CN112776968B - 一种转速可调的双涵道喷水推进泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种转速可调的双涵道喷水推进泵，属于流体机械工程、水上航行器领域。该装置采用内嵌式双涵道并联泵，实现多级嵌套，简化导叶和叶轮处的交界面，内外泵均采用轴流泵设计，外泵轮毂采用中空设计，内泵叶轮外径为外泵轮毂内径。内泵与传统泵相同，采用轮毂内的轴向电机驱动，外泵采用传动轴进行传动。本发明在提升推力性能和小流量下的扬程的基础上，还可以实现内外涵道各自调配转速，形成全新的流域流道，同时可以提高抗空化性能，可以广泛应用于船舶、两栖车辆、潜艇和水下潜器等技术领域。

Description

一种转速可调的双涵道喷水推进泵
技术领域
本发明涉及一种转速可调的双涵道喷水推进泵，属于流体机械工程、水上航行器领域。
背景技术
为了提升推进性能，满足吃水浅、航速高的造船趋势，传统的螺旋桨推进器已经不能满足日益复杂的水下环境设计要求。喷水推进器是一种有别于螺旋桨推进器的特殊推进方式，主要组成部分有进水流道、喷水推进泵、喷嘴和倒车水斗。水流通过进水流道引入，经过喷水推进泵增加能量后，再通过喷嘴使水流具有更好的速度从船体后方喷出，船舶或者其他载体从而获得反向的推力，向前运动。通过操控喷嘴，可以实现转向操作；通过操控倒车水斗，可以实现倒车操作。当拉起倒车斗的时候，从喷嘴向船尾正后方喷出的水流由于无物理阻挡，船体获得反向作用力，向前运动；当放下倒车斗的时候，从喷嘴向船尾后方喷出的水流由于倒车斗的阻挡，喷射方向从船尾正后方变成了船头正前方，船体因而获得向后退的推力，形成倒车操作。与螺旋桨推进器相比，喷水推进器具有操纵机动性好、抗空泡能力强、高速下相对效率更高、振动小，噪声低和吃水浅等优点，被广泛应用于船舶、两栖车辆、潜艇等航行体。
喷水推进器的核心部件是喷水推进泵，本发明采用具有大流量、低扬程优点的轴流泵。为了展示双涵道泵的优势，使内泵与外泵的水力性能相似，而比转速则是衡量泵水力性能的最常规最有效的依据，扬程则是衡量泵推进性能的主要参数，因此在绘制双涵道泵时，保持所有尺寸内外涵道泵的比转速与扬程均相同。
目前国内外对喷水推进泵的研究并不匮乏，但多数只是针对传统喷水推进泵，没有太多结构上的大胆创新。而对于叶片大直径、低转速的轴流泵，随着其叶轮尺寸逐渐增大，轴转速逐渐减小，靠近轮毂处中心流域叶轮上受力较小，流速较低，空间利用率不高，泵的整体性能会有所下降。
经文献检索发现，目前暂无涉及双涵道可变速的喷水推进装置的相关专利。针对目前的不足，发明一种在保留内外涵道泵各自性能的前提下，同时实现内外泵独立工作、各自调配转速的双涵道喷水推进泵。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有喷水推进器空间利用率低、整体性能低的问题，提供一种转速可调的双涵道喷水推进泵。该装置采用内嵌式双涵道并联泵，实现多级嵌套，简化导叶和叶轮处的交界面，内外泵均采用轴流泵设计，外泵轮毂采用中空设计，内泵叶轮外径为外泵轮毂内径。内泵与传统泵相同，采用轮毂内的轴向电机驱动，外泵采用传动轴进行传动。本发明在提升推力性能和小流量下的扬程的基础上，还可以实现内外涵道各自调配转速，形成全新的流域流道，同时可以提高抗空化性能，可以广泛应用于船舶、两栖车辆、潜艇和水下潜器等技术领域。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种转速可调的双涵道喷水推进泵，由外泵传动轴、入口直管、外泵叶轮室、外泵叶轮、外泵导叶室、外泵导叶、内泵叶轮室、轴向电机、内泵叶轮、内泵导叶室、内泵导叶组成。
所述外泵传动轴前端连接发动机动力输出轴，后连接外泵叶轮；
所述入口直管为等值段管路，通过法兰盘与外泵叶轮室连接，并通过法兰与固定在船上的进水流道连接；
所述外泵叶轮室为等径圆筒结构，通过螺栓与入口直管段和外泵导叶室连接；
所述外泵叶轮为主要做功部件，位于外泵叶轮室内，将外泵传动轴输入的机械能转化为流体的能量，叶片通过螺母和定位销固定在轮毂上，轮毂与外泵传动轴固定连接；
所述外泵导叶室为渐缩管结构，通过螺栓与外泵叶轮室连接，出口端设置有法兰盘，可与喷口段连接；
所述外泵导叶位于外泵导叶室内，且与外泵导叶室为一体，其作用为消除水流周向速度分量，进行整流作用，外泵导叶的轮毂为中空结构，用于布置内泵叶轮和内泵导叶；
所述内泵叶轮为做功部件，安装于外泵导叶轮毂内部，通过安装于外泵导叶轮毂内的轴向电机驱动传动轴带动内泵叶轮进行旋转，由于流经内泵的流体已经经过外泵叶片做功，压力较高，所以内泵抗空化性能要求较低，优先选择低阻翼型。对于空泡比转速C低的泵，可以选择用哥丁根和NACA44系列的翼型，它们最大厚度位置均在离导边(0.3～1.3)l(l为弦长)，也可以用古希翼型，内泵转速为外泵转速的115％～145％；
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 BDA0002942633440000031
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 BDA0002942633440000032
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 BDA0002942633440000033
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；
所述内泵导叶位于外泵导叶轮毂内部，其作用为消除水流周向速度分量，将流出叶轮的水流的旋转运动转换为轴向运动；
工作过程：
水流通过入口直管的进水口进入管路，经过入口直管的引流至外泵叶轮室，发动机动力输出轴将动力传递到外泵传动轴，外泵传动轴带动外泵叶轮的叶片旋转，经过外泵叶轮的旋转做功，水流的压能和动能得到了提高，一部分水流经过外泵导叶消除周向速度分量，一部分水流经过内泵叶轮，通过内泵叶轮的旋转做功，使得压能和动能进一步提高，再通过内泵导叶消除周向速度分量，两部分水流在外泵导叶室出口处汇合，最终喷出。
有益效果：
1、本发明的一种转速可调的双涵道喷水推进泵，不同于传统的轴流式喷水推进器，在结构上采用并联结构，以高转速的内泵内嵌在外泵的中心流域，在推力方面有显著提升，同样的进口面积下，双涵道泵推进性能提升明显，在小流量工况下扬程有所提升。
2、本发明的一种转速可调的双涵道喷水推进泵，不同于传统的多级喷水推进器，可以简化机械传动，各自调配转速，形成全新的流域流道，在变工况下的适应能力更强，可满足复杂工况下的航行需求。
3、本发明的一种转速可调的双涵道喷水推进泵，管路连接采用法兰连接，安装方便，维修和维护成本低。
附图说明
图1为本发明的一种转速可调的双涵道喷水推进泵前视基准面剖视图；
图2为本发明的一种转速可调的双涵道喷水推进泵剖面图；
图3为本发明的一种转速可调的双涵道喷水推进泵透视图。
其中，1-外泵传动轴、2-入口直管、3-外泵叶轮室、4-外泵叶轮、5-外泵导叶室、6-外泵导叶、7-内泵叶轮室、8-轴向电机、9-内泵叶轮、10-内泵导叶室、11-内泵导叶。
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
如附图1、2所示，一种转速可调的双涵道喷水推进泵，由外泵传动轴1、入口直管2、外泵叶轮室3、外泵叶轮4、外泵导叶室5、外泵导叶6、内泵叶轮室7，轴向电机8、内泵叶轮9，内泵导叶室10、内泵导叶11组成。
所述外泵传动轴1直径为68mm，前端连接发动机动力输出轴，后段连接外泵叶轮；
所述入口直管2为等值段管路，通过法兰盘与外泵叶轮室连接，并通过法兰与固定在船上的进水流道连接；
如图3所示，所述外泵叶轮室3为等径圆筒结构，内径为304.8mm，壁厚为8mm，两端布置有法兰盘，均匀分布8个直径为18mm的孔，外泵叶轮室3右侧通过螺栓与入口直管2连接，外泵叶轮室3左侧通过螺栓与外泵导叶室5连接；
所述外泵叶轮4为主要做功部件，叶轮直径304.3mm，叶顶间隙0.5mm，叶片数为5个，转速为1000rpm，外泵叶轮位于外泵叶轮室3内，将外泵传动轴1输入的机械能转化为流体的能量，叶片通过螺母和定位销固定在轮毂上，轮毂与外泵传动轴1固定连接；
所述外泵导叶室5为等径圆筒结构，内径为304.8mm，壁厚为8mm，两端布置有法兰盘，均匀分布8个直径为18mm的孔，外泵导叶室5右侧通过螺栓与外泵叶轮室3连接，出口端设置有法兰盘，可与喷口段连接；；
所述外泵导叶6位于外泵导叶室5内，且与外泵导叶室为一体，导叶数为8个，其作用为消除水流周向速度分量，外泵导叶6的轮毂为中空结构，用于布置内泵叶轮9和内泵导叶11；
所述内泵叶轮9为做功部件，叶轮直径为149.5mm，叶顶间隙为0.25mm，叶片数为6个，转速为1450rpm，安装于外泵导叶6轮毂内部，通过安装于外泵导叶6轮毂内的轴向电机8驱动传动轴带动内泵叶轮9进行旋转，轴向电机的位置如图2和图3所示；
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 BDA0002942633440000051
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 BDA0002942633440000052
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 BDA0002942633440000053
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，如表1所示；
表1双涵道推进泵内涵道叶轮基本参数
Figure BDA0002942633440000054
所述内泵导叶11位于外泵导叶6轮毂内部，导叶数为8个，其作用为消除水流周向速度分量；
具体工作过程如下：
水流通过进水口进入喷水推进器，经过入口直管2的引流至外泵叶轮室3，发动机动力输出轴将动力传递到外泵传动轴1，外泵传动轴1带动外泵叶轮4的叶片旋转，经过外泵叶轮4旋转做功，水流的压能和动能得到了提高，一部分水流经过外泵导叶6消除周向速度分量，一部分水流经过内泵叶轮9，通过内泵叶轮9的旋转做功，使得压能和动能进一步提高，再通过内泵导叶11的整流作用消除周向速度分量，两部分水流在外泵导叶室5出口处汇合，最终喷出。
经过数值计算验证，在设计工况下，不采用双涵道喷水推进泵的扬程为11.5m，必需汽蚀余量8.15m，双涵道喷水推进泵为13.2m，必需汽蚀余量7.8m，扬程大小具有明显的提高，抗空化性能明显改善。
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 (5)

1.一种转速可调的双涵道喷水推进泵，其特征在于：由外泵传动轴、入口直管、外泵叶轮室、外泵叶轮、外泵导叶室、外泵导叶、内泵叶轮室、轴向电机、内泵叶轮、内泵导叶室和内泵导叶组成；
所述外泵传动轴前端连接发动机动力输出轴，后端连接外泵叶轮；
所述入口直管为等值段管路，通过法兰盘与外泵叶轮室连接，并通过法兰与固定在船上的进水流道连接；
所述外泵叶轮室为等径圆筒结构，通过螺栓与入口直管段和外泵导叶室连接；
所述外泵叶轮为主要做功部件，位于外泵叶轮室内，将外泵传动轴输入的机械能转化为流体的能量，叶片通过螺母和定位销固定在轮毂上，轮毂与外泵传动轴固定连接；
所述外泵导叶室为渐缩管结构，通过螺栓与外泵叶轮室连接，出口端设置有法兰盘，可与喷口段连接；
所述外泵导叶位于外泵导叶室内，且与外泵导叶室为一体，其作用为消除水流周向速度分量，进行整流作用，将流出叶轮的水流的旋转运动转换为轴向运动，外泵导叶的轮毂为中空结构，用于布置内泵叶轮和内泵导叶；
所述内泵叶轮为做功部件，安装于外泵导叶轮毂内部，通过安装于外泵导叶轮毂内的轴向电机驱动传动轴带动内泵叶轮进行旋转，由于流经内泵的流体已经经过外泵叶片做功，压力较高，所以内泵抗空化性能要求较低；
所述内泵导叶位于外泵导叶轮毂内部，其作用为消除水流周向速度分量，将流出叶轮的水流的旋转运动转换为轴向运动。
2.如权利要求1所述的转速可调的双涵道喷水推进泵，其特征在于：所述内泵为低阻翼型。
3.如权利要求2所述的转速可调的双涵道喷水推进泵，其特征在于：所述内泵为翼的最大厚度位置均在离导边0.3～1.3弦长的哥丁根和NACA44系列的翼型；或者内泵转速为外泵转速的115％～145％古希翼型。
4.如权利要求1所述的一种转速可调的双涵道喷水推进泵，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 FDA0003726888570000021
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 FDA0003726888570000022
为展向涡强度；
Figure FDA0003726888570000023
为弦向涡强度；
Figure FDA0003726888570000024
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 FDA0003726888570000025
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 FDA0003726888570000026
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。
5.如权利要求1或2或3所述的转速可调的双涵道喷水推进泵的工作方法，其特征在于：水流通过入口直管的进水口进入管路，经过入口直管的引流至外泵叶轮室，发动机动力输出轴将动力传递到外泵传动轴，外泵传动轴带动外泵叶轮的叶片旋转，经过外泵叶轮的旋转做功，水流的压能和动能得到了提高，一部分水流经过外泵导叶消除周向速度分量，一部分水流经过内泵叶轮，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，通过内泵叶轮的旋转做功，使得压能和动能进一步提高，再通过内泵导叶消除周向速度分量，两部分水流在外泵导叶室出口处汇合，最终喷出。
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