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技术

本发明专利技术公开了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，可设计敞水效率与七叶大侧斜桨相当、辐射噪声更低、电机与泵喷完全集成的推进器。泵流体通道水力参数选型设计、前置定子和后置叶轮叶片的参数化三元逆向设计、无气隙泵喷敞水性能校核、集成电机泵喷推进、空化、噪声性能和强度校核。本发明专利技术设计了一型由内嵌电机定子的肥厚型导管、电机环形转子、气隙、前置定子和后置叶轮组成的泵喷。推进效率0.589、功率3.7MW，能够推进航速16节的潜器。定子叶片数13叶、叶轮叶片数9叶，均采用NACA16翼型厚度分布，且叶轮具有大侧斜。本发明专利技术可直接用于实现水下潜器无轴电力推进，设计方法也适用于有轴式泵喷和鱼雷后置定子式集成电机泵喷设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及船舶推进器
，特别是涉及具有低噪声和高临界航速特征，可以用于实现水下潜器电力无轴推进技术的集成电机泵喷推进器水力模型的设计方法。
技术介绍
泵喷推进器(Pumpjet,简称泵喷)是一种旋转组合式水动力推进器，由轴对称环形导管以及导管内的旋转和静止叶栅组成。旋转叶栅和静止叶栅分别称为叶轮和定子。导管剖面通常为机翼型，一般设计为减速型导管，可以使流经叶轮叶片的水流减速以延迟空化产生，改善泵喷空化性能和辐射噪声性能。定子可以位于叶轮前或叶轮后，分别称为前置定子式泵喷和后置定子式泵喷。前置定子式泵喷目前主要用于核潜艇推进，后置定子式泵喷目前主要用于鱼雷推进。泵喷在外形上类似于导管螺旋桨，但叶轮叶片数通常远多于桨叶数，一般大于7叶。泵喷的工作原理与水面船舶推进用的喷水推进器类同，也是由通过推进器水流的动量差决定产生净推力的大小。泵喷的突出优点是辐射噪声低、临界航速高。噪声低的主要原因是：①叶片数多，单位叶片面积的负载小；②导管对辐射噪声具有一定的屏蔽和吸声作用；③脉动压力幅值比螺旋桨小，产生的低频线谱噪声更低。临界航速高的主要原因是：采用前置定子和零推力或小推力导管，可以有效改善叶轮进流条件，减小叶梢负载，从而延迟叶轮叶片的叶梢空化初生时机。低噪、高临界航速的优点决定了前置定子式泵喷是潜器理想的推进器。潜艇泵喷起源于鱼雷泵喷，即前置定子式泵喷由后置定子式泵喷>发展演变而来。1957年，美国宾西法尼亚大学ARL研究所工程师成功设计出首台后置定子式泵喷，并依据试验将其成功地应用于MK48重型鱼雷上([1]ARL review.Pumpjet development at ARL(ARL研究所泵喷推进器的发展).,2001.)；约20年后，另一台ARL后置定子式泵喷问世并被应用于先进的轻型鱼雷MK50上，使鱼雷推进步入了一个崭新的时代。当前，世界各国的高速鱼雷(大于45节)全部采用的是后置定子式泵喷。美国虽然是世界上第一个掌握泵喷设计技术的国家，但并不是第一个将其应用于潜艇推进的国家。目前世界上美国、英国、法国和俄罗斯都已经将泵喷推进技术应用于了核潜艇推进。1983年，英国第一艘采用前置定子式泵喷的特拉法尔加级(Trafalgar)攻击型核潜艇的服役，标志着世界上第一型潜艇推进用泵喷问世。1997年服役的“海狼级”潜艇和2004年服役的“弗吉尼亚级”潜艇均采用了前置定子式泵喷，更是标志着核潜艇泵喷推进技术已经被西方海军强国完全掌握。前置定子式泵喷未能在常规潜艇上获得大范围应用的主要原因是：配重难、辐射噪声难控制、设计难度大。为了解决配重和噪声问题，“机敏”级核潜艇泵喷制造商Rolls-Royce公开的泵喷专利中([2]Banks S,Fowler J O.Submersible propulsion unit(水下推进装置),United States Patent,No.US8147284B2,2012-4-3)将泵喷的定子导管结构采用了碳纤维复合材料，而叶轮仍然采用金属结构，如镍-铝-铜或者是钢。由此可以推断，复合材料的应用是泵喷成功用于核潜艇推进的关键技术之一。但是，复合材料泵喷的设计是建立在优秀金属泵喷水力模型设计基础之上的，也就是说，优秀泵喷水力模型的自主设计是实现潜艇泵喷推进工程应用的瓶颈技术之一。优秀的具体含义是：辐射噪声低、推进效率适中、临界航速高(即抗空化能力强)。当前，国内还没有一型自主设计泵喷推进潜器服役的主要原因即在于缺乏优秀的泵喷水力模型。在设计得到优秀泵喷水力模型后，第二步即是解决泵喷与艇体配合后的低噪声问题。在“泵喷-艇体”声学激励系统中，除了泵喷和艇体自身的辐射噪声外，泵喷脉动推力和力矩通过推进轴系激励艇体辐射噪声也是一个重要的噪声源，并且在短时间内还无法找到有效的抑制该噪声源的措施。当前，七叶大侧斜桨推进潜艇在低航速状态下低频段的辐射噪声尤为突出，是影响中、低频段辐射噪声总声级的重要因素。并且，“桨-轴系-艇体”的耦合振动是低频线谱的重要来源，也是当前一段时间内降噪难以逾越的瓶颈技术之一。为了从源头上切断推进器声源通过轴系传播，美国海军和国防预先研究计划局(DARPA)于2004年联合发起了Tango Bravo项目。该项目拟取得的五项突破技术第一条即是实现无轴推进，以期望从源头上抑制推进器激励产生的低频线谱噪声分量([3]DARPA TANGO BRAVO.16February 2011,USA.http://www.darpa.mil/sto/programs/tango/index.html)。为了实现无轴推进，计划于2027年服役的“俄亥俄”级改进型弹道导弹核潜艇将采用集成电机泵喷推进器([4]Unite States Naval Institute,Ohio replacement program,USA,2012.12.Wikipedia)。无轴驱动式集成电机泵喷是集成电机推进器(Integrated Motor Propulsor,IMP)的一种，是将电机定子嵌入泵喷导管中、电机转子与泵喷叶轮叶片的叶梢集成在一起同速同向旋转、电机定子与电机转子之间存在气隙的一种推进器。IMP又称为轮缘推进器，或者是环驱式推进器，通常由导管、电机和桨叶组成，没有静止叶栅部件，即没有泵喷中的定子部件。集成电机泵喷是常规IMP的进一步发展和改进。核心技术优势在于：将电机无轴推进技术与泵喷推进低噪、高临界航速的突出优点完全集成起来，既能发挥泵喷本身的声学性能优势、又能消除轴系声源激励系统。同时，将推进电机从艇内移植到推进器内部后，可以大大改善舱室内有效利用空间，这也是TANGO BRAVO项目中五项关键技术之一的“艇外武器发射系统”研发的主要目的之一。因此，集成电机泵喷将最有可能成为无轴电力推进的首选推进器。因集成电机泵喷是电机与泵喷两者的高度融合，所以，适合于集成电机安装的泵喷水力模型设计研发就成了集成电机泵喷设计的最为关键技术。在无轴驱动式集成电机泵喷水力模型的设计研发方面，目前国内已公开的相关文献报道几乎没有。在中国专利网中以泵喷推进器为关键词进行检索，与船舶推进直接相关的仅有4项，包括采用磁流体往复式泵喷推进的专利技术专利(公开号：CN1506267A，一种泵喷推进器，2004.06.)，在叶轮外加装叶轮罩且类似于水面船用喷水推进泵的节能泵喷式推本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计；步骤2，确定前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投影几何得到嵌入电机前的初始泵喷二维轴面投影几何；步骤3，依据步骤1和步骤2所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定前置定子、后置叶轮的三维几何形状，将导管的二维轴面投影几何沿轴向旋转得到导管三维几何形状，所述前置定子、后置叶轮和导管的三维几何形状组合得到嵌入电机前的初始泵喷推进器水力模型；步骤4，在步骤2所得的泵喷二维轴面投影几何中增加电机环形转子和气隙的二维轴面投影几何，将电机环形转子外壁面和气隙外端面的二维轴面投影几何周向旋转得到电机环形转子和气隙的三维几何形状，将步骤3所得的导管三维几何形状与气隙外端面布尔相减得到嵌入集成电机后的导管三维几何形状，将步骤3所得的前置定子和后置叶轮的三维几何形状与嵌入集成电机后的导管三维几何形状组合得到集成电机泵喷水力模型；步骤5，采用粘性计算流体力学CFD方法计算集成电机泵喷水力模型在设计航速和转速下的敞水性能，判断消耗功率、泵水力效率和泵喷推进效率是否满足设计指标要求，若是，则进入步骤6，若否，则回到步骤3调整泵喷前置定子和后置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，重新设计前置定子和后置叶轮三维几何形状；步骤6，求解消耗功率、泵水力效率和泵喷推进效率满足设计指标要求的集成电机泵喷水力模型的空化流场，判断空化面积与泵喷后置叶轮盘面积的比值是否大于1％，若否，则进入步骤7，若是，则回到步骤3调整泵喷前置定子和后置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，抑制空化产生；步骤7，求解步骤6所得满足消耗功率、泵水力效率、泵喷推进效率和空化性能要求的集成电机泵喷水力模型的非定常瞬态流场，提取泵喷脉动推力和侧向力在时域和频域内的计算结果；步骤8，求解步骤7所得集成电机泵喷水力模型脉动推力和侧向力诱导的离散线谱辐射噪声的声源级，判断辐射噪声声源级是否满足设计指标，若是，则进入步骤9，若否，则回到步骤3增加后置叶轮叶片的后侧斜角度和前置定子叶片的前侧斜角度；步骤9，采用有限元方法数值计算步骤8所得集成电机泵喷水力模型的强度，判断给定材料属性参数下的泵喷强度是否满足国军标指标要求，若是，则确定满足低噪、高临界航速性能要求的集成电机泵喷水力模型，给出推荐使用材料下的叶片厚度建议值，若否，则回到步骤3中增加叶片厚度，进而重新确定泵喷水力模型。...

【技术特征摘要】
1.一种无轴驱动式集成电机泵喷推进器水力模型的设计方法，
其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计；
步骤2，确定前置定子、后置叶轮和导管内外壁面的二维轴面投
影几何得到嵌入电机前的初始泵喷二维轴面投影几何；
步骤3，依据步骤1和步骤2所得结果采用参数化三元逆向设计
方法确定前置定子、后置叶轮的三维几何形状，将导管的二维轴面投
影几何沿轴向旋转得到导管三维几何形状，所述前置定子、后置叶轮
和导管的三维几何形状组合得到嵌入电机前的初始泵喷推进器水力
模型；
步骤4，在步骤2所得的泵喷二维轴面投影几何中增加电机环形
转子和气隙的二维轴面投影几何，将电机环形转子外壁面和气隙外端
面的二维轴面投影几何周向旋转得到电机环形转子和气隙的三维几
何形状，将步骤3所得的导管三维几何形状与气隙外端面布尔相减得
到嵌入集成电机后的导管三维几何形状，将步骤3所得的前置定子和
后置叶轮的三维几何形状与嵌入集成电机后的导管三维几何形状组
合得到集成电机泵喷水力模型；
步骤5，采用粘性计算流体力学CFD方法计算集成电机泵喷水
力模型在设计航速和转速下的敞水性能，判断消耗功率、泵水力效率
和泵喷推进效率是否满足设计指标要求，若是，则进入步骤6，若否，
则回到步骤3调整泵喷前置定子和后置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，重新设计前置定子和后置叶轮三维几
何形状；
步骤6，求解消耗功率、泵水力效率和泵喷推进效率满足设计指
标要求的集成电机泵喷水力模型的空化流场，判断空化面积与泵喷后
置叶轮盘面积的比值是否大于1％，若否，则进入步骤7，若是，则
回到步骤3调整泵喷前置定子和后置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，抑制空化产生；
步骤7，求解步骤6所得满足消耗功率、泵水力效率、泵喷推进
效率和空化性能要求的集成电机泵喷水力模型的非定常瞬态流场，提
取泵喷脉动推力和侧向力在时域和频域内的计算结果；
步骤8，求解步骤7所得集成电机泵喷水力模型脉动推力和侧向
力诱导的离散线谱辐射噪声的声源级，判断辐射噪声声源级是否满足
设计指标，若是，则进入步骤9，若否，则回到步骤3增加后置叶轮
叶片的后侧斜角度和前置定子叶片的前侧斜角度；
步骤9，采用有限元方法数值计算步骤8所得集成电机泵喷水力
模型的强度，判断给定材料属性参数下的泵喷强度是否满足国军标指
标要求，若是，则确定满足低噪、高临界航速性能要求的集成电机泵
喷水力模型，给出推荐使用材料下的叶片厚度建议值，若否，则回到
步骤3中增加叶片厚度，进而重新确定泵喷水力模型。
2.根据权利要求1所述的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，其特征在于：所述步骤1中水力参数包括泵流
体通道的扬程、流量、出口面积、比转速和吸口比转速5个参数。
3.根据权利要求1所述的一种无轴驱动式集成...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨琼方，王永生，
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