CN110909436B - 一种叶轮叶片和叶轮叶片前缘波形确定方法及喷水推进泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种叶轮叶片和叶轮叶片前缘波形确定方法及喷水推进泵。所述叶轮叶片的前缘为沿着展向方向和横向方向延伸的三维波状前缘。所述喷水推进泵包括：叶轮、导叶体、泵体和泵轴；在所述泵体的泵腔内沿着水流方向依次设置所述叶轮和所述导叶体；所述导叶体固定在所述泵体的内壁上；所述泵轴穿过所述导叶体的内孔；所述叶轮固定在所述泵轴上。本发明通过将波状前缘叶轮叶片应用到喷水推进泵中，能够有效优化喷水推进泵的运行性能，提高喷水推进泵的扬程效率。

Description

一种叶轮叶片和叶轮叶片前缘波形确定方法及喷水推进泵

技术领域

本发明涉及推进器领域，特别是涉及一种叶轮叶片和叶轮叶片前缘波形确定方法及喷水推进泵。

背景技术

全球经济发展，货物贸易需求增长，国际海上运输贸易走高，推动着船舶推进器市场不断扩大。喷水推进泵机动性高，抗空化能力强，吃水浅，相对阻力较小，能够适应不同变化的运行工况，水下声辐射较小，被广泛应用于新型高性能船舶。虽然现有的喷水推进泵扬程性能可以满足现有运输需求，但随着运输贸易需求不断增加，研发性能更加优越的喷水推进泵才能更好地满足市场需求。

由于喷水推进泵内部流场较为复杂，而之前对于喷水推进泵性能的提升技术手段几乎都止步于外加手段，例如优化进水流道形状，这些只能在某一特定工况改善喷水推进器性能，从设计层面优化喷水推进泵性能的方案寥寥无几。

发明内容

本发明的目的是提供一种叶轮叶片和叶轮叶片前缘波形确定方法及喷水推进泵，能够有效优化喷水推进泵的运行性能，提高喷水推进泵的扬程效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种叶轮叶片，所述叶轮叶片的前缘为沿着展向方向和横向方向延伸的三维波状前缘。

可选的，所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值为：

其中，x₁为所述叶轮叶片在流向方向上的坐标值，c为所述叶轮叶片的平均骨线长度，x_LE为所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x_LE＝A(cos((n*f)2π))，A为所述叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅，A＝Nc，N为倍数，n为所述叶轮叶片三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数，f为所述叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率，x为原型叶轮叶片在所述流向方向上的坐标值。

可选的，所述倍数N的范围为0.01≤N≤0.05。

可选的，所述叶轮叶片的三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数n的范围为4≤n≤8。

可选的，所述叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率f的范围为0.2≤f≤1。

一种叶轮叶片的前缘波形确定方法，所述确定方法包括：

获取叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅和所述叶轮叶片三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数；

根据所述波幅和所述余弦波的个数，得到所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值；

根据所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，得到所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值。

可选的，所述根据所述波幅和所述余弦波的个数，得到所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，具体包括：

根据所述波幅和所述余弦波的个数，利用公式x_LE＝A(cos((n*f)2π))，得到所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值；

其中，x_LE为所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x_LE＝A(cos((n*f)2π))，A为所述叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅，A＝Nc，N为倍数，n为所述叶轮叶片三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数，f为所述叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率。

可选的，所述根据所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，得到所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值，具体包括：

根据所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，利用

得到所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值；

其中，x₁为所述叶轮叶片在流向方向上的坐标值，c为所述叶轮叶片的平均骨线长度，x_LE为所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x为原型叶轮叶片在所述流向方向上的坐标值。

一种喷水推进泵，所述喷水推进泵包括：叶轮、导叶体、泵体和泵轴，叶轮上设置有上述的叶轮叶片；

在所述泵体的泵腔内沿着水流方向依次设置所述叶轮和所述导叶体；所述导叶体固定在所述泵体的内壁上；所述泵轴穿过所述导叶体的内孔；所述叶轮固定在所述泵轴上。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过将叶轮叶片的前缘设计成三维波状前缘，并将波状前缘叶轮叶片应用到喷水推进泵中，有效优化了喷水推进泵的运行性能，提高了喷水推进泵的扬程效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1为本发明提供的波状前缘叶轮叶片的结构示意图；

图2为原型叶轮叶片的结构示意图；

图3为原型叶轮叶片的子午面结构示意图；

图4为本发明提供的波状前缘叶轮叶片的子午面结构示意图；

图5为本发明提供的叶轮叶片的前缘波形确定方法的流程图；

图6为本发明提供的喷水推进泵的立体结构示意图；

图7为本发明提供的应用波状前缘叶轮叶片的喷水推进泵与应用原型叶轮叶片的喷水推进泵外特性曲线图。

符号说明：10-叶轮叶片，20-导叶，100-喷水推进泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得到的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种叶轮叶片和叶轮叶片前缘波形确定方法及喷水推进泵，能够有效优化喷水推进泵的运行性能，提高喷水推进泵的扬程效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供了一种叶轮叶片10，如图1所示，叶轮叶片10的前缘(与流体最先接触的边缘部分)为沿着展向方向和横向方向延伸的三维波状前缘。优选地，本发明提供的三维波状前缘的叶轮叶片10是由原型叶轮叶片变换或者翼型设计而来，原型叶轮叶片的前缘为弧形，原型叶轮叶片的结构如图2所示。

图3为原型叶轮叶片的子午面结构示意图，图4为本发明提供的波状前缘叶轮叶片10的子午面结构示意图，设流向方向为X轴方向，叶轮叶片的展向方向为Z轴方向，垂直于流向方向和展向方向为横向方向，坐标原点为原型叶轮叶片前缘轮缘处的中点，同时为保证叶片的稳定，变换只选取靠近轮缘80％的叶片。

叶轮叶片10的三维波状前缘在流向方向上的坐标值为：

其中，x₁为叶轮叶片10在流向方向上的坐标值，c为叶轮叶片10的平均骨线长度，x_LE为叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x_LE＝A(cos((n*f)2π))，A为叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅，A＝Nc，N为倍数，n为叶轮叶片三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数，f为叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率，x为原型叶轮叶片在流向方向上的坐标值。

倍数N的范围为0.01≤N≤0.05；叶轮叶片10的三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数n的范围为4≤n≤8；叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率f的范围为0.2≤f≤1，f在轮缘处的值为1。

本发明实施例还提供了一种叶轮叶片的前缘波形确定方法，如图5所示，确定方法包括：

步骤501：获取叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅和叶轮叶片三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数。

步骤502：根据波幅和余弦波的个数，得到叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，具体包括：

根据波幅和余弦波的个数，利用公式x_LE＝A(cos((n*f)2π))，得到叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值；其中，x_LE为叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x_LE＝A(cos((n*f)2π))，A为叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅，A＝Nc，N为倍数，n为叶轮叶片三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数，f为叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率。

步骤503：根据叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，得到叶轮叶片10的三维波状前缘在流向方向上的坐标值，具体包括：

根据叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，利用公式

得到叶轮叶片10的三维波状前缘在流向方向上的坐标值；其中，x₁为叶轮叶片10在流向方向上的坐标值，c为叶轮叶片10的平均骨线长度，x_LE为叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x为原型叶轮叶片在流向方向上的坐标值。

通过叶轮叶片10的前缘波形确定方法可确定波状前缘叶轮叶片10的具体波形，进一步还可以确定叶轮叶片10的三维波状前缘的余弦波的平均波长，具体包括：

根据叶轮叶片三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数，利用公式

得到叶轮叶片10的三维波状前缘的余弦波的平均波长；其中，λ为叶轮叶片三维波状前缘的平均波长，s为叶轮叶片三维波状前缘沿展向方向的曲线长度，S＝0.8s，S为叶轮叶片三维波状前缘沿展向方向的直线长度，叶轮叶片三维波状前缘沿展向方向的直线长度与原型叶轮叶片前缘沿展向方向的直线长度(如图3所示)相等，n为叶轮叶片三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数。

本发明实施例还提供了一种喷水推进泵100，如图6所示，推进泵包括：叶轮、导叶体、泵体和泵轴，叶轮上设置有上述实施例所述的叶轮叶片10。

在泵体的泵腔内沿着水流方向依次设置叶轮和导叶体；导叶体固定在泵体的内壁上；泵轴穿过导叶体的内孔；叶轮固定在泵轴上。导叶体包括多个导叶20。

最终确定的波状前缘叶轮叶片10就可以安装到喷水推进泵100中进行使用。

如图2所示，原型叶轮叶片的尺寸为：平均骨线长度c＝220.2mm，原型叶轮叶片的前缘沿展向方向的曲线长度s＝106.6mm。由于本申请的波状前缘叶轮叶片10只是对前缘进行了变换，所以，图1所示的波状前缘叶轮叶片10的平均骨线长度、前缘沿展向方向的曲线长度与图2所示的原型叶轮叶片的均相同。本发明叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅A＝0.01c，叶轮叶片三维波状前缘在展向方向上的余弦波的个数n＝4。分别对应用原型叶轮叶片的喷水推进泵和应用波状前缘叶轮叶片10的喷水推进泵100进行数值计算，其中本发明提供的喷水推进泵100设计流量Q为800.86kg/s。

图7为本发明提供的应用波状前缘叶轮叶片的喷水推进泵与应用原型叶轮叶片的喷水推进泵外特性曲线图。如图7所示，对应用原型叶轮叶片的喷水推进泵和应用波状前缘叶轮叶片的喷水推进泵的性能进行比较，本发明提供的喷水推进泵与安装有原型叶轮叶片的喷水推进泵相比，扬程和效率均有明显提升，其中扬程平均上升3％，效率平均上升1％，表明波状前缘叶轮叶片的应用使得喷水推进泵运行性能得到优化，对喷水推进泵的运行性能改善非常可观。

本发明通过调整设计参数波幅A和余弦波数n，能够灵活设计优化波状前缘叶轮叶片的形状，使喷水推进泵得到最佳的水力特性。并具体给出了波状前缘叶轮叶片的参数优化范围，波幅在0.01～0.05c，余弦波数n在4～8范围内可以显著改善喷水推进泵水力性能。

相对于传统喷水推进泵的改进设计，本发明提出的改善喷水推进泵运行性能设计思想，拓宽了喷水推进泵的高效运行区。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种叶轮叶片，其特征在于，

所述叶轮叶片的前缘为沿着展向方向和横向方向延伸的三维波状前缘；

所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值为：

其中，x₁为所述叶轮叶片在流向方向上的坐标值，c为所述叶轮叶片的平均骨线长度，x_LE为所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x_LE＝A(cos((n*f)2π))，A为所述叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅，A＝Nc，N为倍数，n为所述叶轮叶片三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数，f为叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率，x为原型叶轮叶片在所述流向方向上的坐标值。

2.根据权利要求1所述的叶轮叶片，其特征在于，所述倍数N的范围为0.01≤N≤0.05。

3.根据权利要求1所述的叶轮叶片，其特征在于，所述叶轮叶片的三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数n的范围为4≤n≤8。

4.根据权利要求1所述的叶轮叶片，其特征在于，所述叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率f的范围为0.2≤f≤1。

5.一种叶轮叶片的前缘波形确定方法，其特征在于，所述确定方法应用于权利要求1-4任一项所述的叶轮叶片，所述确定方法包括：

获取叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅和所述叶轮叶片三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数；

根据所述波幅和所述余弦波的个数，得到所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值；

根据所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，得到所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值。

6.根据权利要求5所述的叶轮叶片的前缘波形确定方法，其特征在于，所述根据所述波幅和所述余弦波的个数，得到所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，具体包括：

根据所述波幅和所述余弦波的个数，利用公式x_LE＝A(cos((n*f)2π))，得到所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值；

其中，x_LE为所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x_LE＝A(cos((n*f)2π))，A为所述叶轮叶片三维波状前缘的余弦波的波幅，A＝Nc，N为倍数，n为所述叶轮叶片三维波状前缘在所述展向方向上的余弦波的个数，f为叶轮相应翼型在叶轮展向处的位置比率。

7.根据权利要求6所述的叶轮叶片的前缘波形确定方法，其特征在于，所述根据所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，得到所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值，具体包括：

根据所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，利用公式

得到所述叶轮叶片的三维波状前缘在流向方向上的坐标值；

其中，x₁为所述叶轮叶片在流向方向上的坐标值，c为所述叶轮叶片的平均骨线长度，x_LE为所述叶轮叶片三维波状前缘的波动幅度在流向方向上的坐标值，x为原型叶轮叶片在所述流向方向上的坐标值。

8.一种喷水推进泵，其特征在于，所述喷水推进泵包括：叶轮、导叶体、泵体和泵轴，叶轮上设置有权利要求1至4中任意一项所述的叶轮叶片；

在所述泵体的泵腔内沿着水流方向依次设置所述叶轮和所述导叶体；所述导叶体固定在所述泵体的内壁上；所述泵轴穿过所述导叶体的内孔；所述叶轮固定在所述泵轴上。

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