一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法技术

本发明专利技术公开的是一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，属于叶轮机械技术领域。本发明专利技术实现方法为：通过综合考虑动力机性能、喷水推进系统性能和喷水推进系统与载体的相互影响，选择喷水推进系统主要参数后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水推进泵的设计工况点；根据“升力线理论”确定喷水推进泵的环量分布，进行叶片剖面形状选择，确定叶片初始形状，并根据“升力面”法确定满足叶片拱弧面物面边界条件的最终拱弧面形状，完成轴流式喷水推进泵叶片造型，实现高功率密度喷水推进泵设计。本发明专利技术能够进一步提高设计工况点的设计准确性，降低新模型的开发成本；能够应用于水陆两栖车辆、船舶领域解决相关工程问题。

【技术实现步骤摘要】
一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法
本专利技术涉及一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，属于叶轮机械

技术介绍
目前，喷水推进是实现是水上航速技术指标的重要保证。喷水推进作为一种特殊的推进方式，其本身不直接产生推力，而是通过喷射水流产生的反作用力推动船舶前进。喷水推进装置具有抗空化性能强、效率高、噪声低、主机不易过载、附体阻力小、工作平稳等优点，被广泛应用于高速舰船、重载舰船以及两栖车。喷水推进装置的核心部件是喷水推进泵，主要泵型有轴流式、混流式和离心式。由于离心泵出水方向与泵的回转轴线垂直，使进出水管道的布置变得复杂，因此这类泵型较少采用。轴流泵结构简单紧凑，重量较轻，主要用于扬程较低、流量较大的场合。目前，高速舰船和两栖车大多采用轴流式喷水推进泵。叶片作为轴流泵的一个重要部件，对泵的扬程、效率和空化性能有着至关重要的影响，同时也是泵稳定运行的良好保证。故针对叶片结构进行设计对于轴流泵的设计具有现实意义。20世纪70年代以来，国内外流体机械叶轮设计方法主要基于两个流面理论发展起来的。精确求解两个流面的流动较为复杂，并且该设计方法在轴流泵叶轮的扩散叶栅中存在较难解决的问题，因此，轴流泵的设计方法主要采用升力法和奇点分布法。但传统的设计方法并不能明显提高轴流泵的功率密度，因此，需要针对原有的设计方法进行改进，建立高功率密度喷水推进泵的设计方法。
技术实现思路
针对现阶段轴流式喷水推进泵的设计方法存在不能满足高功率密度的问题，本专利技术公开的一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法要解决的技术问题是：针对轴流泵内部非常复杂的三元流动，通过“升力线理论”进行通流计算，通过“升力面”法求解叶片最终拱弧面来完成轴流式喷水推进泵叶片造型，实现高功率密度喷水推进泵设计。本专利技术提高设计工况点的设计准确性，降低高功率密度喷水推进泵的研发制造成本，还能预测轴流式喷水推进泵的空化性能。本专利技术具有设计效率高、设计周期短、利于实际应用的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术公开的是一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，通过综合考虑动力机性能、喷水推进系统性能和喷水推进系统与载体的相互影响，选择喷水推进系统主要参数后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水推进泵的设计工况点；根据“升力线理论”确定喷水推进泵的环量分布，进行叶片剖面形状选择，确定叶片初始形状，并根据“升力面”法确定满足叶片拱弧面物面边界条件的最终拱弧面形状，完成轴流式喷水推进泵叶片造型，实现高功率密度喷水推进泵设计。该方法能够进一步提高设计工况点的设计准确性，降低新模型的开发成本；能够应用于水陆两栖车辆、船舶领域解决相关工程问题。本专利技术公开的一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，包括如下步骤：步骤一：综合考虑动力机性能、喷水推进系统性能和喷水推进系统与载体的相互影响，针对喷水推进系统的主要参数进行选择。所述参数包括推力T、扬程H、流量Q、叶轮直径D0、喷口直径Dj。所述载体包括船体、两栖车辆。所述喷水推进系统包括进水管道、喷水推进泵和喷口。步骤一具体实现方法为：在喷水推进载体上，设计喷水推进器时，首先根据主机、喷水推进系统和载体三方面的平衡，进行喷水推进系统的主要参数的选择。所述三方面的平衡包括：主机功率和扭矩要和推进泵吸收的功率和扭矩相平衡；推进泵的参数在系统效率较佳的前提下，使扬程与损失之和相平衡；推力与设计工况下船体阻力和系统附加阻力之和相平衡。借助三个平衡方程(1)、(2)、(3)来表达上述三方面的平衡关系。推力与阻力平衡方程：ρQV0(k-α)＝Ra(1)式中：ρ为流体密度；Q为流量；V0为航速；k为进速比；α为边界层对动量的影响系数；Rα为附加阻力。推进泵吸收功率与主机功率平衡方程：γQH＝75NPηmη0(2)式中：γ为流体重度；H为喷水推进泵扬程；Np为主机功率；ηm为传递效率；η0为喷水推进泵效率。扬程与喷水推进系统总损失平衡方程：式中：Vj为喷口速度；g为重力加速度；Kj为喷口损失系数；β为边界层对动能的影响系数；V0为相对静水的合速度。根据推力与阻力的平衡方程，求得载体速度对喷水推进系统流量的要求，既而通过迭代计算，求出喷水推进系统参数，所述参数包括推力T、扬程H、流量Q、叶轮直径D0、喷口直径Dj。步骤二：根据喷水推进系统要求确定轴流式喷水推进泵装置的设计扬程和流量后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水推进泵的设计工况点。步骤二具体实现方法为：根据喷水推进系统要求确定喷水推进泵装置的扬程和流量后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水的设计工况，即泵的设计扬程取喷水推进泵装置的设计扬程，泵的设计流量在泵装置的设计流量基础上增加一个△Q，用于保证在喷水推进泵的设计工况下，泵装置的最高效率点接近实际运行点，从而获得更高的泵装置实际运行效率。其中设计难点为△Q的取值，管道水力损失越大，△Q值越大。因此，通过估算管道水力损失，然后根据泵的扬程流量曲线确定△Q值。步骤三：基于“升力线理论”初步设计喷水推进泵叶片；根据“升力线理论”确定喷水推进泵的环量分布，并进行叶片剖面形状选择；然后根据空化要求和强度要求确定叶片剖面弦长、升力系数和厚度的径向分布；最终确定叶片初始形状。步骤三具体实现方法为：步骤3.1：确定最佳环量分布。最佳环量分布是指在给定推力或转矩的情况下，喷水推进泵具有最小的诱导损失，即喷水推进泵具有最高效率。在设计喷水推进泵时，在给定直径D和进速VA的条件下，需喷水推进泵所消耗的功率最小而保证发出所需的推力。忽略粘性力，喷水推进泵的推力和转矩表示为：其中：Z为叶片数；Γ(r)为环量分布；ωr为轴向速度；ut为轴向诱导速度；VA为进速；ua为周向诱导速度。已知条件应该是喷水推进泵在实际流体中的推力系数CT，其定义为：其中：T为推力；R为叶片半径。理想推力系数Cπ定义为：其中：Ti为理想推力。利用式(4)，将Cπ与环量和诱导速度之间建立起下列关系式：其中：其中：W*/VA为最小诱导损失条件系数；λ为进速系数，x为无因次半径。将式(8)代入式(7)得：最佳环量分布G和W*/VA有如下关系式：诱导速度分量与环量分布及诱导因子有如下关系式：其中：ia为轴向诱导因子；it为周向诱导因子；为速度势；m为环量G(x)展成富里哀级数时的项数。根据式(9)和式(10)求解满足给定推力系数的最佳环量分布G(x)和未知数W*/V。求得环量分布后便能够根据式(11)计算周向和轴向诱导速度分量。步骤3.2：确定任意环量分布。直接采用最佳环量分布来进行叶片设计，尽管此时效率较高，但不能满足空化性能要求。为了提高喷水推进泵的空化性能，通常对最佳环量分布进行适当修改，修改后的环量分布作为给定的环量分布形式，再按照任意环量分布的方法进行设计。任意环量分布的设计方法如下：给定环量的径向分布形式F(x)，其中F(x)根据叶片的空化要求对最佳环量分布做相应修改后得到。由于推力和转矩的要求取决于环量分布，给定的环量分布未必能满足推力或转矩的要求，因此，只能给定环量的分布形式，而所需的环量分布G(x)则表示为：G(x)＝kF(x)(12)其中，k是待定系数，它的取值应该使推力和转矩满足要求。k值求解公式如下：方程(13)对k来说是一个简单的二次代数方程，其中Fm是已知的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：综合考虑动力机性能、喷水推进系统性能和喷水推进系统与载体的相互影响，针对喷水推进系统的主要参数进行选择；所述参数包括推力T、扬程H、流量Q、叶轮直径D0、喷口直径Dj；步骤二：根据喷水推进系统要求确定轴流式喷水推进泵装置的设计扬程和流量后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水推进泵的设计工况点；步骤三：基于“升力线理论”初步设计喷水推进泵叶片；根据“升力线理论”确定喷水推进泵的环量分布，并进行叶片剖面形状选择；然后根据空化要求和强度要求确定叶片剖面弦长、升力系数和厚度的径向分布；最终确定叶片初始形状；步骤四：基于“升力面”法设计喷水推进泵叶片；在给定环量的径向和弦向分布的情况下，通过在步骤三确定的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，完成轴流式喷水推进泵叶片造型，实现高功率密度喷水推进泵设计。

【技术特征摘要】
1.一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：综合考虑动力机性能、喷水推进系统性能和喷水推进系统与载体的相互影响，针对喷水推进系统的主要参数进行选择；所述参数包括推力T、扬程H、流量Q、叶轮直径D0、喷口直径Dj；步骤二：根据喷水推进系统要求确定轴流式喷水推进泵装置的设计扬程和流量后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水推进泵的设计工况点；步骤三：基于“升力线理论”初步设计喷水推进泵叶片；根据“升力线理论”确定喷水推进泵的环量分布，并进行叶片剖面形状选择；然后根据空化要求和强度要求确定叶片剖面弦长、升力系数和厚度的径向分布；最终确定叶片初始形状；步骤四：基于“升力面”法设计喷水推进泵叶片；在给定环量的径向和弦向分布的情况下，通过在步骤三确定的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，完成轴流式喷水推进泵叶片造型，实现高功率密度喷水推进泵设计。2.如权利要求1所述的一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，其特征在于：还包括步骤五，将根据步骤一至步骤四设计的高功率密度喷水推进泵应用于水陆两栖车辆、船舶领域解决相关工程问题：(1)提高设计工况点的设计准确性；(2)降低高功率密度喷水推进泵的研发制造成本；(3)提高喷水推进泵的设计效率、缩短设计周期；(4)预测轴流式喷水推进泵的空化性能。3.如权利要求1或2所述的一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，在喷水推进载体上，设计喷水推进器时，首先根据主机、喷水推进系统和载体三方面的平衡，进行喷水推进系统的主要参数的选择；所述三方面的平衡包括：主机功率和扭矩要和推进泵吸收的功率和扭矩相平衡；推进泵的参数在系统效率较佳的前提下，使扬程与损失之和相平衡；推力与设计工况下船体阻力和系统附加阻力之和相平衡；借助三个平衡方程(1)、(2)、(3)来表达上述三方面的平衡关系；推力与阻力平衡方程：ρQV0(k-α)＝Ra(1)式中：ρ为流体密度；Q为流量；V0为航速；k为进速比；α为边界层对动量的影响系数；Rα为附加阻力；推进泵吸收功率与主机功率平衡方程：γQH＝75NPηmη0(2)式中：γ为流体重度；H为喷水推进泵扬程；Np为主机功率；ηm为传递效率；η0为喷水推进泵效率；扬程与喷水推进系统总损失平衡方程：式中：Vj为喷口速度；g为重力加速度；Kj为喷口损失系数；β为边界层对动能的影响系数；V0为相对静水的合速度；根据推力与阻力的平衡方程，求得载体速度对喷水推进系统流量的要求，既而通过迭代计算，求出喷水推进系统参数，所述参数包括推力T、扬程H、流量Q、叶轮直径D0、喷口直径Dj。4.如权利要求3所述的一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，根据喷水推进系统要求确定喷水推进泵装置的扬程和流量后，采用等扬程加大流量的方法确定喷水的设计工况，即泵的设计扬程取喷水推进泵装置的设计扬程，泵的设计流量在泵装置的设计流量基础上增加一个△Q，用于保证在喷水推进泵的设计工况下，泵装置的最高效率点接近实际运行点，从而获得更高的泵装置实际运行效率；其中设计难点为△Q的取值，管道水力损失越大，△Q值越大；因此，通过估算管道水力损失，然后根据泵的扬程流量曲线确定△Q值。5.如权利要求4所述的一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法，其特征在于：步骤三具体实现方法为，步骤3.1：确定最佳环量分布；最佳环量分布是指在给定推力或转矩的情况下，喷水推进泵具有最小的诱导损失，即喷水推进泵具有最高效率；在设计喷水推进泵时，在给定直径D和进速VA的条件下，需喷水推进泵所消耗的功率最小而保证发出所需的推力；忽略粘性力，喷水推进泵的推力和转矩表示为：其中：Z为叶片数；Γ(r)为环量分布；ωr为轴向速度；ut为轴向诱导速度；VA为进速；ua为周向诱导速度；已知条件应该是喷水推进泵在实际流体中的推力系数CT，其定义为：其中：T为推力；R为叶片半径；理想推力系数Cπ定义为：其中：Ti为理想推力；利用式(4)，将Cπ与环量和诱导速度之间建立起下列关系式：其中：其中：W*/VA为最小诱导损失条件系数；λ为进速系数，x为无因次半径；将式(8)代入式(7)得：最佳环量...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国玉，肖蕾，张孟杰，黄彪，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11