带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型及其设计方法，包括导管、前置定子、叶轮、导管内部环肋和纵肋、导管内部前端的两并联共振腔亥姆霍兹共振器、导管内部后端的两并联颈部亥姆霍兹共振器。前端共振器的共振频率为泵喷叶频和2倍叶频，后端共振器的共振频率为泵喷2倍叶频。与基准泵喷水力模型相比，带亥姆霍兹共振腔的泵喷模型水动力性能基本不变，叶频和2倍叶频处线谱噪声减小2～3dB。定子叶片数为11叶，叶轮叶片数为9叶，叶轮叶片具有大侧斜特征，能够用作航速16节、推力300kN、功率3.5MW的主推进器。本发明专利技术可以进一步抑制泵喷低频线谱噪声、降低总噪声。该消声技术措施也适用于无轴驱动式集成电机泵喷水力模型的线谱噪声优化设计。

【技术实现步骤摘要】
带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型及其设计方法
本专利技术属于船舶推进器
，特别是涉及具有低线谱噪声和高临界航速特征，可以用于推进水下潜器的泵喷推进器。
技术介绍
泵喷推进器(Pumpjet，简称泵喷)以具有辐射噪声低、临界航速高的显著特征而被大量应用于低噪声潜艇主推进器，如“海狼级”潜艇、“弗吉尼亚级”和“机敏级”潜艇。当前世界上美国、英国、法国和俄罗斯都已经将泵喷推进技术应用于潜艇主推进，国内尚未见泵喷推进潜艇服役的主要原因在于缺乏优秀的泵喷水力模型。优秀的具体含义是：辐射噪声低、临界航速高(即抗空泡能力强)、推进效率适中(一种无轴驱动式集成电机泵喷推进器水力模型的设计方法，CN104462652A，2015-03-25；一种前置定子周向非对称布置的泵喷推进器水力模型及其设计方法，CN105117564A，2015-12-02)。在泵喷水力模型自主设计方面，上述专利技术专利中阐述了同时适用于无轴驱动式集成电机泵喷和常规有轴机械式泵喷水力模型的设计方法，可以设计出同时满足推进效率和总噪声级要求的泵喷水力模型。鉴于当前国内大型消声循环水槽的最低有效分析频率仅能达到800Hz([1]杨琼方,王永生,张明敏,等.伴流场中对转桨空化初生的判定与辐射噪声的预报和校验,声学学报,2014,39(5).)，而推进器最为关注的低频线谱噪声通常位于100Hz以内的低频段，导致实验室状态下推进器低频线谱噪声无法得到直接评估。实船海试辐射噪声测量时，由于机械噪声、推进器噪声和流噪声三者共同存在([2]CarltonJS.MarinePropellersandPropulsion(船舶螺旋桨与推进),SecondEdition,ElsevierLtd.,Netherlands,2007.)，且艇外流体流动和艇内动力装置设备的工作状态均会直接影响推进器噪声大小，导致单纯推进器噪声无法得到准确测量数据，也就更加难以明确界定推进器低频线谱噪声的大小。经典声学理论描述([3]ITTC,SpecialistCommitteeonHydrodynamicNoise(国际拖曳水池会议水动力噪声专家委员会报告),ProceedingsofFinalReportandRecommendationstothe27thITTC,Denmark,2014)：无空化螺旋桨脉动水动力辐射噪声主要包括离散线谱噪声和连续宽带谱噪声两类。离散线谱噪声主要是由于桨叶工作于非均匀伴流时产生，线谱频率与桨叶叶频(叶片数*转速)及其谐频(叶频的整数倍)对应，前3阶线谱频率通常低于100Hz。刚性导管内的螺旋桨噪声测量结果表明([4]MorrisSC,MuellerT.Experimentalandanalyticalstudyofthehydroacousticsofpropellersinrigidducts(刚性导管内螺旋桨水声的实验和理论研究),美国海军研究署报告,No.N00014-04-1-0193,2006.)：主要离散线谱噪声频率位于桨叶叶频和2倍叶频处。叶轮和定子相互作用水声测量结果表明([5]TweedieS.ExperimentalinvestigationofflowcontroltechniquesToreducehydroacousticrotor-statorinteractionnoise(用于减小叶轮-定子相互作用水声的流动控制技术的实验研究),弗吉尼亚理工学院暨州立大学机械工程学院硕士学位论文,2006.)：主要离散线谱噪声频率位于叶频、2倍叶频、3倍叶频和4倍叶频处，且以叶频处线谱噪声最为突出。瑞典SSPA公司在VISBY隐身护卫舰声学设计时，计算喷水推进泵(简称喷泵)噪声结果表明([6]KallmanM,LiDQ.Waterjetnoise(喷水推进泵噪声),RINA第3届国际喷水推进会议论文,2001.)：低频离散线谱噪声以2倍叶频处噪声为主。喷泵由轮缘、叶轮和定子组成，轮缘同时包围叶轮和定子，功能与泵喷导管的内壁面相同。泵喷由环状导管、叶轮(也称为转子)和定子组成，且导管同时包围叶轮和定子(组合式推进器空化初生状态下的宽带谱噪声预报方法，CN103714246A，2014.04.09)。叶轮的工作原理与螺旋桨类同，导管内叶轮的流动特征与导管内螺旋桨类似，泵喷工作时导管包围的叶轮和定子之间同样存在相互作用，导管内几何结构布置与喷泵类同，因此，泵喷离散线谱噪声频率同样位于叶轮叶频(叶片数*转速)及其谐频(通常主要位于前3阶谐频)处。需要抑制泵喷低频辐射噪声大小时，首先需要抑制低频离散线谱的噪声大小，关键是控制叶频和2倍叶频处的噪声大小。亥姆霍兹共振式消声器具有结构简单、低频消声性能好、消声带宽窄且对消声频率选择性强的特点，在理论上完全适用于泵喷低频离散线谱噪声的消声应用。亥姆霍兹共振腔的共振频率由颈部截面积、颈部长度和共振腔体积共同决定，且改变颈部截面积对共振频率的影响最为直接。当泵喷水力模型确定后，额定工况下泵喷叶频及2倍叶频均已确定，叶栅截面通道和导管内、外壁面确定，亥姆霍兹共振腔只能位于中空导管内部。在导管径向尺寸限定的条件下，叶频越低，亥姆霍兹共振腔的设计难度越大。在有关带亥姆霍兹共振腔的水下导管设计方面，目前国内已公开的相关文献报道非常稀少，主要集中于水管路系统的消声器设计，且主要通过调节颈部截面积来达到多线谱可调频亥姆霍兹共振腔设计的目的。更进一步，在颈部填充平行穿孔材料后，通过改变入口声阻抗来改变共振腔调频特征。在中国专利网中以“亥姆霍兹共振器”为关键词进行检索时，所检索专利主要集中于管路空气消声的应用，在有限弦长、截面为翼型的导管内部空间设计应用方面几乎是空白。因导管自身结构强度要求的限制，无法做到内部大范围中空，导致能够利用的共振腔体积有限，实现30Hz以内极低频消声的难度较大。从上述研究背景和应用现状可以看出，采用亥姆霍兹共振腔减小泵喷离散线谱噪声进而进一步降低低频辐射噪声的技术措施在理论上完全可行，也从结构设计上开启了抑制泵喷线谱噪声的一条新途径。该技术措施可以有效缓解当前泵喷低频线谱噪声实验难以测量、海试实测难以准确评估的尴尬局面，既适用于常规有轴机械式泵喷水力模型的声学改进设计，也可推广用于新型无轴驱动集成电机式泵喷水力模型的声学改进设计，可以有效填补国内该应用领域的缺项，有力促进国内低噪声泵喷的自主研发和推广应用。
技术实现思路
：本专利技术针对上述
技术介绍
存在的问题，提供一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型及其设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：包括导管，导管内设有同轴设置的定子和叶轮，定子前置，叶轮后置；叶轮包括叶轮叶片和叶轮轮毂，叶轮叶片沿周向均布设置在叶轮轮毂上；定子包括定子叶片和定子轮毂，定子叶片沿周向均布设置于定子轮毂，且定子叶片叶梢固定于导管内壁面；导管为设有肋骨的中空结构，导管的肋骨包括环肋和纵肋，导管内部的前端和后端分别布置有亥姆霍兹共振器。较佳地，导管内部前端设置的亥姆霍兹共振器是两并联共振腔亥姆霍兹共振器，共振频率为泵喷叶频和2倍叶频；导管内部后端设置的亥姆霍兹共振器是两并联颈部亥姆霍兹共振器，共振频率为泵喷2倍本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：包括导管，所述导管内设有同轴设置的定子和叶轮，所述定子前置，所述叶轮后置；所述叶轮包括叶轮叶片和叶轮轮毂，所述叶轮叶片沿周向均布设置在叶轮轮毂上；所述定子包括定子叶片和定子轮毂，所述定子叶片沿周向均布设置于所述定子轮毂，且所述定子叶片叶梢固定于导管内壁面；所述导管为设有肋骨的中空结构，所述导管的肋骨包括环肋和纵肋，导管内部的前端和后端分别布置有亥姆霍兹共振器。

【技术特征摘要】
1.一种带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：包括导管，所述导管内设有同轴设置的定子和叶轮，所述定子前置，所述叶轮后置；所述叶轮包括叶轮叶片和叶轮轮毂，所述叶轮叶片沿周向均布设置在叶轮轮毂上；所述定子包括定子叶片和定子轮毂，所述定子叶片沿周向均布设置于所述定子轮毂，且所述定子叶片叶梢固定于导管内壁面；所述导管为设有肋骨的中空结构，所述导管的肋骨包括环肋和纵肋，导管内部的前端和后端分别布置有亥姆霍兹共振器。2.根据权利要求1所述的带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：所述导管内部前端设置的所述亥姆霍兹共振器是两并联共振腔亥姆霍兹共振器，共振频率为泵喷叶频和2倍叶频；所述导管内部后端设置的所述亥姆霍兹共振器是两并联颈部亥姆霍兹共振器，共振频率为泵喷2倍叶频。3.根据权利要求1所述的带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：所述定子叶片的叶数和叶轮叶片的叶数互质。4.根据权利要求1所述的带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：所述叶轮叶片的叶梢截面与导管内壁面之间设有叶顶间隙，叶顶间隙与叶轮直径的比值范围为2～5‰。5.根据权利要求1所述的带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：所述定子叶片与所述叶轮叶片均采用NACA16翼型厚度分布。6.根据权利要求1所述的带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器模型，其特征在于：所述导管的内壁面、外壁面的截面轮廓为翼型。7.带亥姆霍兹共振腔的泵喷推进器设计方法，包括以下步骤：一)进行泵喷流体通道水力参数的选型设计；二)确定泵喷前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投影几何；三)由步骤一)和步骤二)所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定定子和叶轮的三维几何形状；由步骤一)和步骤二)所得结果将导管内外截面的二维轴面投影几何沿轴向旋转得到中空导管三维几何形状；四)采用计算流体力学方法计算步骤三)所得模型在设计航速、转速和伴流条件下泵喷的水动力性能，判断泵喷轴向推力、消耗功率、推进效率和空化性能是否满足设计要求，若是，则进行下一步，若否，则回到步骤二)修改相应的二维轴面投影几何，并调整步骤三)中定子叶片和叶轮叶片在三元逆向设计过程中的叶片表面负载分布规律，重新设计定子和叶轮三维几何形状；五)采用计算流体力学方法计算步骤四)所得模型在给定潜深、设计航速、转速和伴流条件下泵喷的非定常推进性能，从计算结果中提取泵喷水...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琼方，王永生，刘彦森，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42