CN114065369A - 一种带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器水力模型及设计方法 - Google Patents

一种带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器水力模型及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型及设计方法，涉及水下航行体推进器技术领域，包括柔性导叶、转子、定子、定子轮毂和旋转轴；所述定子轮毂为中空结构，定子轮毂内设置有支撑轴承，支撑轴承用来支撑定位旋转轴；所述定子轮毂外侧壁上设置有定子和柔性导叶；旋转轴上设置有转子，所述转子置于定子和柔性导叶之间；定子、转子和柔性导叶均置于导管内，其中，所述定子与导管固连；所述导管为锥形结构，柔性导叶设置在锥形结构的大端位置，定子设置在锥形结构的小端位置。本发明通过加装柔性导叶能够更好地适应非均匀伴流以及斜流等复杂海况，提高其稳定性以及在复杂海况下水动力性能。

Description

一种带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器水力模型及设计 方法
技术领域
本发明涉及水下航行体推进器技术领域，尤其涉及到一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型以及设计方法。
背景技术
水下航行器等海洋装备的研发技术是关系国计民生以及国家安全的战略装备，海洋装备在水下航行与作业时主要依赖其推进器系统，作为核心部件，是提供水下航行体动力的源头，使航行体获得所需的航速与航程。推进技术是航行体发展的关键技术之一，决定了其机动性与航行速度等水下航行性能，保证其在水下高效、安全完成任务。其中，泵喷推进器具有隐蔽性高、效率高等优势，作为国内近年来才发展起来的一种推进形式，主要由转子、定子和导管等结构组成，其主要是在螺旋桨或轴流泵理论的基础上进一步设计得到的推进器，噪声水平也比较低。因此，泵喷推进器是海洋装备尤其是高航速水下航行体等的最合适选择，其低噪特性一定程度上提高了海洋装备整体声学隐蔽性。
泵喷推进器作为一种研究起步相对较晚的推进形式，主要运用于军事领域，因其隐蔽性以及优良的水动力性能逐渐受到广大研究者的关注，随着近年来军转民的推进，其也逐渐运用在中小型水下航行体上。但传统上泵喷推进器设计只考虑由于水下工作环境复杂性以及隐蔽性等需求，其中推进载荷(推力和扭矩)是主要考虑的。然而，如果水下航行器工作中遇到横流或风，泵喷推进器则不可避免地会在斜流条件中运行，斜流入水的现象在推进器的运行过程中广泛存在。斜流是一种相对简单的非均匀流动，在航行器的横移、转弯等过程中广泛存在。当泵喷推进器在斜流中工作时，斜流影响泵喷的水动力性能，影响其横向载荷，不仅会使推力和转矩受到一定的影响，导致推力和扭矩曲线相对于开放水域状态发生变化，还会产生很强的激振力，对航行器操纵的稳定性产生不利影响。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，在原有泵喷水力模型的基础上，通过加装柔性导叶能够更好地适应非均匀伴流以及斜流等复杂海况，提高其稳定性以及在复杂海况下水动力性能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，包括柔性导叶、转子、定子、定子轮毂和旋转轴；
所述定子轮毂为中空结构，定子轮毂内设置有支撑轴承，支撑轴承用来支撑定位旋转轴；所述定子轮毂外侧壁上设置有定子和柔性导叶；旋转轴上设置有转子，所述转子置于定子和柔性导叶之间；所述定子、转子和柔性导叶均置于导管内，其中，所述定子与导管固连；所述导管为锥形结构，柔性导叶设置在锥形结构的大端位置，定子设置在锥形结构的小端位置。
进一步的，所述柔性导叶上安装有导叶轴；所述导叶轴的一端垂直安装在定子轮毂上，另一端垂直安装在导管上。
进一步的，所述柔性导叶材质为橡胶；所述柔性导叶中间厚两侧薄。
进一步的，所述柔性导叶内开设有滚动槽和放置槽；所述滚动槽与放置槽组成T字形结构；滚动槽内设置有连接线，连接线上安装有滚珠，在外力的作用下，滚珠沿滚动槽滑动，当滚珠滑动到放置槽内时，连接线拉动柔性导叶使柔性导叶的两侧向中间收缩；所述放置槽出口端设置有密封盖。
进一步的，滚珠上开设有孔，连接线穿过孔。
进一步的，所述滚动槽沿柔性导叶水平方向设置，放置槽沿柔性导叶竖直方向设置。
进一步的，所述转子进口环量等于柔性导叶出口环量。
进一步的，所述柔性导叶的叶片数为3片，所述转子叶片的叶数为7片，所述定子的叶片数为9片。
进一步的，所述柔性导叶绕所述导叶轴在0～30°开度内摆动。
一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器的设计方法，包括以下步骤：
a.根据设计要求和给出的条件对泵喷推进器进行理论分析以及选型，确定柔性导叶、转子、定子和导管的水力几何参数；
b.柔性导叶、转子、定子的内外壁面的二维轴面投影图；导管内外壁面的二维轴面投影图得到导管的三维模型；
c.计算得到柔性导叶进出口环量，柔性导叶出口的环量取值为转子进口环量，转子出口环量等于定子进口环量；并且结合步骤a和步骤b所得结果采用参数化三元反问题设计方法确定柔性导叶、转子、定子的三维几何形状；
d.选取柔性导叶的开度，柔性导叶大小为0～30°，侧斜角度沿叶片径向采用线性分布形式；
e.基于步骤c与d得到的泵喷推进器模型，利用计算流体力学(CFD)方法计算得到在设计航速、转速和伴流条件下其水动力性能，判断泵喷推进器水动力性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则反复迭代步骤b到步骤e修改泵喷推进器的轴面投影图，并调整转子、定子在三维反问题设计过程中的叶片表面负载分布规律，转子及定子的环量、前置活动式柔性导叶叶片的开度，重新设计得到三种叶片的三维几何形状；
f.确定前置周向非对称布置的泵喷推进器水力模型。
有益效果：
1.本发明涉及到的柔性导叶安装及制造容易，成本较低，且效果明显，适用于水下潜水器等。
2.本发明可实现提高复杂海况下泵喷推进器内部流动稳定性目的，使柔性导叶由橡胶材料制成，降低了涡的发生概率，有利于泵喷推进器稳定运行，减小推力损失，新型高效泵喷推进器具有更稳定的推力。
3.本发明通过柔性导叶内的水平滚动槽和水平滚动槽内的滑动球体，有利于促进导叶尾端根据两侧的水流压力调整偏转方向；
4.相比传统泵喷推进器，本发明的泵喷推进器在复杂海况下运行时柔性导叶有效接受了来流中损失的能量，从而提高了新型高效推进器具有更高的推进效率。
5.转子的进口环量等于柔性导叶的出口环量，设计出的泵喷推进器各个构件配合更加良好，提高水动力性能。
6.叶片数互为质数，使得内部流动更加稳定。
7.在来流时，柔性导叶可绕导叶轴旋转0～30，同时，柔性导叶本身内部结构，也可是使柔性导叶在外力的作用下，两侧向中间收缩，不管是柔性导叶相对导叶轴的旋转还是柔性导叶向中间收缩都能够降低涡流发生的概率，减少推力损失。
附图说明
图1是本发明实施例涉及到的一种带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器的水力模型三维模型结构示意图；
图2是本发明实施例带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器二维剖面示意图；
图3是本发明实施例带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器中前置活动式柔性导叶叶片结构示意图；
图4是本发明实施例带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器中前置活动式柔性导叶叶片俯视图；
图5为图4的A-A的剖视图。
附图标记：1-柔性导叶，2-转子，3-定子，4-定子轮毂，5-旋转轴，6-支撑轴承，7-导管， 8-导叶轴，9-密封盖，10-放置槽，11-连接线，12-滚动槽；13-滚珠。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，包括柔性导叶1、转子2、定子3、定子轮毂4和旋转轴5；所述定子轮毂4为中空结构，定子轮毂4内设置有支撑轴承6，支撑轴承6用来支撑定位旋转轴5；所述定子轮毂4外侧壁上设置有定子3和柔性导叶1；旋转轴5上设置有转子2，所述转子2置于定子3和柔性导叶1之间；所述定子3、转子2和柔性导叶1 均置于导管7内，其中，所述定子3与导管7固连；所述导管7为锥形结构，柔性导叶1设置在锥形结构的大端位置，定子3设置在锥形结构的小端位置。
其中，所述柔性导叶1上安装有导叶轴8；所述导叶轴8的一端垂直安装在定子轮毂4 上，另一端垂直安装在导管7上。
所述柔性导叶1材质为橡胶；所述柔性导叶1中间厚两侧薄。
所述柔性导叶1内开设有滚动槽12和放置槽10；所述滚动槽12与放置槽10组成T字形结构；滚动槽12内设置有连接线11，连接线11上安装有滚珠13，在外力的作用下，滚珠 13沿滚动槽12滑动，当滚珠13滑动到放置槽10内时，连接线11拉动柔性导叶1使柔性导叶1的两侧向中间收缩；所述放置槽10出口端设置有密封盖9。
滚珠13上开设有孔，连接线11穿过孔。
所述滚动槽12沿柔性导叶1水平方向设置，放置槽10沿柔性导叶1竖直方向设置。
所述转子2进口环量等于柔性导叶1出口环量。
所述柔性导叶1的叶片数为3片，所述转子叶片2的叶数为7片，所述定子3的叶片数为9片。
所述柔性导叶1绕所述导叶轴8在0～30°开度内摆动。
一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器的设计方法，包括以下步骤：
a.根据设计要求和给出的条件对泵喷推进器进行理论分析以及选型，确定柔性导叶1、转子2、定子3和导管7的水力几何参数；
b.柔性导叶1、转子2、定子3的内外壁面的二维轴面投影图；导管7内外壁面的二维轴面投影图得到导管7的三维模型；
c.计算得到柔性导叶1进出口环量，柔性导叶1出口的环量取值为转子2进口环量，转子2出口环量等于定子3进口环量；并且结合步骤a和步骤b所得结果采用参数化三元反问题设计方法确定柔性导叶1、转子2、定子3的三维几何形状；
d.选取柔性导叶1的开度，柔性导叶1大小为0～30°，侧斜角度沿叶片径向采用线性分布形式；
e.基于步骤c与d得到的泵喷推进器模型，利用计算流体力学CFD方法计算得到在设计航速、转速和伴流条件下其水动力性能，判断泵喷推进器水动力性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则反复迭代步骤b到步骤e修改泵喷推进器的轴面投影图，并调整转子2、定子3在三维反问题设计过程中的叶片表面负载分布规律，转子及定子的环量、前置活动式柔性导叶叶片的开度，重新设计得到三种叶片的三维几何形状；
f.确定前置周向非对称布置的泵喷推进器水力模型。
结合附图1，本发明提供了一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，包括转子2、定子3和定子轮毂4、柔性导叶1和导管7，柔性导叶1叶片和转子2叶片后的定子3叶片分别周向对称布置于各自固定轮毂上，并且定子3叶片叶梢同时固定于锥形导管7内壁面，柔性导叶1叶片则通过调节装置连接在导管7上。旋转轴5依次同轴穿过柔性导叶1、定子轮毂4和转子2，转子2固定套接于旋转轴5外部并由旋转轴5驱动做功，旋转轴5通过的滑动支撑轴承6同轴支撑于定子轮毂4内部。柔性导叶1所用材料为柔性材料，柔性导叶1内设有滚动槽12，所述滚动槽12为水平设置，内置滚珠13及连接线11，所述滚动槽12上方设有放置槽10，所述放置槽10槽口处设有密封盖9，通过内置滚珠13利于柔性导叶1收到水流冲击时发生偏转，其活动角度最大开度为30度，可根据不同工况进行调节；所述导管7 外壁面采用减速导管，且为流动性能较好的翼型结构；所述转子2进口环量等于柔性导叶1 出口的环量；水下航行器艇尾的伴流区流体沿着导叶半径剖面渐次进入转子进口；柔性导叶 1的叶片数为3叶，所述转子2叶片的叶数为7叶，定子3的叶片数为9叶；柔性导叶所用材质1为橡胶；
一种带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器水力模型设计方法，包括以下步骤：
a.根据设计要求和给出的条件对泵喷推进器进行理论分析以及选型，确定柔性导叶1、转子2、定子3和导管7的水力几何参数
b.确定泵喷推进器柔性导叶1、转子2、定子3和导管7内外壁面的二维轴面投影图；导管7内外壁面的二维轴面投影图得到导管的三维模型；柔性导叶1、转子2和定子3三维几何形状由水动力参数以及轴面几何、叶截面厚度分布和堆叠角等几何参数共同确认；
c.计算得到柔性导叶1进出口环量，柔性导叶1出口的环量取值为转子2进口的环量，转子2出口环量等于定子3的进口环量，而计算时叶片环量分布即叶片载荷分布，也代表着叶片做功的强弱；叶面负载(叶面压力面和吸力面之间的压力差)与沿周向平均的环量rVt在轴面流线方向上的导数密切相关，数学模型为
Figure RE-GDA0003454344290000061
式中，为轴面相对叶面速度，m为叶片流线轴面投影长度，
Figure RE-GDA0003454344290000062
的值等于
Figure RE-GDA0003454344290000063
沿流线轴面投影长度的积分
柔性导叶叶片、转子叶片和定子叶片三维几何时，叶片的叶根截面均采用中间均匀负载分布形式分布，即叶片表面的压力载荷在前端先上升，在叶片翼型弦长的20％处达到峰值，随后在中间平稳均匀分布，利用线性插值进行过渡，最后在60％弦长处下降，最后降为0；导叶和定子叶片叶根截面进口边处采用小的攻角，转子叶片叶顶截面出口边处采用小的攻角。并且结合步骤a和步骤b所得结果采用参数化三元反问题设计方法确定柔性导叶1、转子2 以及定子3的三维几何形状；
d.选取柔性导叶叶片的开度，其中大小为30°左右，侧斜角度沿叶片径向采用线性分布形式；目的是使伴流区流体沿着导叶半径剖面进入转子入口，从而达到减小转子叶片的压力脉动。同时，本发明采用柔性导叶，在例如斜流等复杂海况下并且结合柔性材质，根据来流情况自动调整角度，有效降低进流的不稳定程度，增加推进器效率。
e.基于步骤c与d得到的泵喷推进器模型，利用计算流体力学(CFD)方法计算得到在设计航速、转速和伴流条件下其水动力性能，判断泵喷推进器水动力性能是否满足设计要求：
基于高性能计算机平台，运用计算流体力学方法以及试验手段对泵喷推进器的推进性能进行计算和评估，若得到的水动力性能满足要求，则进行下一步；若否，则反复迭代步骤b 到步骤e修改泵喷推进器的轴面投影图，并调整转子2、定子3在三维反问题设计过程中的叶片表面负载分布规律，转子及定子的环量、前置活动式柔性导叶叶片的开度，重新设计得到三种叶片的三维几何形状；
f.确定一种带活动式柔性导叶的新型泵喷推进器水力模型。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，包括柔性导叶(1)、转子(2)、定子(3)、定子轮毂(4)和旋转轴(5)；
所述定子轮毂(4)为中空结构，定子轮毂(4)内设置有支撑轴承(6)，支撑轴承(6)用来支撑定位旋转轴(5)；所述定子轮毂(4)外侧壁上设置有定子(3)和柔性导叶(1)；旋转轴(5)上设置有转子(2)，所述转子(2)置于定子(3)和柔性导叶(1)之间；所述定子(3)、转子(2)和柔性导叶(1)均置于导管(7)内，其中，所述定子(3)与导管(7)固连；所述导管(7)为锥形结构，柔性导叶(1)设置在锥形结构的大端位置，定子(3)设置在锥形结构的小端位置。
2.根据权利要求1所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述柔性导叶(1)上安装有导叶轴(8)；所述导叶轴(8)的一端垂直安装在定子轮毂(4)上，另一端垂直安装在导管(7)上。
3.根据权利要求1所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述柔性导叶(1)材质为橡胶；所述柔性导叶(1)中间厚两侧薄。
4.根据权利要求1所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述柔性导叶(1)内开设有滚动槽(12)和放置槽(10)；所述滚动槽(12)与放置槽(10)组成T字形结构；滚动槽(12)内设置有连接线(11)，连接线(11)上安装有滚珠(13)，在外力的作用下，滚珠(13)沿滚动槽(12)滑动，当滚珠(13)滑动到放置槽(10)内时，连接线(11)拉动柔性导叶(1)使柔性导叶(1)的两侧向中间收缩；所述放置槽(10)出口端设置有密封盖(9)。
5.根据权利要求4所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，滚珠(13)上开设有孔，连接线(11)穿过孔。
6.根据权利要求4所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述滚动槽(12)沿柔性导叶(1)水平方向设置，放置槽(10)沿柔性导叶(1)竖直方向设置。
7.根据权利要求1所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述转子(2)进口环量等于柔性导叶(1)出口环量。
8.根据权利要求1所述的所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述柔性导叶(1)的叶片数为3片，所述转子叶片(2)的叶数为7片，所述定子(3)的叶片数为9片。
9.根据权利要求2所述的所述的带活动式柔性导叶的泵喷推进器水力模型，其特征在于，所述柔性导叶(1)绕所述导叶轴(8)在0～30°开度内摆动。
10.一种带活动式柔性导叶的泵喷推进器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.根据设计要求和给出的条件对泵喷推进器进行理论分析以及选型，确定柔性导叶(1)、转子(2)、定子(3)和导管(7)的水力几何参数；
b.柔性导叶(1)、转子(2)、定子(3)的内外壁面的二维轴面投影图；导管(7)内外壁面的二维轴面投影图得到导管(7)的三维模型；
c.计算得到柔性导叶(1)进出口环量，柔性导叶(1)出口的环量取值为转子(2)进口环量，转子(2)出口环量等于定子(3)进口环量；并且结合步骤a和步骤b所得结果采用参数化三元反问题设计方法确定柔性导叶(1)、转子(2)、定子(3)的三维几何形状；
d.选取柔性导叶(1)的开度，柔性导叶(1)大小为0～30°，侧斜角度沿叶片径向采用线性分布形式；
e.基于步骤c与d得到的泵喷推进器模型，利用计算流体力学(CFD)方法计算得到在设计航速、转速和伴流条件下其水动力性能，判断泵喷推进器水动力性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则反复迭代步骤b到步骤e修改泵喷推进器的轴面投影图，并调整转子(2)、定子(3)在三维反问题设计过程中的叶片表面负载分布规律，转子及定子的环量、前置活动式柔性导叶叶片的开度，重新设计得到三种叶片的三维几何形状；
f.确定前置周向非对称布置的泵喷推进器水力模型。
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