CN112776967B - 一种轴流式双涵道喷水推进器 - Google Patents

一种轴流式双涵道喷水推进器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轴流式双涵道喷水推进器，属于流体机械工程、船舶推进领域。本发明的目的是为了解决现有轴流式喷水推进器扬程低的问题，所述推进器，由支架、外涵道传动轴、进水流道、外涵道叶轮室、外涵道导叶室、喷口，外涵道叶轮轮毂、外涵道叶轮叶片、外涵道导叶叶片、内涵道传动轴、内涵道叶轮轮毂，内涵道导叶轮毂、内涵道叶轮室、内涵道导叶室、内涵道叶轮叶片、内涵道导叶叶片、法兰盘组成。该装置在保证大流量的前提下，可以提高喷水推进器的扬程，改善抗空化性能，使得轴流式喷水推进器可以应用到高速航行体推进，同时轴流式双涵道喷水推进器避免了多级喷水推进器重量大、空间尺寸大等缺点。

Description

一种轴流式双涵道喷水推进器
技术领域
本发明涉及一种轴流式双涵道喷水推进器，属于流体机械工程、船舶推进领域。
背景技术
喷水推进器是一种有别于螺旋桨推进器的特殊推进方式，一般由进水流道、喷水推进泵、喷口和倒车装置四大部分组成。进水流道是将水流从船底引流到喷水推进泵进口的部件，推进泵是喷水推进器的核心做功部件，其作用是将原动机的旋转机械能转化为水流的动能、压能和势能，喷口是将水流的压能转化为动能，使水流具有更高的速度喷出，倒车装置的作用是改变喷流方向实现船舶或者其他载体的转向和倒航。喷水推进器利用喷出的高速水流的反作用力推动船舶或者其他载体在水面或水下前进。与螺旋桨推进器相比，喷水推进器具有推进效率高、抗空泡能力强、振动噪音小、适应工况能力强、传动机构简单等优点，被广泛应用于船舶、两栖车辆、潜艇等航行体。
推进泵是喷水推进器的主体部件，根据推进泵种类的不同，喷水推进器主要分为轴流式喷水推进器和混流式喷水推进器。轴流式喷水推进器具有大流量、低扬程的特点，混流式喷水推进器具有小流量、高扬程的特点。喷水推进器推力方程和能量平衡方程分别如公式(1)和(2)所示，
T＝ρQ(Vj-αV0) (1)
Figure BDA0002942616340000011
式中ρ为水流密度；Q为体积流量；Vj和V0分别为喷射速度和来流速度；α为边界层影响系数；kj为喷口损失系数；K1为损失系数，包括管道损失(包括进水口和喷口损失)；hc为水位提升高度。根据推力方程可知，推力和流量成正比，大推力要求有大流量，所以从推力的角度考虑，采用轴流式喷水推进器较为理想，但是高速船舶喷口喷速高，喷射损失大，要求推进泵的扬程也较高，这样轴流泵只能靠多级串联才能满足要求，这就带来布置、重量等方面的一系列问题。因而轴流式喷水推进器大多用在航速较低的航行体上，应用范围较小。
经文献检索发现，目前暂无涉及双涵道喷水推进器的相关专利。针对目前轴流式喷水推进器低扬程的问题，发明一种在保证大流量的前提下，同时实现高扬程的轴流式双涵道喷水推进器。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有轴流式喷水推进器扬程低的问题，提供一种轴流式双涵道喷水推进器，该推进器在保证大流量的前提下，可以提高喷水推进器的扬程，使得轴流式喷水推进器可以应用到高速航行体推进，同时轴流式双涵道喷水推进器避免了多级喷水推进器重量大、空间尺寸大等缺点。本发明可以应用于船舶、两栖车辆、潜艇和水下潜器技术领域。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种轴流式双涵道喷水推进器，由支架、外涵道传动轴、进水流道、外涵道叶轮室、外涵道导叶室、喷口，外涵道叶轮轮毂、外涵道叶轮叶片、外涵道导叶叶片、内涵道传动轴、内涵道叶轮轮毂，内涵道导叶轮毂、内涵道叶轮室、内涵道导叶室、内涵道叶轮叶片、内涵道导叶叶片、法兰盘组成。
所述支架安装在船内，底部通过螺栓与船体固定连接，起到支撑和固定管道的作用；
所述外涵道传动轴与外涵道叶轮轮毂固定连接；
所述进水流道通过螺栓和支架固定连接，通过法兰盘与外涵道叶轮室连接；
所述外涵道叶轮室为等径圆管结构，通过螺栓与进水流道和外涵道导叶室连接；
所述外涵道导叶室为等径圆管结构，通过螺栓与外涵道叶轮室和喷口连接；
所述喷口为直径渐缩管结构，通过螺栓与外涵道导叶室连接，其作用是将水流的压能转化为动能，提高喷射速度；
所述外涵道叶轮轮毂和外涵道叶轮叶片为旋转部件，位于外涵道叶轮室内部，外涵道叶轮叶片通过螺母和定位销固定在外涵道叶轮轮毂上，外涵道叶轮轮毂与外涵道传动轴固定连接；
所述外涵道导叶叶片位于外涵道导叶室内部，通过焊接与外涵道导叶室固定连接，通过螺母和定位销与内涵道叶轮室固定连接，其作用是消除水流的周向速度；
所述内涵道传动轴与外涵道叶轮轮毂和内涵道叶轮轮毂固定连接；
所述内涵道叶轮轮毂和内涵道叶轮叶片为旋转部件，位于内涵道叶轮室内，通过叶片的旋转将内涵道传动轴输入的机械能转化为流体的能量，内涵道叶轮叶片通过螺母和定位销固定在内涵道叶轮轮毂，内涵道叶轮轮毂与内涵道传动轴固定连接；
基于离散涡格法设计内泵叶片；在给定环量的径向和弦向分布的情况下，通过在初始叶片表面布置奇点系，并由奇点系展开迭代计算，直至满足叶片拱弧面的物面边界条件，进而确定叶片拱弧面的最终形状，最终确定叶片初始形状。
首先在初始面上沿径向划分M个区间，沿弦向划分N个网格；然后在每个网格的型心处布置控制点，1/4弦长处布置线源和展向涡，展向涡端点的弦向连线上布置弦向涡，涡系在控制点上的诱导速度：
Figure BDA0002942616340000031
其中：(i,j)为控制点；(m,n)为负荷点；K为叶片数；Γnm s为展向涡强度；Γnm c为弦向涡强度；Γnm t尾涡强度；Γtip梢涡强度；Γhub毂涡强度；
源系在控制带上的诱导速度为：
Figure BDA0002942616340000032
其中：Qnm为源汇的强度；KQ ijnmk为第K个叶片上线源元素的影响系数；则流场中第(i,j)个控制点上的合速度为：
Figure BDA0002942616340000033
其中：KQ ijnmk为第K个叶片上线源元素的影响系数；Qnm为源汇的强度；
根据叶片剖面作为初始面，在所述奇点系，并由此展开迭代计算，直至叶片上所有控制点均满足总发现速度等于零的物面边界条件，获得叶片最终形状；
所述内涵道导叶轮毂和内涵道导叶叶片位于内涵道导叶室内部，内涵道导叶叶片通过焊接与内涵道导叶室连接，通过螺母和定位销与内涵道导叶轮毂固定连接，内涵道导叶轮毂通过导轴承与内涵道叶轮轮毂连接，其作用为消除周向速度分量；
所示内涵道叶轮室位于外涵道导叶叶片内部，包含内涵道叶轮轮毂和内涵道叶轮叶片，也为外涵道导叶叶片提供固定支撑，充当轮毂的作用；
所述内涵道导叶室通过螺栓与内涵道叶轮室连接，包含内涵道导叶轮毂和内涵道导叶叶片；
工作过程：
水流通过进水口进入喷水推进器，经过进水流道的引流至外涵道叶轮室，外涵道传动轴带动外涵道叶轮叶片旋转做功，水流的压能和动能得到了提高，一部分水流经过外涵道导叶叶片消除周向速度分量，一部分水流经过内涵道叶轮叶片，这部分来流中已增加了外涵道叶轮所产生的压能，这对于内涵道叶轮叶片的抗空化性能是有利的，通过内涵道叶轮叶片的旋转做功，使得压能和动能进一步提高，再通过内涵道导叶叶片的整流作用消除周向速度分量，两部分水流在喷口内汇合，经过喷口将一部分压能转化为动能，最终喷出，产生推力。
有益效果：
1、本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器，不同于传统的轴流式喷水推进器，在保证大流量的前提下，轴流式双涵道喷水推进器可以提高扬程，能够克服更大的流动损失，可应用于高速船舶和两栖车辆等航行体。
2、本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器，不同于传统的多级喷水推进器，轴流式双涵道喷水推进器轴向长度短，占用空间小，结构紧凑，强度和刚度好且重量轻。
3、本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器，维护成本低，各部分采用法兰连接，拆卸方便，可组合搭配使用。
附图说明
图1为本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器整体示意图；
图2为本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器剖面图；
图3为本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器外涵道推进泵；
图4为本发明的一种新型轴流式双涵道喷水推进器内涵道推进泵；
其中，1—支架，2—外涵道传动轴，3—进水流道，4—外涵道叶轮室，5—外涵道导叶室，6—喷口，7—外涵道叶轮轮毂，8—外涵道叶轮叶片，9—外涵道导叶叶片，10—内涵道传动轴，11—内涵道叶轮轮毂，12—内涵道导叶轮毂，13—内涵道叶轮室，14—内涵道导叶室，15—内涵道叶轮叶片，16—内涵道导叶叶片，17—法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图与实例对本发明做进一步说明：
实施例1
如图1、2所示，一种新型轴流式双涵道喷水推进器，由支架1、外涵道传动轴2、进水流道3、外涵道叶轮室4、外涵道导叶室5、喷口6，外涵道叶轮轮毂7、外涵道叶轮叶片8、外涵道导叶叶片9、内涵道传动轴10、内涵道叶轮轮毂11，内涵道导叶轮毂12、内涵道叶轮室13，内涵道导叶室14、内涵道叶轮叶片15、内涵道导叶叶片16、法兰盘17组成。
所述支架1安装在船内，支架1长宽高分别为2000mm，600mm，800mm，圆角半径为150mm。底部通过螺栓与船体固定连接，支架1竖直段位于外涵道叶轮室4和外涵道导叶室5之间，起到支撑和固定管道的作用；
所述外涵道传动轴2直径为50mm，与外涵道叶轮轮毂7固定连接；
所述进水流道3通过螺栓和支架固定连接，通过法兰盘17与外涵道叶轮室4连接，法兰盘直径为400mm，均匀布置20个直径为18mm的孔；
所述外涵道叶轮室4为等径圆管结构，内径为301mm，壁厚为8mm，两端布置有法兰盘，均匀分布20个直径为18mm的孔，外涵道叶轮室4右侧通过螺栓与进水流道3连接，左侧通过螺栓与外涵道导叶室5连接；
所述外涵道导叶室5为等径圆管结构，内径为301mm，壁厚为8mm，两端布置有法兰盘，均匀分布20个直径为18mm的孔，外涵道导叶室5右侧通过螺栓与外涵道叶轮室4连接，左侧通过螺栓与喷口6连接；
所述喷口6为直径渐缩管结构，壁厚8mm，右侧进口内径为301mm，右侧布置有法兰盘，均匀分布20个直径为18mm的孔，喷口6通过螺栓与外涵道导叶室5连接，其作用是将水流的压能转化为动能，提高喷射速度；
如图3所示，所述外涵道叶轮轮毂7和外涵道叶轮叶片8为旋转部件，转速为1450rpm，位于外涵道叶轮室4内部，叶片直径300mm，叶顶间隙0.5mm，叶片数为5个，通过叶片的旋转将外涵道传动轴2输入的机械能转化为流体的能量，外涵道叶轮叶片8通过螺母和定位销固定在外涵道叶轮轮毂7上，外涵道叶轮轮毂7与外涵道传动轴2固定连接；
所述外涵道导叶叶片9位于外涵道导叶室5内部，叶片数为8个，通过焊接与外涵道导叶室5固定连接，通过螺母和定位销与内涵道叶轮室13固定连接，其作用是消除水流的周向速度；
所述内涵道传动轴10右端与外涵道叶轮轮毂7固定连接，左端与内涵道叶轮轮毂11固定连接，直径为25mm；
如图4所示，所述内涵道叶轮轮毂11和内涵道叶轮叶片15为旋转部件，转速为1450rpm，位于内涵道叶轮室13内部，通过公式(1)～(3)得到叶片表面形状，叶片直径149.5mm，叶顶间隙0.25mm，叶片数为6个，通过叶片的旋转将内涵道传动轴10输入的机械能转化为流体的能量，内涵道叶轮叶片15通过螺母和定位销固定在内涵道叶轮轮毂11，内涵道叶轮轮毂11与内涵道传动轴10固定连接；
如图4所示，所述内涵道导叶轮毂12和内涵道导叶叶片16位于内涵道导叶室14内部，叶片数为8个，内涵道导叶叶片16通过焊接与内涵道导叶室14连接，通过螺母和定位销与内涵道导叶轮毂12固定连接，内涵道导叶轮毂12通过导轴承与内涵道叶轮轮毂11连接，其作用为消除周向速度分量；
所示内涵道叶轮室13位于外涵道导叶叶片9内部，壁厚5mm，包含内涵道叶轮轮毂11和内涵道叶轮叶片15，也为外涵道导叶叶片9提供固定支撑，充当轮毂的作用；
所述内涵道导叶室14通过螺栓与内涵道叶轮室13连接，包含内涵道导叶轮毂12和内涵道导叶叶片16；
具体工作过程如下：
水流通过进水口进入喷水推进器，经过进水流道3的引流至外涵道叶轮室4，外涵道传动轴2带动外涵道叶轮叶片8旋转做功，水流的压能和动能得到了提高，一部分水流经过外涵道导叶叶片9消除周向速度分量，一部分水流经过内涵道叶轮叶片15，通过内涵道叶轮叶片15的旋转做功，使得压能和动能进一步提高，再通过内涵道导叶叶片16的整流作用消除周向速度分量，两部分水流在喷口6内汇合，经过喷口6将一部分压能转化为动能，最终喷出，产生推力。
经过数值计算验证，在设计工况下，不采用双涵道喷水推进器的扬程为11.5m，双涵道喷水推进器为12.6m，扬程大小具有明显的提高。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轴流式双涵道喷水推进器，其特征在于：包括支架、外涵道传动轴、进水流道、外涵道叶轮室、外涵道导叶室、喷口，外涵道叶轮轮毂、外涵道叶轮叶片、外涵道导叶叶片、内涵道传动轴、内涵道叶轮轮毂，内涵道导叶轮毂、内涵道叶轮室、内涵道导叶室、内涵道叶轮叶片、内涵道导叶叶片和法兰盘；
所述支架安装在船内，底部通过螺栓与船体固定连接，起到支撑和固定管道的作用；
所述外涵道传动轴与外涵道叶轮轮毂固定连接；
所述进水流道通过螺栓和支架固定连接，通过法兰盘与外涵道叶轮室连接；
所述外涵道叶轮室为等径圆管结构，通过螺栓与进水流道和外涵道导叶室连接；
所述外涵道导叶室为等径圆管结构，通过螺栓与外涵道叶轮室和喷口连接；
所述喷口为直径渐缩管结构，通过螺栓与外涵道导叶室连接，其作用是将水流的压能转化为动能，提高喷射速度；
所述外涵道叶轮轮毂和外涵道叶轮叶片为旋转部件，位于外涵道叶轮室内部，外涵道叶轮叶片通过螺母和定位销固定在外涵道叶轮轮毂上，外涵道叶轮轮毂与外涵道传动轴固定连接；
所述外涵道导叶叶片位于外涵道导叶室内部，通过焊接与外涵道导叶室固定连接，通过螺母和定位销与内涵道叶轮室固定连接，其作用是消除水流的周向速度；
所述内涵道传动轴与外涵道叶轮轮毂和内涵道叶轮轮毂固定连接；
所述内涵道叶轮轮毂和内涵道叶轮叶片为旋转部件，位于内涵道叶轮室内，通过叶片的旋转将内涵道传动轴输入的机械能转化为流体的能量，内涵道叶轮叶片通过螺母和定位销固定在内涵道叶轮轮毂，内涵道叶轮轮毂与内涵道传动轴固定连接；
所述内涵道导叶轮毂和内涵道导叶叶片位于内涵道导叶室内部，内涵道导叶叶片通过焊接与内涵道导叶室连接，通过螺母和定位销与内涵道导叶轮毂固定连接。
2.如权利要求1所述的一种轴流式双涵道喷水推进器，其特征在于：所述叶片的尺寸通过下述方法得到：
基于离散涡格法设计内泵叶片；在给定环量的径向和弦向分布的情况下，通过在初始叶片表面布置多个控制点，并通过式(3)得到的合速度展开迭代计算，直至满足叶片拱弧面的物面边界条件，进而确定叶片拱弧面的最终形状，最终确定叶片初始形状；
首先在初始面上沿径向划分M个区间，沿弦向划分N个网格；然后在每个网格的型心处布置控制点，1/4弦长处布置线源和展向涡，展向涡端点的弦向连线上布置弦向涡，涡系在控制点上的诱导速度：
Figure FDA0003726410550000021
其中：(i,j)为控制点；(m,n)为负荷点；MB为径向区间数，NB为弦向网格数；K为叶片数；
Figure FDA0003726410550000022
为展向涡强度；
Figure FDA0003726410550000023
为弦向涡强度；
Figure FDA0003726410550000024
尾涡强度；Γtip梢涡强度；Γhub毂涡强度；
源系在控制带上的诱导速度为：
Figure FDA0003726410550000025
其中：Qnm为源汇的强度；KQ ijnmk为第K个叶片上线源元素的影响系数；则流场中第(i,j)个控制点上的合速度为：
Figure FDA0003726410550000026
其中：KQ ijnmk为第K个叶片上线源元素的影响系数；Qnm为源汇的强度；
在初始叶片表面布置多个控制点，并通过式(3)得到的合速度展开迭代计算，直至叶片上所有控制点均满足总发现速度等于零的物面边界条件，获得叶片最终形状。
3.如权利要求1所述的轴流式双涵道喷水推进器的工作方法，其特征在于：水流通过进水口进入喷水推进器，经过进水流道的引流至外涵道叶轮室，外涵道传动轴带动外涵道叶轮叶片旋转做功，水流的压能和动能得到了提高，一部分水流经过外涵道导叶叶片消除周向速度分量，一部分水流经过内涵道叶轮叶片，这部分来流中已增加了外涵道叶轮所产生的压能，这对于内涵道叶轮叶片的抗空化性能是有利的，通过内涵道叶轮叶片的旋转做功，使得压能和动能进一步提高，再通过内涵道导叶叶片的整流作用消除周向速度分量，两部分水流在喷口内汇合，经过喷口将一部分压能转化为动能，最终喷出，产生推力。
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