CN113190913B - 一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法 - Google Patents
一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，包括动力源的选择和相关尺寸的设计，将动力源设定为航行器动力系统的核心部件，使入口面、电机安装位、喉道等关键尺寸与动力源相关联，并考虑实际情况增加多个修正参数，从而将各尺寸变为系数关联，使关键尺寸随动力源的选择对应变化。本发明基于流量连续原理，由动力源决定动力系统整体型线，具有简洁高效、适用范围广的特点，既可以依实际需求进行修正，亦可以验证现有设计实例，同时可用于正向和逆向设计，大大缩短产品研制周期和成本，更好地满足两栖航行器制造的设计。
Description
技术领域
本发明涉及航行器动力系统设计领域，特别是涉及一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法。
背景技术
跨介质航行器是指能同时在两种或以上不同介质中工作的航行器，一般指跨越水和空气两种介质，最典型的应用为潜射导弹、反潜导弹等。因其兼具水下的静音、隐蔽性，和空中的灵活、高机动性的优点，相关研究发展涉及领域广泛，受到相当重视。
随着跨介质航行器的发展，如何使动力系统能够得到同时兼容两种不同工作介质下的较优解已成为相关研究的重点。跨介质航行器动力系统工作中所跨介质的物理性质大不相同，可以以电机带动螺旋桨作为动力源。以最典型的跨水/空气为例，水的密度、阻力、粘性通常情况下比空气大，但可压缩性较小，较空气可以提供更大浮力；工作时螺旋桨转速与在空气中相比差异较大；为在水中姿态保证稳定，还需要增加配重等，从而使航行器在不同介质中的升阻比、推重比差异变大，与此同时还需要兼顾减重、体积、推重比等诸多因素，设计过程较复杂，每次寻找较优解时需要不断调整各部件结构，重复迭代使产品的研制周期和成本大大增加因此寻找有一种普适性的满足多介质、跨介质过程的动力系统匹配设计方法很重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，该方法以动力系统的动力源，如螺旋桨等作为核心部件，则核心部件尺寸为螺旋桨尺寸，综合考虑工作介质的可压性、附面层摩擦损失的影响、减小空泡区形成等因素，将动力系统的其它关键尺寸与核心部件尺寸关联，便于在跨介质航行器核心部件的参数确定后，快速得出其他关键尺寸参数，进一步利于螺旋桨等部件与两栖航行器上游部件和下游部件匹配，从而实现研制周期大大缩短。
为实现上述目的，本发明采用的方案为：
一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，所述动力系统沿着内流道方向包括依次连通的入口面，进口渐缩段，水平等直段，后渐缩段，喉道，其中，
在所述进口渐缩段和所述水平等直段交界处设置有前电机安装位，所述前电机安装位设置有前电机，所述前电机连接有第一螺旋桨，在所述后渐缩段内设置有后电机安装位，所述后电机安装位设置有后电机，所述后电机连接有与所述第一螺旋桨相同型号的第二螺旋桨，所述第一螺旋桨和第二螺旋桨设置在所述水平等直段内部；
所述动力系统为绕两栖航行器典型型线的中轴线旋转而成的轴对称式，并且所述前电机安装位和所述后电机安装位相对所述水平等直段的中垂线对称；
所述设计方法包括如下步骤：
步骤S1、选定第一螺旋桨和所述第二螺旋桨的型号，根据选定的型号，确定螺旋桨的桨径D、中心处厚度ζ，以及相匹配的所述前电机以及所述后电机的电机外径d；
步骤S2、根据步骤S1中确定的桨径D以及电机外径d，求出实际过流面积S0，再根据实际过流面积S0，确定喉道直径D0；
步骤S3、根据步骤S2中确定的实际过流面积S0和步骤S1中确定的电机外径d，确定所述水平等直段的直径D水平；
步骤S4、根据步骤S3中确定的直径D水平，确定所述水平等直段的内壁至相邻侧前电机安装位外壁的距离R1以及相邻侧后电机安装位外壁的距离R2；
步骤S5、根据步骤S1中确定的中心处厚度ζ，得出水平等直段长度L,表达式为：L＝k3*ζ；
公式中，k3表示长度系数，该系数的取值范围为6.9～9.5；
步骤S6、根据步骤S2中确定的实际过流面积S0以及前电机位外径D1，求出航行器主体在入口截面处对应的直径d3，入口面外径为D3以及入口面外侧距航行器外表面的竖直距离R3。
进一步的，所述步骤S2具体包括：
步骤201、根据所述电机外径d确定所述前电机安装位和所述后电机安装位的电机安装位外径，表达式为：
D1＝k1*d
公式中，k1表示材料系数，该系统的取值范围为：1.13～1.27，d表示电机外径；
步骤202、根据电机安装位外径D1，计算出有效桨面积S，表达式为：
公式中，D1表示电机安装位的外径，D表示桨径；
步骤203、根据有效桨面积S，计算喉道直径D0，表达式为：
S0＝k2*S
公式组中，k2表示为面积补偿系数，该系数的取值范围：1.03～1.10，S表示为有效桨面积，S0表示为实际过流面积。
进一步的，所述步骤S3具体包括：
步骤301、根据电机安装位外径D1，求出后电机安装位迎风面积S1，表达式为：
步骤302、根据所述后电机安装位迎风面积S1以及实际过流面积S0，求出水平等直段面积S水平，表达式为：
步骤303、根据所述水平等直段面积S水平，得出所述水平等直段的直径D水平，表达式为：
公式中，D表示为桨径，k2表示为面积补偿系数，该系数的取值范围：1.03～1.10，k1表示为表示材料系数，该系统的取值范围为：1.13～1.27，d表示电机外径。
进一步的，在所述步骤S4中，所述R1以及所述R2的表达式为：
公式中，D水平表示为水平等直段的直径，D1表示为电机安装位外径。
进一步的，所述步骤S6具体包括：
步骤S601、根据所述电机安装位外径D1，求出航行器主体在入口截面处对应的直径d3,表达式为
d3＝k4*D1＝k4k1d
公式中，k4表示比例系数，该系数的取值范围为：3.35～4.00，k1表示材料系数，该系统的取值范围为：1.13～1.27，d表示为电机外径；
步骤S602、根据所述实际过流面积S0与入口面外径D3以及航行器主体在入口截面处对应的直径d3的尺寸关系，建立公式，表达式为：
根据所述公式求出入口面外径D3；
步骤S603、根据所述入口面外径D3以及所述航行器主体在入口截面处对应的直径d3，求出入口面外侧距航行器外表面的竖直距离R3，表达式为：
进一步的，所述后电机安装位的下游形状为与所述后渐缩段平行的流线型，并且所述后电机安装位与与喷管壁的连接支撑采用鳍型，连接支撑的数量为任意值，其中以3或4个为佳。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过螺旋桨桨径、螺旋桨厚度、电机尺寸，即可推算出水空两用航行器动力系统关键尺寸，可以减少迭代次数，降低设计成本。
2、本发明给出了每个尺寸系数的可选范围，有利于依据不同情况下的需要进行浮动选择。
3、对尺寸系数，本发明给出了一个推荐选择方案，有利于相似需求时的快速设计；可以利用系数对现有航行器动力系统型线尺寸进行反向验证。
附图说明
图1为实施例1中一种使用渐缩-渐扩喷管的轴对称跨介质水空两栖航行器的结构示意图。
图2为实施例1中一种使用渐缩-渐扩喷管的轴对称跨介质水空两栖航行器型线平行流向剖视图，其中：A表示为航行器主体，B表示为过渡段，C表示为喷管段。
图3为实施例1中动力系统型线平行流向的剖视图。
图4为实施例1中动力系统型线的尺寸标注示意图。
附图中：
1-入口面，2-进口渐缩段，3-前电机安装位，4-一对螺旋桨，5-水平等直段，6-后电机安装位，7-后渐缩段，8-喉道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图4，本实施例提供一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，该方法在本实例中应用于一种使用渐缩-渐扩喷管的轴对称跨介质水空两栖航行器，参见图1和图2，该航行器包括航行器主体，过渡段和喷管段。过渡段为航行器主体与喷管段的连接部分。动力系统包括过渡段后段与喷管段部分，本实施例中采用的喷管选择喉道偏移式流体推力矢量喷管作为流体推力矢量喷管的代表进行设计和优化。
该航行器的动力系统沿着内流道方向包括依次连通的入口面1，进口渐缩段2，前电机安装位3，一对螺旋桨4，水平等直段5，后电机安装位6，后渐缩段7，喉道8，且前电机安装位3设置在进口渐缩段2和水平等直段5交界处，后电机安装位6设置在后渐缩段7内，一对螺旋桨4安装在水平等直段5内。
具体的说，在本实例中，动力系统为绕两栖航行器典型型线的中轴线旋转而成的轴对称式，并且前电机安装位3和后电机安装位6相对水平等直段的中垂线对称；前电机安装位3和后电机安装位6上安装为同型号电机，同时一对螺旋桨4是具有相同型号的螺旋桨。
在本实施中，通过安装在水平等直段5的一对螺旋桨4决定了动力系统其他关键部位的尺寸，设计时确定了一对螺旋桨4的参数即可直接算出其他各部分的尺寸。
需要提前说明的是，本实施考虑实际工作状态时的各方面影响，重点设置以下几个系数：
1、考虑电机和螺旋桨的转动惯量在不同工况下的差异，和航行器材料性质，本实施例增加了电机安装位的材料系数k1。
2、由于航行器所跨越介质的可压性差异、以及内流道附面层的影响、摩擦损失、湍流、脱体等因素，本实施例增加了面积补偿系数k2。
3、考虑螺旋桨的厚度等因素，本实施例设置了水平等直段的长度系数k3。
4、由于航行器前段主体部分型线对后部动力系统尺寸的影响，本实施例设置了动力舱型线的比例系数k4。
具体的说，参见图3，本实施提供的具体设计方法为：
步骤S1、选定一对螺旋桨4的型号，根据选定的型号，确定一对螺旋桨4的桨径D、中心处厚度ζ，以及相匹配的前电机以及后电机的电机外径d；
更具体的说，在本实施例中，选择桨径D＝75mm，中心处厚度ζ＝5.6mm＝0.075D的螺旋桨为动力源，与之对应外径为d＝22mm＝0.293D的前后电机。
步骤S2、根据步骤S1中确定的桨径D以及电机外径d，求出实际过流面积S0，再根据实际过流面积S0，确定喉道直径D0。
更具体的说，在本实施例中步骤S2包括：
步骤201、根据电机外径d＝22mm确定前电机安装位3和后电机安装位6的电机安装位外径，D1＝1.136d＝0.333D，具体的说，材料系数k1由航行器材料性质等决定，材料为常见高分子材料时一般取1.13～1.27。航行器材料强度较大时选择较小k1，材料强度小时选择较大k1，在本实施例中，材料系数选取k1＝1.136。
步骤202、根据电机安装位外径D1，计算出有效桨面积S，具体的说，因为确定螺旋桨桨径D和电机位外径D1后，由于前电机安装位3的前段为航行器主体，非过流流道，因此实际有效桨面积S应为前螺旋桨工作时覆盖的面积减去前电机安装位3的截面积，表达式为：
步骤203、考虑流体与材料的摩擦、一个螺旋桨的桨尖损失、一对螺旋桨4的桨间损失等不可忽略，以及航行器所跨越介质的可压性差异、内流道附面层的影响、湍流、脱体等，有效桨面积S应乘一个大于1的补偿系数k2方得到实际过流面积S0，表达式为：
S0＝k2*S
具体的说，k2一般取值1.03～1.10，考虑出口面尺寸应小于桨径，过度修正会形成扩张流道，产生过大流动损失,在本实施例中，k2＝1.05，亦为出口面面积S出＝S0，由此得到后渐缩段7最小处(也即是喉道8)直径为：
因此，在本实施例中，S0＝0.735D2，D0＝0.967D。
步骤S3、根据步骤S2中确定的实际过流面积S0，确定水平等直段5的直径D水平；
更具体的说，在本实施例中步骤S3包括：
步骤301、根据电机安装位外径D1，求出后电机安装位6的迎风面积S1，具体的说，因为降低复杂程度，流场效果达到最佳，本实施例采用对称设计，后电机安装位6的外径与前电机安装位3的外径D1相同，此处又形成一个非过流截面积，表达式为：
步骤302、根据后电机安装位6的迎风面积S1以及实际过流面积S0，求出水平等直段5的面积S水平，表达式为：
步骤303、根据水平等直段5的面积S水平，得出水平等直段5的直径D水平，表达式为：
在本实施例中，有效流通面积补偿系数k2＝1.05，电机安装位系数选取k1＝1.136，得出D水平＝1.044D。
步骤S4、根据步骤S3中确定的直径D水平，确定水平等直段5的内壁至相邻侧前电机安装位3外壁的距离R1以及相邻侧后电机安装位6外壁的距离R2；
具体的说，所以R1＝R2＝0.711D，在本实施例中，后电机安装位6的下游应设计为尽量与后渐缩段7平行的流线型，其与喷管壁的连接支撑亦使用鳍型，最大程度减小流动损失，其厚度和长度由材料强度和向后电机安装位的供电走线需求确定，数量为任意值，其中以3或4个为佳。
步骤S5、根据步骤S1中确定的中心处厚度ζ，得出水平等直段5的长度L,表达式为：L＝k3*ζ；
具体的说，在本实施例中，水平等直段5的长度主要受所选取桨的中心处厚度ζ影响，ζ＝(0.060～0.080)D；
两螺旋桨间的流场较为特殊，无法预测，考虑螺旋桨的工作效率最大化，由研究经验引入长度系数k3，k3＝(6.9～9.5),由桨的参数、航行器整体长度要求寻找较优取值，则水平等直段长度取值为：
L＝k3*ζ；
更具体的说，在本实施例中，水平等直段5的长度系数k3＝8.32，中心处厚度ζ
＝5.6mm＝0.075D，因此，L＝0.624D。
步骤S6、根据步骤S2中确定的实际过流面积S0以及前电机位外径D1，求出入口面1外侧距航行器外表面的竖直距离R3。
具体的说，在本实施例中，动力系统的入口面1处，内侧为跨介质航行器的主体，外侧为动力系统外壁，因流量连续，两者间的环形过流面积应与流道实际过流面积S0相同。若入口面1竖直方向对应处航行器的直径为d3，入口面外径为D3，则有：
因此，可得动力系统内流道入口面1外侧距航行器外表面竖直距离为：
更具体的说，在本实施例中，R3＝1.198D，最终得到整体型线。
综上，本发明将跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计过程进行公式化、标准化，通过以动力系统中核心部件尺寸为输入条件，将动力系统的其它关键尺寸与之关联，使得在确定动力源相关参数后，跨介质航行器动力系统整体型线可快速匹配设计，并在更改动力源后可快速进行调整，降低了迭代成本。
航行器动力系统型线在关键截面处的尺寸由本发明求出的几个直径和距离值即可确定，从而得出动力系统大致线型，然后依照航行器整体尺寸、部件材料等进行相对应调整、修型，在满足流量连续的前提下动力系统各设计部件型线尽量满足流线型，以期减少滞止损失和回流区的产生。
在本发明喉道后端亦可另加设计渐扩喷管，可满足不同产品需求。
本发明可由燃气轮机、核能等其他各类能源带动的螺旋桨作为动力源，应用时参照本发明依实际需求进行对应修正即可。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，所述动力系统沿着内流道方向包括依次连通的入口面，进口渐缩段，水平等直段，后渐缩段，喉道，其中，
在所述进口渐缩段和所述水平等直段交界处设置有前电机安装位，所述前电机安装位设置有前电机，所述前电机连接有第一螺旋桨，在所述后渐缩段内设置有后电机安装位，所述后电机安装位设置有后电机，所述后电机连接有与所述第一螺旋桨相同型号的第二螺旋桨，所述第一螺旋桨和第二螺旋桨设置在所述水平等直段内部；
所述动力系统为绕两栖航行器典型型线的中轴线旋转而成的轴对称式，并且所述前电机安装位和所述后电机安装位相对所述水平等直段的中垂线对称；
其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
步骤S1、选定第一螺旋桨和所述第二螺旋桨的型号，根据选定的型号，确定螺旋桨的桨径D、中心处厚度ζ，以及相匹配的所述前电机以及所述后电机的电机外径d；
步骤S2、根据步骤S1中确定的桨径D以及电机外径d，求出实际过流面积S0，再根据实际过流面积S0，确定喉道直径D0；
步骤S3、根据步骤S2中确定的实际过流面积S0和步骤S1中确定的电机外径d，确定所述水平等直段的直径D水平；
步骤S4、根据步骤S3中确定的直径D水平，确定所述水平等直段的内壁至相邻侧前电机安装位外壁的距离R1以及相邻侧后电机安装位外壁的距离R2；
步骤S5、根据步骤S1中确定的螺旋桨中心处厚度ζ，得出水平等直段长度L,表达式为：L＝k3*ζ；
公式中，k3表示长度系数，该系数的取值范围为6.9～9.5；
步骤S6、根据步骤S2中确定的实际过流面积S0以及前电机位外径D1，求出航行器主体在入口截面处对应的直径d3，入口面外径为D3以及入口面外侧距航行器外表面的竖直距离R3。
2.根据权利要求1所述的一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
步骤201、根据所述电机外径d确定所述前电机安装位和所述后电机安装位的电机安装位外径，表达式为：
D1＝k1*d
公式中，k1表示材料系数，该系统的取值范围为：1.13～1.27，d表示电机外径；
步骤202、根据电机安装位外径D1，计算出有效桨面积S，表达式为：
公式中，D1表示电机安装位的外径，D表示桨径；
步骤203、根据有效桨面积S，计算喉道直径D0，表达式为：
S0＝k2*S
公式组中，k2表示为面积补偿系数，该系数的取值范围：1.03～1.10，S表示为有效桨面积，S0表示为实际过流面积。
3.根据权利要求2所述的一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
步骤301、根据电机安装位外径D1，求出后电机安装位迎风面积S1，表达式为：
步骤302、根据所述后电机安装位迎风面积S1以及实际过流面积S0，求出水平等直段面积S水平，表达式为：
步骤303、根据所述水平等直段面积S水平，得出所述水平等直段的直径D水平，表达式为：
公式中，D表示为桨径，k2表示为面积补偿系数，该系数的取值范围：1.03～1.10，k1表示为材料系数，该系统的取值范围为：1.13～1.27，d表示电机外径。
4.根据权利要求3所述的一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，其特征在于，在所述步骤S4中，所述R1以及所述R2的表达式为：
公式中，D水平表示为水平等直段的直径，D1表示为电机安装位外径。
5.根据权利要求4所述的一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括：
步骤S601、根据所述电机安装位外径D1，求出航行器主体在入口截面处对应的直径d3,表达式为
d3＝k4*D1＝k4k1d
公式中，k4表示比例系数，该系数的取值范围为：3.35～4.00，k1表示材料系数，该系统的取值范围为：1.13～1.27，d表示为电机外径；
步骤S602、根据所述实际过流面积S0与入口面外径D3以及航行器主体在入口截面处对应的直径d3的尺寸关系，建立公式，表达式为：
根据所述公式求出入口面外径D3；
步骤S603、根据所述入口面外径D3以及所述航行器主体在入口截面处对应的直径d3，求出入口面外侧距航行器外表面的竖直距离R3，表达式为：
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，其特征在于，所述面积补偿系数k2具体取值为：1.05。
7.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种轴对称跨介质水空两栖航行器动力系统匹配设计方法，其特征在于，所述后电机安装位的下游形状为与所述后渐缩段平行的流线型，并且所述后电机安装位与喷管壁的连接支撑采用鳍型，所述连接支撑的数量为3或4个。
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2021
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