[发明专利]高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法

权利要求书

1.高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，确定喷水推进泵的叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状，将所述叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状组合得到所述喷水推进泵水力模型，其特征在于，确定所述叶轮、导叶和收缩喷口的三维几何形状的方法包括如下步骤：

1)依据设计要求进行喷水推进泵水力参数的选型设计；

2)确定喷水推进泵叶轮、导叶和收缩喷口的二维轴面投影几何；

3)根据经验选定叶轮和导叶的叶片数；依据步骤1)所确定的水力参数，结合步骤2)给定的叶轮和导叶的叶片轴面投影形状，求得叶轮和导叶叶片上的负载，所述负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差；根据所述负载从船舶推进器设计翼型库中选定叶截面翼型；

结合所求的负载中叶轮和导叶叶片上的负载沿径向分布和沿轴向分布规律、叶截面翼型和所选定叶轮和导叶的叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状；

4)将所述收缩喷口的二维轴面投影几何周向旋转得到所述收缩喷口的三维几何形状。

2.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于，所述水力参数包括：

扬程流量喷口直径泵的比转速吸口比转速

式中，ψ是喷口能量损失系数，分析时取0.01；β是船体边界层流对喷水推进器的动能影响系数；V₀是设计航速；μ是喷射比，喷口速度V_j与航速V₀的比值；η_m是轴系传动效率；η_P是泵效率；η_r是泵相对旋转效率；P_D是与有效功率对应的主机输出功率；ρ是水的密度；g是重力加速度；

Ω(rad/s)为泵的旋转角速度，体积流量Q的单位是m³/s，扬程H的单位是m；

其中，P_a是大气压力，P_v是汽化压力。

3.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：叶轮二维轴面投影几何包括叶轮轮毂、轮缘、叶片导边和随边，导叶二维轴面投影几何包括导叶轮毂、轮缘、叶片导边和随边；叶轮轮缘直径等于泵进口直径，叶轮轮毂直径等于所述轮缘直径与毂径比的乘积，毂径比为依据泵的比转速所选定的经验参数，叶轮轮毂与所述叶轮轮缘形成渐缩型流通截面；叶轮和导叶叶片的轴面投影几何的轴向间隔占泵进口直径的7～8％；叶轮叶片的叶梢截面距叶轮轮缘的叶顶间隙距离占泵进口直径的比例为1‰～2‰。

4.根据权利要求1所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于，所述步骤3)的具体步骤为：

31)确定叶轮的叶片数和导叶的叶片数，所述叶轮的叶片数和所述导叶的叶片数均为经验参数，叶轮的叶片数与所述导叶的叶片数互质；

32)求取叶片上的负载，所述负载为叶片压力面和吸力面之间的压力差，

式中，B是叶片数；V_m是沿周向平均的轴面速度，等于流量Q与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；V_t是周向速度分量，等于环量rV_t值与轴面投影图中半径的比值，环量rV_t由扬程H和泵旋转角转速决定，η_h为水力效率，初始值取为0.9；p⁺是叶片压力面的静压，p^-是叶片吸力面的静压；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同径向位置的几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1；

33)求解得到叶轮和导叶叶片不同半径处的负载后，选定叶截面翼型，根据选定的叶截面翼型升力和阻力随攻角的变化规律曲线，依据机翼理论，确定满足负载的翼型最大厚度和安放角；

34)依据步骤32)所得的叶片上的负载沿径向的分布规律、叶片上的负载沿轴向的分布规律、和所述步骤33)所确定翼型最大厚度和安放角，结合所选定的叶轮和导叶叶片数得出叶轮和导叶的三维几何形状。

5.根据权利要求4所述的高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法，其特征在于：所述叶片上的负载沿径向分布规律是环量rVt沿半径的变化规律；所述叶片上的负载沿轴向分布规律是环量rVt对轴面流线位置m求导后沿半径的变化规律。