[发明专利]一种叶片载荷精细控制的船用高速泵喷水力模型及其设计方法

权利要求书

1.一种叶片载荷精细控制的船用高速泵喷，其特征在于：包括导管，所述导管内设有同轴的定子和转子，所述定子前置，所述转子后置；所述定子包括定子叶片和定子轮毂，所述定子叶片固定设置于定子轮毂，所述定子叶片叶梢固定于导管内壁面；所述转子包括转子叶片和转子轮毂，所述转子叶片固定于转子轮毂，所述转子叶片叶梢端面与导管内壁面之间有等距离的叶顶间隙；所述定子叶片和转子叶片均周向对称布置于轮毂，所述定子叶片小前侧斜，所述转子叶片大后侧斜；通过参数化三元逆向设计方法获取所述定子叶片和转子叶片的叶型，所述定子叶片叶截面载荷分布采用三段式控制，所述转子叶片叶截面载荷分布采用B样条精细控制。

2.根据权利要求1所述的叶片载荷精细控制的船用高速泵喷，其特征在于：所述定子叶片的叶数为11叶，所述转子叶片的叶数为7叶或9叶。

3.根据权利要求1所述的叶片载荷精细控制的船用高速泵喷，其特征在于：所述转子叶片的叶梢截面与导管内壁面之间有叶顶间隙，叶顶间隙与转子直径的比值为2‰～5‰。

4.根据权利要求1至3中任一所述的叶片载荷精细控制的船用高速泵喷，其特征在于：所述定子叶片小前侧斜是指定子叶片侧斜角小于相邻的定子叶片之间夹角的一半，侧斜方向与转子叶片旋转方向相同，所述转子叶片大后侧斜是指转子叶片侧斜角大于等于相邻的转子叶片之间夹角的一半，且小于等于转子叶片之间夹角，侧斜方向与转子叶片旋转方向相反。

5.根据权利要求4所述的叶片载荷精细控制的船用高速泵喷，其特征在于：定子叶片从叶根截面到叶梢截面不同半径截面处的侧斜角按线性规律增加；转子叶片从叶根截面到叶梢截面不同半径截面处的侧斜角按线性规律增加。

6.根据权利要求1所述的叶片载荷精细控制的船用高速泵喷，其特征在于：定子叶片和转子叶片均采用NACA 16翼型厚度分布，导管内壁面和外壁面的截面轮廓构成翼型。

7.叶片载荷精细控制的船用高速泵喷水力模型设计方法，包括以下步骤：

一)泵流体通道水力参数的选型设计；

二)确定泵喷前置定子、后置转子和导管内外壁面的二维轴面投影几何；

三)由步骤一)和步骤二)所得结果采用参数化三元逆向设计方法确定定子、转子的三维几何形状；由步骤一)和步骤二)所得结果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；

四)采用计算流体力学方法稳态计算步骤三)所得模型在设计航速、转速和伴流条件下泵喷的水动力性能和空化性能，判断泵喷轴向推力、消耗功率和空化性能是否满足设计要求：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤二)修改相应的二维轴面投影几何，并调整定子和转子在三元逆向设计过程中的叶片载荷分布规律，重新设计定子和转子三维几何形状；

五)引入定子叶片小前侧斜、转子叶片大后侧斜：定子叶片叶梢截面的侧斜角与定子相邻叶片之间夹角的比值为20％～40％，使转子叶片叶梢截面的侧斜角与转子相邻叶片之间夹角的比值为50％～60％，定子叶片和转子叶片从叶根到叶梢截面，不同半径处叶截面的侧斜角均按线性规律增加；

六)采用计算流体力学方法瞬态计算步骤五)所得模型在设计航速、转速和船尾伴流条件下泵喷的非定常力，判断泵喷轴向非定常力与平均推力的比值是否小于30％：若是，则进行下一步；若否，则回到步骤五)首先以原反向侧斜程度的10等分为间隔，每次以1等份间隔为幅度增加定子叶片和转子叶片的反向侧斜程度；然后再以原定转子轴向距离的10等分为间隔，每次以1等份间隔为幅度增加定子和转子之间的轴向距离，直至非定常力满足预设限值30％的要求；

七)装配步骤三)确定的导管三维几何和步骤六)确定的泵喷叶型三维几何，即确定叶片载荷精细控制的船用高速泵喷水力模型。

8.根据权利要求7所述的叶片载荷精细控制的船用高速泵喷水力模型设计方法，其特征在于：所述步骤三)中设计定子和转子叶片三维几何形状时：定子叶片随边采用递增型环量分布，叶片载荷采用三段式载荷分布规律，其中叶根截面采用中载型负载分布、叶梢截面采用前载型负载分布；转子叶片随边采用二次方环量分布，叶片载荷分布采用B样条精细载荷控制。