CN104112040A - 高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，包括如下步骤：喷水推进泵水力参数的选型设计，确定二维轴面投影几何，采用参数化三元逆向设计方法获得叶轮和导叶的三维几何形状，周向旋转得到收缩喷口的三维几何形状，将叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状组合得到喷水推进泵水力模型。本发明具有设计周期短、设计质量高的显著特点，可快速、可靠设计出同时具有高效、紧凑、大功率密度特征的喷水推进泵水力模型。通过参数化三元逆向设计叶轮和导叶叶片几何，解决了高速船舶喷水推进泵研发过程中在尽量保持紧凑的条件下同时提高效率、抑制空化和增加功率密度的难题。

Description

高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法

技术领域

本发明涉及高航速船舶推进器技术领域，具体是涉及用于推进高航速水面船舶的喷水推进泵水力模型的设计方法具有高效率、优良抗空化性能、直径紧凑和大功率密度特征，。

背景技术

船舶喷水推进是一种有别于螺旋桨推进的推进方式，诞生于1661年英国人Thomas Toogood和James Hayes申请的一项专利，要比英国人Hooke发明螺旋桨早19年([1]Roy S M.The Evolution of theModern Waterjet Marine Propulsion Unit(现代船舶喷水推进器的演变).Proceedings of the International Conference of Waterjet Propulsion1,RINA,London,1994.)。经历了长时间的改进和应用后，当前喷水推进已在世界各国海军高速、高性能舰船上得到广泛应用。美国海军21世纪三型主战舰艇中已服役的多用途滨海战斗舰LCS全部采用了喷水推进，包括2艘“自由”号单体船和2艘“独立”号三体船，其中，排水量超过3000吨的单体船额定航速甚至达到了47节，接近高速鱼雷(50节)的设计航速范围。并且，三型舰艇中担负海上火力支援和对陆攻击作战的一级驱逐舰DD(X)的1/4尺度先进电力演示舰SeaJet也采用了英国Rolls-Royce公司的先进喷水推进器AWJ-21^TM([2]Rice Andrew.Ship Demonstrator Tests New Waterjet Technology,In-depth Issue10,2005.)。与此同时，南非海军已经服役的4艘3500吨级的MEKO A-200隐身护卫舰也使用了喷水推进器，用于该舰的高速推进。上述应用表明，喷水推进器用于驱动大、中型驱、护舰艇是完全可行的。但其获得应用的前提条件是：要能自主设计研发优秀的、适于高航速、高性能船舶推进的喷水推进器水力模型。喷水推进器由进水流道、喷水推进泵、喷口、转向倒车机构组成。喷水推进泵由周向旋转的叶轮和静止的导叶叶栅组成，喷口与导叶采用整体铸造完成。因喷水推进泵是喷水推进器的核心部件，所以，关键制约因素转变为了优秀喷水推进泵水力模型的设计研发。优秀的具体内涵是：效率高、抗空化能力强、安装法兰直径小、功率密度大。其中，效率和空化性能应集成考虑，应在无空化产生的条件下尽可能提高效率；直径小和功率密度大是在满足效率和空化性能的条件下尽可能使泵的特征尺寸紧凑、同时泵单位进口面积对应的吸收功率满足船舶设计航速需求。

当前，船舶喷水推进泵主要集中于混流式和轴流式两种。在国际船舶喷水推进器市场中应用最为广泛的KaMeWa公司SII系列喷水推进器即采用了混流式泵设计，国内已引进的KaMeWa71SII喷水推进器中泵效率为88～89％，在设计航速40节时无空化产生，属于效率高、抗空化能力强的喷水推进泵。尽管设计优良的混流式喷水推进泵具有高效率、抗空化的显著优点，但随着喷水推进应用舰船的高速化和大型化，瘦长型船体的艉板面积相对于船体主尺度来说并未显著增加，所以对喷水推进泵的紧凑型和大功率密度的要求也变得同等重要。紧凑型意为在相同功率情况下，船体艉板需要的泵安装法兰直径更小。CDI船舶公司系统研发部通过统计得出的结论是：在相同直径和相同推力单元下，混流泵安装法兰直径约为泵进口直径的1.7到1.8倍，而轴流泵法兰直径仅为泵进口直径的1.2到1.25倍，比混流泵小约30％([3]Lavis D R,Forstell B G,Purnell J G.Compact Waterjets forHigh-speed Ships,5th International Conference on High PerformanceMarine Vehicle,Australia,2006.)。也就是说，在相同船体尾板安装条件和泵进口直径下，安装3台轴流泵比安装2台混流泵能够多提供约50％的推力。在美国海军水面战研究中心(NSWCCD)、海军研究计划署(ONR)和船舶推进器公司(MPC)的联合资助下，CDI船舶公司系统研发部于2003年为满载排水量8510吨、航速50节、4台燃气轮机驱动4套喷水推进器的高速单体船成功研发了一型功率42.5MW、进口直径2.286m的轴流式喷水推进泵([4]CDI MarineCompany.Development of an Advanced Waterjet Propulsor Concept forHigh-speed Sealift Applications,CCDoTT Report,Contract No.N66001-02-D-0039,2003.)，具有丰富的研发经验，给出的统计结论也是可信的。该设计经验表明，紧凑式喷水推进泵的轮缘外形应为轴流式的等直径分布。大功率密度是相对于当前水面舰艇中主要使用的五叶大侧斜可调螺距螺旋桨而言的。国际著名的推进器厂商Wartsila公司统计得出的现代设计优良的螺旋桨在设计航速20～28节范围内功率密度为1000～1500kW/m²([5]Beek Teus.Technology Guidelines forEfficient Design and Operation of Ship Propulsors,The Ship PowerSupplier,Marine News,2004.)。螺旋桨功率密度的含义是单位桨盘面面积所吸收的功率，与之对应，喷水推进泵功率密度是指单位泵进口面积所吸收的功率。因此，大功率密度是要求喷水推进泵在满足高效、无空化、直径紧凑的条件下功率密度明显大于1500kW/m²。

值得注意的是，喷水推进泵设计时提高效率和抑制空化产生是一对矛盾体。为了尽可能提高空化裕度(无空化产生的航速范围区间)，同时又做到直径紧凑，Wartsila公司的Norbert Bulten博士于2008年提出了一项突破传统设计的喷水推进泵设计理念([6]Bulten Norbert.A Breakthrough in Waterjet Propulsion Systems,Doha InternationalMaritime Defense Exhibition and Conference,Qatar,2008.)：因混流泵能够达到的效率最高，采用具有轴流泵外形的混流泵设计后，在相同设计航速要求下能够将空化裕度提高6节的航速范围，同时能够减小船体艉板法兰直径约17％。

在评估喷水推进泵性能时，通常是由相似设计理论将实尺喷水推进泵缩小为模型尺度，然后通过模型试验测量或者是可信数值预报来给出模型泵的性能曲线。具体的缩尺比由物理模型试验装置的几何尺寸决定。在进行缩放时，要同时满足实尺泵与模型泵的比转速相等、流量系数相等、扬程系数相等，即同时满足两者的抗空化能力相同、设计工况相同、单位面积的做功能力相同。CDI船舶公司系统研发部在评估其研发的先进轴流式喷水推进泵时即采用了缩尺比为1:12的模型泵。值得注意的是，实尺泵相对于其模型泵来说，效率会增加约1～2％。原因是：实尺泵的雷诺数比模型泵通常要大2个量级。该尺度效应影响与经典的螺旋桨表现出的变化规律是类似的([7]Carlton JS.Marine Propellers and Propulsion,Second Edition,Elsevier Ltd.,Netherlands,2007.)。

在船舶喷水推进泵水力模型研发方面，目前国内完全具有自主知识产权的应用案例还比较少，特别是高速船舶推进用的大功率喷水推进泵基本上还处于国外知名喷水推进器厂商垄断阶段。在中国专利网中以喷水推进泵为关键词进行检索，与船用喷水推进泵密切相关的仅有5项，包括改善喷水推进泵安装结构的发明专利(申请号：201310462631.0，公开号：CN103527521A，喷水推进泵，2014.01.)、描述轴流式喷水推进泵具体结构部件的发明专利(申请号：201110199640.6，公开号：CN102285441A，一种轴流喷水推进泵，2011.12.)(该专利同时也申请了实用新型专利)、公开两栖车辆用轴流式喷水推进泵水力模型参数的实用新型专利(申请号：98248128.4，公开号：CN2350312Y，两栖车辆喷水推进器，1999.11.)、以及公开一种两级叶轮对转以限制振动的轴流式喷水推进器的发明专利(申请号：201310568056.2，公开号：CN103569338A，一种新型高效低噪声低振动泵喷水推进器，2014.02.)。可以看出，高效、紧凑、大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计研发方面还非常薄弱。

发明内容：

本发明为了解决上述问题，提供高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，

为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为：

高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，确定喷水推进泵的叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状，将叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状组合得到喷水推进泵水力模型，确定叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状的方法包括如下步骤：1)依据设计要求进行喷水推进泵水力参数的选型设计；2)确定喷水推进泵叶轮、导叶和收缩喷口的二维轴面投影几何；3)根据经验选定叶轮和导叶的叶片数；依据步骤1)所确定的水力参数，结合步骤2)给定的叶轮和导叶的叶片轴面投影形状，求得叶轮和导叶叶片上的负载，所述负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差；根据负载从船舶推进器设计翼型库中选定叶截面翼型；结合所求的负载中叶轮和导叶叶片上的负载沿径向分布和沿轴向分布规律、叶截面翼型和所选定叶轮和导叶的叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状；4)将收缩喷口的二维轴面投影几何周向旋转得到收缩喷口的三维几何形状。

较佳地，水力参数包括：扬程 $H=[{\mathrm{\μ}}^2(1+\mathrm{\ψ})-\mathrm{\β}]\frac{V_0^2}{2g},$ 流量 $Q=\frac{P_D{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_P{\mathrm{\η}}_r}{\mathrm{\ρgH}},$ 喷口直径 $D_j=\sqrt{\frac{4Q}{{\mathrm{\πV}}_j}},$ 泵的比转速 $N_S=\frac{\mathrm{\Ω}\sqrt{Q}}{{\left(\mathrm{gH}\right)}^{3/4}},$ 吸口比转速 $N_{\mathrm{SS}}=\frac{\mathrm{\Ω}\sqrt{Q}}{{\mathrm{NPSH}}^{3/4}},$ 式中，ψ是喷口能量损失系数，分析时取0.01；β是船体边界层流对喷水推进器的动能影响系数；V₀是设计航速；μ是喷射比，喷口速度V_j与航速V₀的比值；η_m是轴系传动效率；η_P是泵效率；η_r是泵相对旋转效率；P_D是与有效功率对应的主机输出功率；ρ是水的密度；g是重力加速度；Ω(rad/s)为泵的旋转角速度，体积流量Q的单位是m³/s，扬程H的单位是m；其中，P_a是大气压力，P_v是汽化压力。

较佳地，叶轮二维轴面投影几何包括叶轮轮毂、轮缘、叶片导边和随边，导叶二维轴面投影几何包括导叶轮毂、轮缘、叶片导边和随边；叶轮轮缘直径等于泵进口直径，叶轮轮毂直径等于轮缘直径与毂径比的乘积，毂径比为依据泵的比转速所选定的经验参数，叶轮轮毂与叶轮轮缘形成渐缩型流通截面；叶轮和导叶叶片的轴面投影几何的轴向间隔占泵进口直径的7～8％；叶轮叶片的叶梢截面距叶轮轮缘的叶顶间隙距离占泵进口直径的比例为1‰～2‰

较佳地，步骤3)的具体步骤为：31)确定叶轮的叶片数和导叶的叶片数，叶轮的叶片数和导叶的叶片数均为经验参数，叶轮的叶片数与导叶的叶片数互质。32)求取叶片上的负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差，式中，B是叶片数；V_m是沿周向平均的轴面速度，等于流量Q与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；V_t是周向速度分量，等于环量rV_t值与轴面投影图中半径的比值，环量rV_t由扬程H和泵旋转角转速决定，η_h为水力效率，初始值取为0.9；p⁺是叶片压力面的静压，p^-是叶片吸力面的静压；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同径向位置的几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1；33)求解得到叶轮和导叶叶片不同半径处的负载后，选定叶截面翼型，根据选定的叶截面翼型升力和阻力随攻角的变化规律曲线，依据机翼理论，确定满足负载的翼型最大厚度和安放角；34)依据步骤32)所得的叶片上的负载沿径向和轴向的分布规律、和步骤33)所确定翼型最大厚度和安放角，结合所选定的叶轮和导叶叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状。

较佳地，叶片上的负载沿径向分布规律是环量rVt沿半径的变化规律；叶片上的负载沿轴向分布规律是环量rVt对轴面流线位置m求导后沿半径的变化规律。

较佳地，叶轮和导叶叶片沿周向侧斜，叶轮叶片从叶根到叶梢截面向船艏纵倾；叶轮出口和导叶进口环量沿半径变化规律均采用递增型环量分布；叶轮和导叶叶片叶根截面的环量沿轴向分布规律采用中载型负载分布、叶梢截面采用前载型负载分布；叶轮进口叶根截面导边处采用小的负攻角、导叶出口叶梢截面随边处采用小的负攻角；叶轮叶片具有叶顶间隙，叶顶间隙是叶轮叶片的叶梢截面距叶轮轮缘的距离，叶顶间隙占泵进口直径的比例为1‰～2‰；

较佳地，收缩喷口二维轴面投影几何包括喷口内壁面和外壁面。

较佳地，还包括步骤6)采用粘性CFD计算方法稳态求解喷水推进泵水力模型的效率和功率密度，判断效率和功率密度是否满足设计要求，若不满足设计要求，则返回步骤2)调整喷水推进泵二维轴面投影几何，若满足设计要求，则确定喷水推进泵水力模型；喷水推进泵水力模型的敞水性能的计算方法如下：首先进行喷水推进泵流场控制域网格离散，叶轮、导叶和喷口内部流场优先采用全六面体结构化网格，在满足网格无关性要求的条件下可有效保证流场计算精度；然后设定物理边界条件，取为总压进口和流量出口，叶轮转速为额定转速；再然后进行流场控制方程求解，选用通用CFD求解器，流体湍流模型选用二方程剪切应力输运SST模型；最后进行流场计算结果可视化后处理，提取喷水推进泵扬程H、功率、效率和敞水效率，功率与泵进口面积的比值得到功率密度，泵进口面积是叶轮二维轴面投影中轮缘和轮毂进口形成的圆环面积。

较佳地，还包括步骤7)，对经步骤6)确认效率和功率密度满足设计要求的推进泵水力模型的空化流场进行求解，直接提取求解结果中的叶片表面空化面积，判断空化面积与泵进口面积的比值是否大于1％，若是，则重新回到步骤3)调整三元逆向设计过程中叶片表面的负载分布规律，若否，则确定喷水推进泵水力模型。

较佳地，还包括步骤8)，对经步骤7)确认的效率、功率密度满足设计要求，且空化性能经过确认的推进泵水力模型进行静强度和动强度校核，判断给定材料属性参数下的喷水推进泵强度是否满足国军标指标要求，若是，则确定喷水推进泵水力模型，给出推荐使用材料下的叶片厚度分布建议值，若否，则回到步骤3)中增加叶片厚度。

本发明的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，具有设计周期短、设计质量高的显著特点，可快速、可靠设计出同时具有高效、紧凑、大功率密度特征的喷水推进泵水力模型。设计方法中，通过参数化三元逆向设计叶轮和导叶叶片几何，直接由叶片表面负载分布来控制叶片有效作功能力，解决了高速船舶喷水推进泵研发过程中在尽量保持紧凑的条件下同时提高效率、抑制空化和增加功率密度的难题。该设计方法推广应用后可有效打破当前国外喷水推进器厂商垄断高速、高性能船舶喷水推进应用的局面。

应用该设计方法，成功设计出的一型轴流形混流式泵，功率密度约为现代五叶大侧斜螺旋桨的2倍，且高效区范围广、实尺单泵功率达20.5MW，适用于航速30到50节范围内的高速高性能水面船舶推进。在叶片参数化三元逆向设计过程中的设计经验是本发明首次整理得出。在航速和功率设计指标一定的情况下，设计出定量满足高效、抗空化、紧凑、大功率密度的喷水推进泵水力模型设计技术方案是本发明首创。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图，

图2为本发明实施例喷水推进泵水力模型的二维轴面投影几何图，

图3为本发明实施例喷水推进泵水力模型三维几何形状图，

图4为本发明实施例喷水推进泵水力模型设计流量系数下叶片通道内速度流线分布，

图5为本发明实施例喷水推进泵水力模型设计流量系数下喷口横截面周向速度分量与轴向速度分量的比值分布。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例。

高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，喷水推进泵水力模型包括叶轮、导叶和收缩喷口，方法包括如下步骤：

步骤1)喷水推进泵水力参数的选型设计

依据航速和功率设计指标确定喷水推进泵的五个水力设计参数，由船体阻力和设计航速可确定有效功率，再由主机额定功率、额定转速、减速比，根据喷水推进基本理论，可确定五个水力参数：喷水推进泵的扬程H、流量Q、喷口直径D_j、比转速N_s和吸口比转速N_ss，

扬程 $H=[{\mathrm{\μ}}^2(1+\mathrm{\ψ})-\mathrm{\β}]\frac{V_0^2}{2g},$

流量 $Q=\frac{P_D{\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_P{\mathrm{\η}}_r}{\mathrm{\ρgH}},$

式中，ψ是喷口能量损失系数，分析时取0.01；β是船体边界层流对喷水推进器的动能影响系数，分析时可假定为0.81，也可由船体自航试验测量得到；V₀是设计航速；μ是喷射比，它等于喷口速度V_j与航速V₀的比值，由喷射效率决定；η_m是轴系传动效率，分析时取0.98；η_P是泵效率，选型时取0.9；η_r是泵相对旋转效率，分析时取0.99；P_D是与有效功率对应的主机输出功率，是已知量；ρ是水的密度；g是重力加速度；

喷口直径 $D_j=\sqrt{\frac{4Q}{{\mathrm{\πV}}_j}},$

泵的比转速 $N_S=\frac{\mathrm{\Ω}\sqrt{Q}}{{\left(\mathrm{gH}\right)}^{3/4}},$

Ω(rad/s)为泵的旋转角速度；体积流量Q的单位是m³/s，扬程H的单位是m。依据喷水推进泵领域内使用经验，N_S＜1.46时设计为离心泵，1.46＜N_S＜3.66时设计为混流泵，N_S＞3.66时设计为轴流泵；

泵的吸口比转速

其中，P_a是大气压力，P_v是汽化压力，均取为常数。泵空化初生时吸口比转速对应一个特定的临界值，直接反映了泵的抗空化性能， $\mathrm{NPSH}=\frac{p_a-p_V}{\mathrm{\ρg}}-\mathrm{\ψ}\frac{V_0^2}{2g}+\mathrm{\β}\frac{V_0^2}{2g}.$

步骤2)确定喷水推进泵叶轮、导叶和收缩喷口的二维轴面投影几何

叶轮二维轴面投影几何包括叶轮轮毂、轮缘、叶片导边和随边，导叶二维轴面投影几何包括导叶轮毂、轮缘、叶片导边和随边；

叶轮轮缘直径等于泵进口直径，叶轮轮毂直径等于轮缘直径与毂径比的乘积，毂径比是依据比转速所确定的经验参数，叶轮轮毂与叶轮轮缘形成渐缩型流通截面；用于加速导叶尾流的收缩型喷口外壁面与导叶轮缘采用曲率光滑过渡。

叶轮和导叶叶片的轴面投影几何的轴向间隔占泵进口直径的7～8％，可减弱叶轮叶片的叶梢周向旋转尾流与导叶叶片的导边相互作用辐射噪声；

叶轮叶片数和导叶叶片数均为经验参数，叶轮叶片数与导叶叶片数互质。

收缩喷口二维轴面投影几何包括喷口内壁面和外壁面。内、外壁面出口形成的圆环面积等于泵流量与喷口速度之间的比值。

步骤3)依据步骤1)所确定的水力参数，结合步骤2)给定的叶轮和导叶的叶片轴面投影形状，依据经验选定叶轮和导叶叶片数，根据叶轮和导叶叶片上的负载沿径向分布和沿轴向分布规律，采用参数化三元逆向设计方法得出叶轮和导叶的三维几何形状。

31)确定叶轮的叶片数和导叶的叶片数

叶轮的叶片数和所述导叶的叶片数均为经验参数，叶轮的叶片数与所述导叶的叶片数互质，本实施例中叶轮叶片数优先采用6叶，导叶叶片数可为8～11叶，优先采用11叶。

32)求取叶片负载，叶片上的负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差，

式中，B是叶片数；V_m是沿周向平均的轴面速度，等于流量Q与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；V_t是周向速度分量，等于环量rV_t值与轴面投影图中半径的比值，环量rV_t由扬程H和泵旋转角转速决定，η_h为水力效率，初始值取为0.9；p⁺是叶片压力面的静压，p^-是叶片吸力面的静压；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同径向位置的几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1。

叶片上的负载沿径向分布规律是环量rVt沿半径的变化规律；

叶片上的负载沿轴向分布规律是环量rVt对轴面流线位置m求导后沿半径的变化规律；

33)求解得到叶轮和导叶叶片不同半径处的负载后，根据负载从船舶推进器设计翼型库中选定空化性能较优的翼型以确定叶截面翼型，根据选定的叶截面翼型升力和阻力随攻角的变化规律曲线，依据机翼理论，确定满足负载的翼型最大厚度和安放角；叶轮和导叶叶片叶截面优先采用NACA16翼型，具有良好的抗空化性能。

34)依据步骤32)所得的叶片上的负载沿径向分布规律和叶片上的负载沿轴向分布规律，所述步骤33)所确定翼型(包括翼型最大厚度和安放角)，结合所选定的叶轮和导叶叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状。叶片三维几何形状由不同半径处的翼型截面扫描放样生成。

在上述步骤中应当注意以下几点：叶轮和导叶叶片均具有侧斜和纵倾特征，具体为：叶轮叶片从叶根到叶梢截面向船艏纵倾，导叶叶片从叶根到0.7倍跨距向船尾纵倾、0.7倍跨距到叶梢截面向船艏纵倾，可减弱叶轮和导叶两者之间的流场相互作用。

叶轮出口和导叶进口环量沿半径变化规律均采用递增型环量分布，也即强迫型涡量分布；叶轮和导叶叶片叶根截面的环量沿轴向分布规律采用中载型负载分布、叶梢截面采用前载型负载分布，也即叶根截面最大负载位于无量纲轴面距离0.5处，叶梢截面最大负载位于无量纲轴面距离0.12处；叶轮进口叶根截面导边处采用小的负攻角、导叶出口叶梢截面随边处采用小的负攻角，可有效提升效率；

叶轮叶片具有叶顶间隙，叶顶间隙是叶轮叶片的叶梢截面距叶轮轮缘的距离，叶顶间隙占泵进口直径的比例为1‰～2‰；

核心思想是：叶片三维几何形状由水动力参数(叶片负载、叶片负载沿径向分布和沿轴向分布规律)和几何参数(轴面几何、叶截面厚度分布和堆叠角)共同决定。叶片负载决定了叶截面压力系数沿弦长方向的分布，进而直接决定了叶截面的做功能力和抗空化性能；叶片负载沿轴向和径向分布用于控制转子叶片沿跨距方向的做功能力和定子叶片内的二次流动，进而改善转子与定子间的相互作用流场，提高做功效率。

步骤4)将收缩喷口的二维轴面投影几何周向旋转得到收缩喷口的三维几何形状。

步骤5)将叶轮、导叶的三维几何形状，以及收缩喷口的三维几何形状组合得到喷水推进泵水力模型。

步骤6)采用粘性CFD计算方法，稳态求解喷水推进泵水力模型的敞水性能，包括：喷水推进泵流场控制域网格离散、设定物理边界条件、流场控制方程求解、流场计算结果可视化后处理四个步骤，判断喷水推进泵水力模型的效率和功率密度是否满足设计要求，若不满足设计要求，则返回步骤2)调整喷水推进泵二维轴面投影几何。

本实施例中，效率要求大于88％，功率密度要求大于1500kW/m2，效率和功率密度的上限值由设计需求方和设计人员依据喷水推进泵的工作条件共同确定；

喷水推进泵流场控制域网格离散时，叶轮、导叶和喷口内部流场优先采用全六面体结构化网格，在满足网格无关性要求的条件下可有效保证流场计算精度；

设定物理边界条件时，取为总压进口和流量出口，叶轮转速为额定转速；

流场控制方程求解时，选用通用CFD求解器，包括ANSYS公司的CFX和FLUENT流体软件、或者STARccm+流体软件，流体湍流模型选用二方程剪切应力输运SST模型；

流场计算结果可视化后处理时，提取喷水推进泵扬程、功率、效率和敞水效率，功率与泵进口面积的比值得到功率密度，泵进口面积是叶轮二维轴面投影中轮缘和轮毂进口形成的圆环面积。

步骤7)，对经步骤6)确认效率和功率密度满足设计要求的推进泵水力模型的空化流场进行求解，求解喷水推进泵空化流场时，空化模型可采用Singhal模型、Sauer模型、Zwart模型等，优先采用申请人提出的改进Sauer空化模型，可有效保证空化流场的计算精度；所述改进型Sauer模型采用如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{.}{m}}^{+}=\frac{C_{\mathrm{prod}}3{\mathrm{\α}}_g(1-{\mathrm{\α}}_v){\mathrm{\ρ}}_v}{R_B}\sqrt{\frac{2}{3}\frac{|p_v-p|}{{\mathrm{\ρ}}_l}}\mathrm{sign}(p_v-p)\\ {\stackrel{.}{m}}^{-}=\frac{C_{\mathrm{dest}}3{\mathrm{\α}}_v{\mathrm{\ρ}}_v}{R_B}\sqrt{\frac{2}{3}\frac{|p_v-p|}{{\mathrm{\ρ}}_l}}\mathrm{sign}(p_v-p)\end{array}\right.,$

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：

$p_v=p_{\mathrm{sat}}+\frac{1}{2}\left(0.39{\mathrm{\ρ}}_{m}k\right),$

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：

ρ_m＝(α_vρ_v+(1-α_v-α_g)ρ_l)/(1-f_g)，

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 $f_i\≡{\mathrm{\α}}_i\frac{{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_m}(i=\mathrm{1,2,3}).$

另外，求解喷水推进泵的有空化多相流湍流时，空化模型还可以采用Zwart模型，公式如下：

$\stackrel{.}{m}=\left\{\begin{array}{ccc}{-F}_e\frac{{3r}_{\mathrm{nuc}}(1-\mathrm{\&alpha;}){\mathrm{\&rho;}}_v}{R_B}\sqrt{\frac{2}{3}\frac{p_v-p}{{\mathrm{\&rho;}}_l}},& \mathrm{if}& p<p_v\\ F_c\frac{{3\mathrm{\&alpha;\&rho;}}_v}{R_B}\sqrt{\frac{2}{3}\frac{p-p_v}{{\mathrm{\&rho;}}_l}}& \mathrm{if}& p>p_v\end{array}\right.$

其中，r_nuc为气核体积分数，R_B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。

求解喷水推进泵的有空化多相流湍流时还可以采用Sauer模型，公式为：

$\stackrel{.}{m}={-\mathrm{\&rho;}}_v(1-\mathrm{\&alpha;})\frac{3\mathrm{\&alpha;}}{R_b}\mathrm{sign}(p-p_v)\sqrt{\frac{2}{3}\frac{|p-p_v|}{{\mathrm{\&rho;}}_l}}$

其中， $\mathrm{\&alpha;}=\frac{\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;R}}_b^3{n}_0}{1+\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;R}}_b^3{n}_0},R_b={\left(\frac{1}{\frac{4}{3}{\mathrm{\&pi;n}}_0}\frac{\mathrm{\&alpha;}}{1-\mathrm{\&alpha;}}\right)}^{1/3},$ n0为常数。

在喷水推进泵空化流场计算收敛后，直接提取计算结果中的叶片表面空化面积，判断空化面积与泵进口面积的比值是否大于1％，若是，则重新回到步骤3)调整三元逆向设计过程中叶片表面的负载分布规律，抑制空化产生，若否，则进入步骤8)。

图4是本发明的轴流形混流式喷水推进泵水力模型实施例在设计流量系数0.85下由粘性CFD计算得到的叶片通道间速度流线图。泵进口直径304.8mm，模型泵转速2000r/min，无量纲比转速3.089，同时具有轴流泵的外形和混流泵的性能。可以看出，叶片通道内无明显流动分离和二次流动产生，在0.35倍半径以上区间内，导叶叶片对叶轮周向旋转尾流具有良好的整流能力，表明叶轮和导叶两者的配合设计是较优的。

图5是本发明的轴流形混流式喷水推进泵水力模型实施例在设计流量系数下喷口横截面的周向速度分量分布图。喷口周向速度分量越小，表明轴向速度分量越大，能够产生的推力越大，效率越高。此时，喷口横截面上轴向/周向/径向速度分量各自的能量头比值为99.141％/0.485％/0.0203％，有效地证明了该水力模型的高效设计。表1所示为该喷水推进泵水力模型在设计流量和非设计流量条件下的扬程系数、功率系数、效率、喷口速度分量能量头比值、以及是否产生空化的性能参数结果。模型泵效率达到91.37％、无空化产生、功率密度2872.2kW/m2，约为现代五叶大侧斜螺旋桨的2倍。流量系数为设计流量系数的0.7到1.1倍范围区间内，模型泵效率大于84.29％，具有较宽的高效区；实尺度喷水推进泵吸收功率为20.5MW，为4台16VPA6280STC高速柴油机额定功率的总和。表2所示为该喷水推进泵水力模型中导叶叶片数减少为8叶后，在设计流量和非设计流量条件下的扬程系数、功率系数、效率、喷口速度分量能量头比值、以及是否产生空化的性能参数结果。可以看出，该水力模型能够适应较大航速范围内的高效、抗空化、大功率密度需求。

性能参数分析表达式为，

Q^*＝Q/(nD³),H*＝gH/(n²D²),P^*＝P/(ρn³D⁵)，η＝ρgQH/P    (13)

其中，n为泵转速(r/s)，Q为流量(m³/s)，H为扬程，g为重力加速度，D为泵进口直径，P为功率(kW)。

表1 轴流形混流式喷水推进泵水力模型(6叶叶轮、11叶导叶)实施例性能参数

表2 轴流形混流式喷水推进泵水力模型(6叶叶轮、8叶导叶)实施例性能参数

步骤8)，对经步骤7)确认的效率、功率密度满足设计要求，且空化性能经过确认的推进泵水力模型进行强度校核，判断给定材料属性参数下的喷水推进泵强度是否满足国军标指标要求。

强度计算时采用有限元FEM方法，求解器可选用成熟的通用有限元求解器，如ANSYS或NASTRAN。强度校核包括静强度和动强度。静强度计算时叶片表面的水动力载荷由稳态计算得到，动强度计算时叶片表面的水动力载荷由瞬态计算得到。给定叶片材料属性参数后，包括材料屈服极限、泊松比、杨氏模量和密度，计算水动力载荷、重力载荷和离心力载荷共同作用下的叶片最大应力和最大合成位移(应变)值，判断应力和应变是否满足国军标对强度的指标要求。

若是，则确定喷水推进泵水力模型，给出推荐使用材料下的叶片不同截面最大厚度分布建议值，若否，则回到步骤3)中增加叶截片厚度。

本实施例的喷水推进泵水力模型设计方法将要求实施例在设计航速50节条件下效率超过88％、无空化产生、采用轴流形的混流式泵、功率密度大于1500kW/m2。只要满足相似变换后的模型泵实施例在设计流量系数下效率超过88％、无空化产生、采用轴流形的混流式泵、功率密度大于1500kW/m2，即完全可保证实尺泵实施例满足高效、抗空化性能优、直径紧凑、功率密度大的性能要求，进而可用于高航速高性能船舶推进。

发明内容可以有效填补国内该应用领域的缺项，有力促进国内高速船舶喷水推进技术的发展。

Claims (10)

1.高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，确定喷水推进泵的叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状，将所述叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状组合得到所述喷水推进泵水力模型，其特征在于，确定所述叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状的方法包括如下步骤：

1)依据设计要求进行喷水推进泵水力参数的选型设计；

2)确定喷水推进泵叶轮、导叶和收缩喷口的二维轴面投影几何；

3)根据经验选定叶轮和导叶的叶片数；依据步骤1)所确定的水力参数，结合步骤2)给定的叶轮和导叶的叶片轴面投影形状，求得叶轮和导叶叶片上的负载，所述负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差；根据所述负载从船舶推进器设计翼型库中选定叶截面翼型；

结合所求的负载中叶轮和导叶叶片上的负载沿径向分布和沿轴向分布规律、叶截面翼型和所选定叶轮和导叶的叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状；

4)将所述收缩喷口的二维轴面投影几何周向旋转得到所述收缩喷口的三维几何形状。

2.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于，所述水力参数包括：

扬程 $H=[{\mathrm{\&mu;}}^2(1+\mathrm{\&psi;})-\mathrm{\&beta;}]\frac{V_0^2}{2g},$ 流量 $Q=\frac{P_D{\mathrm{\&eta;}}_m{\mathrm{\&eta;}}_P{\mathrm{\&eta;}}_r}{\mathrm{\&rho;gH}},$ 喷口直径 $D_j=\sqrt{\frac{4Q}{{\mathrm{\&pi;V}}_j}},$ 泵的比转速 $N_S=\frac{\mathrm{\&Omega;}\sqrt{Q}}{{\left(\mathrm{gH}\right)}^{3/4}},$ 吸口比转速 $N_{\mathrm{SS}}=\frac{n\sqrt{Q}}{{\mathrm{NPSH}}^{3/4}},$

式中，ψ是喷口能量损失系数，分析时取0.01；β是船体边界层流对喷水推进器的动能影响系数；V₀是设计航速；μ是喷射比，喷口速度V_j与航速V₀的比值；η_m是轴系传动效率；η_P是泵效率；η_r是泵相对旋转效率；P_D是与有效功率对应的主机输出功率；ρ是水的密度；g是重力加速度；

Ω(rad/s)为泵的旋转角速度，体积流量Q的单位是m³/s，扬程H的单位是m；

其中，P_a是大气压力，P_v是汽化压力。

3.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：叶轮二维轴面投影几何包括叶轮轮毂、轮缘、叶片导边和随边，导叶二维轴面投影几何包括导叶轮毂、轮缘、叶片导边和随边；叶轮轮缘直径等于泵进口直径，叶轮轮毂直径等于所述轮缘直径与毂径比的乘积，毂径比为依据泵的比转速所选定的经验参数，叶轮轮毂与所述叶轮轮缘形成渐缩型流通截面；叶轮和导叶叶片的轴面投影几何的轴向间隔占泵进口直径的7～8％；叶轮叶片的叶梢截面距叶轮轮缘的叶顶间隙距离占泵进口直径的比例为1‰～2‰

4.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于，所述步骤3)的具体步骤为：

31)确定叶轮的叶片数和导叶的叶片数，所述叶轮的叶片数和所述导叶的叶片数均为经验参数，叶轮的叶片数与所述导叶的叶片数互质。

32)求取叶片上的负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差，式中，B是叶片数；V_m是沿周向平均的轴面速度，等于流量Q与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；V_t是周向速度分量，等于环量rV_t值与轴面投影图中半径的比值，环量rV_t由扬程H和泵旋转角转速决定，η_h为水力效率，初始值取为0.9；p⁺是叶片压力面的静压，p^-是叶片吸力面的静压；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同径向位置的几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1；

33)求解得到叶轮和导叶叶片不同半径处的负载后，选定叶截面翼型，根据选定的叶截面翼型升力和阻力随攻角的变化规律曲线，依据机翼理论，确定满足负载的翼型最大厚度和安放角；

34)依据步骤32)所得的叶片上的负载沿径向的分布规律、叶片上的负载沿轴向的分布规律、和所述步骤33)所确定翼型最大厚度和安放角，结合所选定的叶轮和导叶叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状。

5.根据权利要求4所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：所述叶片上的负载沿径向分布规律是环量rVt沿半径的变化规律；所述叶片上的负载沿轴向分布规律是环量rVt对轴面流线位置m求导后沿半径的变化规律。

6.根据权利要求4所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：叶轮和导叶叶片沿周向侧斜，叶轮叶片从叶根到叶梢截面向船艏纵倾；叶轮出口和导叶进口环量沿半径变化规律均采用递增型环量分布；叶轮和导叶叶片叶根截面的环量沿轴向分布规律采用中载型负载分布、叶梢截面采用前载型负载分布；叶轮进口叶根截面导边处采用小的负攻角、导叶出口叶梢截面随边处采用小的负攻角；叶轮叶片具有叶顶间隙，叶顶间隙是叶轮叶片的叶梢截面距叶轮轮缘的距离，叶顶间隙占泵进口直径的比例为1‰～2‰；

7.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：所述收缩喷口二维轴面投影几何包括喷口内壁面和外壁面。

8.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：还包括步骤6)采用粘性CFD计算方法稳态求解所述喷水推进泵水力模型的效率和功率密度，判断所述效率和功率密度是否满足设计要求，若不满足设计要求，则返回步骤2)调整喷水推进泵二维轴面投影几何，若满足设计要求，则确定喷水推进泵水力模型；

所述喷水推进泵水力模型的敞水性能的计算方法如下：

首先进行喷水推进泵流场控制域网格离散，叶轮、导叶和喷口内部流场优先采用全六面体结构化网格，在满足网格无关性要求的条件下可有效保证流场计算精度；

然后设定物理边界条件，取为总压进口和流量出口，叶轮转速为额定转速；

再然后进行流场控制方程求解，选用通用CFD求解器，流体湍流模型选用二方程剪切应力输运SST模型；

最后进行流场计算结果可视化后处理，提取喷水推进泵扬程H、功率、效率和敞水效率，功率与泵进口面积的比值得到功率密度，泵进口面积是叶轮二维轴面投影中轮缘和轮毂进口形成的圆环面积。

9.根据权利要求8所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：还包括步骤7)，对经步骤6)确认效率和功率密度满足设计要求的推进泵水力模型的空化流场进行求解，直接提取求解结果中的叶片表面空化面积，判断空化面积与泵进口面积的比值是否大于1％，若是，则重新回到步骤3)调整三元逆向设计过程中叶片表面的负载分布规律，若否，则确定喷水推进泵水力模型。

10.根据权利要求9所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：还包括步骤8)，对经步骤7)确认的效率、功率密度满足设计要求，且空化性能经过确认的推进泵水力模型进行强度校核，判断给定材料属性参数下的喷水推进泵强度是否满足国军标指标要求，若是，则确定喷水推进泵水力模型，给出推荐使用材料下的叶片厚度分布建议值，若否，则回到步骤3)中增加叶片厚度。