一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109625226A(43)申请公布日2019.04.16(21)申请号201811422753.6(22)申请日2018.11.27(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人王国玉肖蕾张孟杰黄彪(74)专利代理机构北京理工正阳知识产权代理事务所(普通合伙)11639代理人邬晓楠(51)Int.Cl.B63H11/08(2006.01)G06F17/50(2006.01)权利要求书5页说明书12页附图4页(54)发明名称一种轴流式高功率密度喷水推进泵设计方法(57)摘要本发明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。CN109625226ACN109625226A权利要求书1/5页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；2CN109625226A权利要求书2/5页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，