇尾的高伴流区沿着导叶半径剖面渐次进入叶轮进口，从而达到减小叶轮桨叶激励力的目的。同时，本发明采用侧斜导叶可以有效降低做功叶轮的侧斜和扭曲变形，进而有效的增加了叶轮结构强度。其中叶片侧斜角是指叶梢切面的侧斜角，当桨叶侧斜角位移正好等于360°/Z(Z为叶片数)时称为100％侧斜，当侧斜大于或等于50％时称为大侧斜。

g.选取导管外壁面形状，采用流动性能较好的翼型结构；

h.借助高性能计算机平台，运用数值试验手段对泵喷推进器的推进性能进行计算和评估(参考文献《基于数值试验及实船试航的喷水推进器改型设计》，靳栓宝)；

i.判断设计结果是否满足设计指标，若未满足设计指标，将进行循环迭代设计，不断修改后置叶轮及前置侧斜导叶叶片的环量、前置侧斜导叶叶片的侧斜角度，直到满足设计指标。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。