本发明专利技术提供凸节设计方法、叶片、喷水推进泵及喷水推进系统，基于三维空间叶片流面形状数据构建模型，精确计算得到与原有叶片按照最优延展方式平顺光滑连接、且具有特殊导边的凸节形状，有效提升喷水推进系统的隐身性和安全性。凸节设计方法包括：步骤1、确定原有叶片的叶片导边轴面控制方程和凸节的导边轴面控制方程；步骤2、确定原有叶片不同叶高剖面导边位置的安放角控制方程和叶片骨线包角控制方程；步骤3、确定凸节在不同叶高下的剖面流向长度及相应包角；进而得到该剖面的包角计算表达式，计算相应叶高下剖面流向长度和包角；按照上述方法，依次计算凸节在不同叶高下的剖面流向长度和包角，即可获得凸节的形状结构。即可获得凸节的形状结构。即可获得凸节的形状结构。
【技术实现步骤摘要】
凸节设计方法、叶片、喷水推进泵及喷水推进系统
[0001]本专利技术属于喷水推进
，具体涉及凸节设计方法、叶片、喷水推进泵及喷水推进系统。
技术介绍
[0002]与传统螺旋桨推进技术相比，喷水推进技术具有推进效率高、抗空化能力强，变工况能力佳的优点。因而，在高性能民用船舶和军用舰船上都得到了广泛应用。随着喷水推进应用技术的进一步深入，该技术已经逐步应用在水下潜艇上，军用场景对喷水推进技术提出了更高的性能需求，尤其是对其声隐身性和安全性的需求。
[0003]空化不仅严重影响喷水推进系统安全性能，造成结构表面空蚀，而且会产生非常大的噪声，是制约喷水推进系统声隐身性能、推进性能和安全性能的最重要因素。目前，现有技术针对上述问题的抑制方法本质上是通过对叶轮机械的设计和优化技术来完成。其中包括了前置导叶或诱导轮设计优化、泵叶轮设计优化和后置导叶设计优化等手段。但受限于叶轮设计和优化理论，进一步提升其性能较为困难。
技术实现思路
[0004]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种凸节设计方法、叶片、喷水推进泵及喷水推进系统，直接在原有叶片基础上增加凸节，基于三维空间叶片流面形状数据构建模型，精确计算得到与原有叶片按照最优延展方式平顺光滑连接、且具有特殊导边的凸节形状，从而，有效提升喷水推进系统的隐身性和安全性。
[0005]本专利技术为了实现上述目的，采用了以下方案：
[0006]<方法>
[0007]本专利技术提供凸节设计方法，设计作为喷水推进泵中原有叶片外延部分的凸节，其特征在于，包括如下步骤：
[0008]步骤1、确定原有叶片的叶片导边轴面控制方程和凸节的导边轴面控制方程：
[0009]建立原有叶片的叶片导边轴面控制方程：
[0010]Z(r)＝a0+a1r+a2r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]式中，r为叶片导边上不同叶高处各点的半径；Z(r)为叶片导边上不同叶高处各点轴面投影的轴向位置；a0，a1，a2为待定系数，带入原有叶片导边已知点坐标求解得到；
[0012]构建凸节的导边轴面控制方程：
[0013][0014]式中，A为凸节振幅，w为凸节波长，r
hub
为叶根处半径值；
[0015]将式(1)与式(2)相加，得到的新增凸节叶片的轴面导边控制方程：
[0016]Z
t
＝Z
r
+Z
sin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]步骤2、确定原有叶片不同叶高剖面导边位置的安放角控制方程和叶片骨线包角
控制方程：
[0018]建立不同叶高剖面导边安放角α控制方程：
[0019]α＝b2r2+b1r+b0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]式中，b2，b1，b0均为待定系数，带入原有叶片已知叶高剖面导边安放角坐标求解得到；
[0021]建立叶片骨线包角β控制方程：
[0022]β＝c2s2+c1s+c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]式中，s为剖面叶片骨线坐标位置；c2，c1，c0均为待定系数，带入已知叶片骨线包角坐标求解得到；
[0024]步骤3、确定凸节在不同叶高下的剖面流向长度及相应包角：
[0025]将凸节引起的凸出和凹陷的轴面长度换算到流量长度，得到凸节剖面的流向长度：
[0026][0027]式中，S
o
为原有叶片剖面骨线的流向长度；
[0028]将计算得到的S*带入叶片骨线包角控制方程，得到该剖面的包角计算表达式，从而得到相应叶高下剖面流向长度和包角；
[0029]按照上述方法，依次计算凸节在不同叶高下的剖面流向长度和包角，即可获得凸节的形状结构。
[0030]优选地，本专利技术提供的凸节设计方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，在叶片导边的轴面投影线上等间距选择n个控制点，读取各个控制点的半径和轴面投影的轴向位置作为轴面坐标，将各控制点的已知轴面坐标(r，Z(r))代入叶片导边轴面控制中，求解得到a0，a1，a2。
[0031]控制点个数n与叶轮半径R关系为：
[0032][0033]式中，当n为小数时，向上取整。
[0034]优选地，本专利技术提供的凸节设计方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，n≥5。
[0035]优选地，本专利技术提供的凸节设计方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，m≥5，k≥10。
[0036]优选地，本专利技术提供的凸节设计方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，在各个剖面上，按照从导边到随边的方向，读取k个点的骨线包角坐标，代入叶片骨线包角控制方程中求解得到c2，c1，c0；在原有叶片上，沿着叶高方向等间距取m个叶片剖面，读取各剖面位置导边处的剖面导边安放角坐标(r，α)，代入剖面导边安放角控制方程中求解得到b2，b1，b0。
[0037]优选地，本专利技术提供的凸节设计方法，还可以具有以下特征：在步骤1和2中，求解待定系数的目标均为误差最小。
[0038]<叶片一>
[0039]进一步，本专利技术还提供一种叶片，用于喷水推进泵中，其特征在于，包括：叶片主
体；和凸节，与叶片主体相连，采用上文<方法>中所描述的凸节设计方法得到。
[0040]<叶片二>
[0041]进一步，本专利技术还提供一种叶片，用于喷水推进泵中，其特征在于，采用如下步骤设计得到：
[0042]步骤1、确定原有叶片的叶片导边轴面控制方程和凸节的导边轴面控制方程：
[0043]建立原有叶片的叶片导边轴面控制方程：
[0044]Z(r)＝a0+a1r+a2r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0045]式中，r为叶片导边上不同叶高处各点的半径；Z(r)为叶片导边上不同叶高处各点轴面投影的轴向位置；a0，a1，a2为待定系数；在叶片导边的轴面投影线上等间距选择n个控制点，读取各个控制点的半径和轴面投影的轴向位置作为轴面坐标，将各控制点的已知轴面坐标(r，Z(r))代入叶片导边轴面控制中，求解得到a0，a1，a2；
[0046]构建凸节的导边轴面控制方程：
[0047][0048]式中，A为凸节振幅，w为凸节波长，r
hub
为叶根处半径值；
[0049]在叶片导边外延新增凸节后得到的新叶片的轴面导边控制方程：
[0050]Z
t
＝Z
r
+Z
sin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.凸节设计方法，设计作为喷水推进泵中原有叶片外延部分的凸节，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、确定原有叶片的叶片导边轴面控制方程和凸节的导边轴面控制方程：建立原有叶片的叶片导边轴面控制方程：Z(r)＝a0+a1r+a2r2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，r为叶片导边上不同叶高处各点的半径；Z(r)为叶片导边上不同叶高处各点轴面投影的轴向位置；a0，a1，a2为待定系数，带入原有叶片导边已知点坐标求解得到；构建凸节的导边轴面控制方程：式中，A为凸节振幅，w为凸节波长，r
hub
为叶根处半径值；在叶片导边外延新增凸节后得到的新叶片的轴面导边控制方程：Z
t
＝Z
r
+Z
sin
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)步骤2、确定原有叶片不同叶高剖面导边位置的安放角控制方程和叶片骨线包角控制方程：建立不同叶高剖面导边安放角α控制方程：α＝b2r2+b1r+b0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，b2，b1，b0均为待定系数，带入原有叶片已知叶高剖面导边安放角坐标求解得到；建立叶片骨线包角β控制方程：β＝c2s2+c1s+c0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，s为剖面叶片骨线坐标位置；c2，c1，c0均为待定系数，带入已知叶片骨线包角坐标求解得到；步骤3、确定凸节在不同叶高下的剖面流向长度及相应包角：将凸节引起的凸出和凹陷的轴面长度换算到流量长度，得到凸节剖面的流向长度：式中，S
o
为原有叶片剖面骨线的流向长度；将计算得到的S*带入叶片骨线包角控制方程，得到该剖面的包角计算表达式，从而得到相应叶高下剖面流向长度和包角；按照上述方法，依次计算凸节在不同叶高下的剖面流向长度和包角，即可获得凸节的形状结构。2.根据权利要求1所述的凸节设计方法，其特征在于：其中，在步骤1中，在叶片导边的轴面投影线上等间距选择n个控制点，读取各个控制点的半径和轴面投影的轴向位置作为轴面坐标，将各控制点的已知轴面坐标(r，Z(r))代入叶片导边轴面控制中，求解得到a0，a1，a2。3.根据权利要求2所述的凸节设计方法，其特征在于：其中，控制点个数n与叶轮半径R关系为：
式中，当n为小数时，向上取整。4.根据权利要求1所述的凸节设计方法，其特征在于：其中，在步骤1中，n≥5；在步骤2中，m≥5，k≥10。5.根据权利要求1所述的凸节设计方法，其特征在于：其中，在步骤2中，在各个剖面上，按照从导边到随边的方向，读取k个点的骨线包角坐标，代入叶片骨线包角控制方程中求解得到c2，c1，c...
【专利技术属性】
技术研发人员：季斌，胡赞熬，程怀玉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。