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技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术基于流量连续原理，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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术采用的方案为：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。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术通过螺旋桨桨径、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、本专利技术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，本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，/n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；/n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；/n其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：/n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；/n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S

【技术特征摘要】
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：...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亦，兰炳松，徐惊雷，董晗，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32