[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

说明书

本发明公开了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，包括前置定子、后置转子和导管，与中低航速潜器推进用泵喷结构布置相同，定子叶片叶型设计时叶截面载荷分布采用三段式控制规律、转子叶片叶截面载荷分布采用B样条精细控制规律，满足高航速抗空化性能和噪声控制需求。本发明大幅增加功率密度，引入叶片载荷分布精细控制和定、转子叶片反向侧斜两种技术措施，显著提高空化初生临界航速，控制非定常力，首次将泵喷拓展于中高速水面舰船推进应用。设计首要原则由低噪声转移为抗空化。两种新的技术措施也适用于潜器机械式泵喷和无轴泵喷设计，推广应用后可快速促进泵喷在水面与水下推进系统上的普及应用。

技术领域

本发明涉及船舶推进器技术领域，特别是涉及具有优异抗空化性能和抑制非定常力，可以用于推进高速水面舰船的泵喷推进器，具体涉及一种叶片载荷精细控制且定转子叶片反向侧斜的高速泵喷及设计方法。

背景技术

泵喷推进器(Pumpjet，简称泵喷)因具有辐射噪声低、临界航速高的显著特征，当前被大量应用于低噪声潜艇推进，如“海狼级”潜艇、“弗吉尼亚级”潜艇和“北风之神”级潜艇。发明专利“一种前置定子周向非对称布置的泵喷水力模型及其设计方法(CN 105117564B，授权时间：2018.10)”公开了一型用于低噪声推进潜器的泵喷，本质特征在于通过有规律地改变前置定子叶片的螺距角，以周向非对称布置的结构形式来减小泵喷线谱噪声、提升侧向操纵力。发明专利“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(CN104462652 B，授权时间：2017.09)”公开了有轴机械式泵喷与集成电机结合后演变为无轴泵喷的水力模型设计方法，用于推进航速16节的潜器。正在实质审查的发明专利“一种增加侧向操纵力的前后定子式泵喷水力模型及设计方法(申请号：201810819277.5，2018.07)”，阐述了将单级叶型配置改变为前置定子、转子、后置定子的结构形式，增加侧向操纵力、减小操舵时瞬态辐射噪声，同时适用于潜器推进用的机械式泵喷和无轴泵喷。上述设计方案的推进载体均为水下潜器，设计航速低于18节，首要原则是降低辐射噪声、提高临界航速。

虽然目前泵喷(Pumpjet)主要应用于潜艇和鱼雷推进，但泵喷的应用场合并不局限于水下，如二战时期排水量3400余吨的美国驱逐舰USS Witek(DD-848，设计航速36.8kn)就采用了双轴泵喷推进系统，且建造量高达98艘，其目的就在于演示验证高速水面舰船泵喷推进的可行性。尽管当前21世纪美军的主力战舰滨海战斗舰LCS 全部转为采用更加合适的喷水推进器(Waterjet,简称喷泵)，但并不能由此否定高速泵喷推进的应用价值，以及可由现有桨轴推进系统以少量牵连工程改装为泵喷推进系统的技术进步意义。

从水下中低航速泵喷到水面中高速泵喷，设计期望在于尽可能保持低噪声性能优势的同时，重点提高抗空化性能、满足快速性指标，甚至可以一定程度上牺牲效率和噪声性能。因驱护舰排水量通常大于常规潜器，加上高航速的推进需求，泵喷除了在总体尺寸和转速上的约束可以略有放松外，重量同样被严格限制，并且考虑到原位换装螺旋桨时，为了抑制诱导的船底脉动压力，泵喷径向还必须与船底保留足够的间隔距离，再次约束了泵喷径向尺寸至多只能是略大于原螺旋桨。同时，考虑到降噪需求，转速也要尽可能控制，这两者共同决定了水面船用高速泵喷的功率密度要远大于水下泵喷，抗空化设计的难度也将成倍增加。以某8000吨级的水面船为例，原螺旋桨直径4.4 米，设计航速30节时单桨功率需求26800kW，若以额定航速为设计点，要求实现设计航速无空化产生，当泵喷最大直径放松至4.6米时，单泵功率密度达到1613kW/m²，高出KaMeWa公司给出的现代5叶螺旋桨达到航速30节时的功率密度上限1500kW/m²约7.6％。即使将泵喷直径放大至5米，功率密度比发明专利CN 105117564 B中的前置定子式泵喷(功率3150kW、进口直径2.8m)仍高出约2.7倍，加上少了工作沉深抑制空化的有利因素，使得泵喷的叶型抗空化设计难度剧增，必须采取新的技术措施，才有可能实现预期设计目标。