CN104462652B - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
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。
背景技术
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 StatesPatent,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***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 TANGOBRAVO.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 replacementprogram,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***。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***”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发明专利(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进器的实用新型专利(公开号：CN202642077U，用于船舶和潜艇的节能泵喷式推进器，2013.01.)，采用涡旋叶轮的水面船用喷水推进***发明专利(公开号：CN102849197A，泵喷推进器及包括其的船舶，2013.01.)，以及适用于水面船用的喷水推进***发明专利(公开号：CN102007034A，具有泵喷射推进器的船推进***，2011.04.)；以轮缘推进器和集成电机推进器为关键词进行检索时，与船舶推进相关的仅有4项，而其中适合于潜艇推进的仅有3项，包括：由多相永磁电机、螺旋桨和导管构成的无毂式集成推进器发明专利(公开号：CN101546931A，一种集成推进器，2009.09)，由永磁电机、螺旋桨、导管和实心非旋转轴构成的有毂式集成电机推进器发明专利(公开号：CN102632982A，无轴驱动式集成电机推进器，2012.04)，以及用于轮缘推进器的轴承装置发明专利(公开号：CN102548840A，船只的推进器单元的支承件，2010.05)。在上述专利中，仅有无轴驱动式集成电机推进器真正能够适用于潜艇推进。
国际方面，美国发明专利潜艇环驱式电机推进装置(专利号：US 8074592B2，Submarine with a propulsion drive with an electric motor ring，2011.12.)中具体阐述了单电机绕组集成电机推进器、双电机绕组集成电机推进器的结构布置和工作原理，对于本发明集成电机泵喷推进器的后续工程应用有很好的借鉴作用。从上述研究和应用现状可以看出，国内集成电机泵喷研发才刚刚起步。本发明内容可以有效填补国内该应用领域的缺项，有力促进国内潜器推进用集成电机泵喷的自主研发和推广应用。该设计方法同样适用于鱼雷推进用集成电机后置定子式泵喷的设计。
发明内容：
本发明的目的是为了解决上述背景技术中存在的问题，针对无轴驱动式集成电机泵喷水力模型，提供一种设计周期短、设计质量高的设计方法，能够可靠设计出同时具有低噪和高临界航速特征的无轴泵喷水力模型，可推广用于实现水下无轴电力推进。
为了解决上述技术问题本发明提供的技术方案为：
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，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5中增加叶片厚度，进而重新确定泵喷水力模型。
较佳地，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。
较佳地，所述步骤2中确定初始泵喷二维轴面投影几何时，前置定子和后置叶轮叶片在轴向方向的间隔距离与叶轮直径的比值大于10％；叶轮轮毂和叶轮轮缘形成轴流式截面通道；前置定子轮缘与后置叶轮轮缘直径相同，前置定子轮毂与后置叶轮轮毂曲率光滑过渡；收缩型导管内壁面前段与前置定子轮缘曲率光滑过渡，收缩型导管内壁面后段与后置叶轮轮缘曲率光滑过渡。
较佳地，所述步骤3中后置叶轮叶片沿周向旋转，向旋转的反方向侧斜，且从叶根到叶梢截面向船艏纵倾；前置定子叶片数为11叶或13叶，后置叶轮叶片数优选9叶；前置定子和后置叶轮叶片采用NACA16翼型厚度分布；肥厚型导管为零推力或小推力导管，导管径向厚度大于电机定子、电机转子和气隙三者径向厚度之和。
较佳地，所述步骤3中采用参数化三元逆向设计方法设计前置定子和后置叶轮叶片几何时，前置定子叶片随边采用递增型环量分布、后置叶轮叶片导边采用二次方环量分布；前置定子和后置叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；前置定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，后置叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。
较佳地，所述步骤3之后还包括对所得初始泵喷推进器水力模型进行验证的步骤：采用粘性计算流体力学CFD方法，计算初始泵喷推进器水力模型的敞水性能，判断消耗功率、泵水力效率和泵喷敞水效率是否满足设计指标要求，若是，则进入步骤4，若否，则回到步骤2调整泵喷前置定子、后置叶轮和导管的轴面投影几何。
较佳地，所述步骤4电机转子轴向长度与2倍气隙大小之和等于气隙轴向长度，电机转子内径与2倍电机转子厚度和2倍气隙大小三者之和等于气隙径向长度。
较佳地，所述步骤6中求解带气隙集成电机泵喷水力模型空化流场时，可采用的空化模型包括Singhal模型、Sauer模型、Zwart模型和改进Sauer空化模型。
较佳地，所述步骤7中求解集成电机泵喷水力模型非定常瞬态流场时，可采用尺度适应模拟SAS、分离涡模拟DES或大涡模拟方法LES，优选SAS模拟。
较佳地，所述步骤9中的强度校核包括静强度和动强度。
本发明将轮缘推进器中的电机转子-螺旋桨结构改为电机转子-泵喷前置定子和后置叶轮结构，使桨叶变为定子和叶轮叶片。电机转子、泵喷后置叶轮与前置定子以及内嵌电机定子的导管构成集成电机泵喷，前置定子同时起到为泵喷叶轮进流提供预旋、支撑导管和提供电机电缆通道的作用。本发明的无轴驱动式集成电机泵喷水力模型设计方法，具有设计周期短、设计质量高的显著特点，能够可靠设计出同时具有低噪和高临界航速特征的无轴泵喷水力模型。应用该设计方法，成功设计出的一型前置定子式集成电机泵喷，泵流体通道水力效率85.62％，敞水效率0.589，在航速16节、水深30米以下时无空化产生，能够用于航速16节、功率3.8MW的潜器推进。设计方法中，通过参数化三元逆向设计前置定子和后置叶轮叶片几何，直接由叶片表面负载分布规律来控制叶片有效作功能力，解决了泵喷在直径一定的条件下同时保证推进效率、抑制空化和降低脉动压力的难题。该设计方法推广应用后可快速促进泵喷推进技术的普及应用。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1是本发明实施例的集成电机泵喷水力模型设计研发流程图；
图2是本发明实施例嵌入集成电机前的泵喷水力模型轴面投影几何；
图3是本发明实施例集成电机泵喷水力模型的轴面投影几何；
图4是本发明实施例集成电机泵喷中气隙轴面投影几何放大图；
图5是本发明实施例无轴驱动式集成电机泵喷水力模型的三维几何形状；
图6是本发明实施例无轴驱动式集成电机泵喷水力模型在设计航速和设计转速下纵仲剖面内速度矢量分布图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
步骤S1，依据设计要求进行泵流体通道水力参数的选型设计
依据航速和功率设计指标确定泵喷中前置定子和后置叶轮构成的泵流体通道的五个水力设计参数。
由船体阻力和设计航速的乘积得到有效功率，再由主机额定功率、额定转速、减速比，根据喷水推进基本理论，可得出泵流体通道的扬程H、流量Q、出口面积Aj、比转速Ns和吸口比转速参数Nss，该过程称为泵流体通道水力参数的选型设计。具体地，表达式(1)为扬程H的表达式，表达式(2)为流量Q的表达式，
其中，ψ是出口能量损失系数，分析时取0.01；β是艇体边界层流对泵喷的动能影响系数，分析时假定为0.87；V0是设计航速；μ是喷射比，它等于出口速度Vj与航速V0的比值，由喷射效率最高决定；ηm是轴系传动效率，分析时取0.98；ηP是泵效率，选型时取0.91；ηr是泵相对旋转效率，分析时取0.99；PD是与有效功率对应的主机输出功率，是已知量；ρ是水的密度；g是重力加速度。
出口面积Aj表达式为，
由此可得出口直径为，
其中，Dh为出口轮毂直径，等于出口直径与毂径比的乘积，毂径比依据比转速和设计经验取值。
泵流体通道的比转速Ns表达式为，
是一个无量纲量，其中，n(r/s)为后置叶轮转速和电机转子转速；体积流量Q的单位是m3/s，扬程H的单位是m。依据泵流体通道的设计经验，1.46＜NS＜3.66时通道设计为混流式，NS＞3.66时通道设计为轴流式。
泵流体通道的吸口比转速Nss表达式为，
其中，转速N的单位是r/min，NPSH是泵流体通道的净正吸头，意思是流体通道进口避免空化产生所需要的压力，
其中，Pa是大气压力，Pv是汽化压力，均取为常数。空化初生时吸口比转速对应一个特定的临界值，直接反映了流体通道的抗空化性能。
步骤S2，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。
图2所示为本发明的集成电机泵喷嵌入集成电机转子和气隙以前在轴面上的旋转投影图，包括前置定子轮毂1、前置定子叶片2、前置定子轮缘3、后置叶轮轮毂4、后置叶轮叶片5、后置叶轮轮缘6、出口轮毂壁面7、导管内壁面前段8、导管内壁面后段9、导管外壁面11。收缩型导管内壁面后段9与后置叶轮轮缘6曲率光滑过渡连接，收缩型导管内壁面前段8与前置定子轮缘3曲率光滑过渡连接。前置定子叶片轴面投影中导边12和随边13、后置叶轮叶片轴面投影中导边14和随边15均为直线段，也可以是样条曲线。后置叶轮叶片轴面投影中导边和随边叶梢端点之间的距离要小于电机环形转子轴向长度。导管外壁面11前段为直线段、后段为渐缩型样条曲线，与导管内壁面出口导圆连接。后置叶轮轮缘直径等于集成电机转子内径，导管外壁面直线段的直径大于电机前置定子外径，电机前置定子外径等于电机转子内径、2倍电机转子径向厚度、气隙、2倍电机前置定子径向厚度四项的和。导管内壁面进口形成的圆环面积等于导管出口环形面积的1.6倍。
步骤S3，依据步骤S1和步骤S2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。
依据步骤S1设定的泵流体通道的五个水力设计参数，结合步骤S2给定的前置定子和后置叶轮的轴面投影几何，采用参数化三元逆向设计方法设计得出前置定子和后置叶轮叶片三维几何形状。该设计方法的核心思想是：叶片三维几何形状由水动力参数(叶片负载分布和出口环量分布)和几何参数(轴面几何、叶截面厚度分布和堆叠角)共同决定。前置定子叶片随边采用递增型环量分布、后置叶轮叶片导边采用二次方环量分布；前置定子和后置叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；前置定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，后置叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。叶片负载分布决定了叶截面压力系数沿弦长方向的分布，进而直接决定了其作功能力和抗空化性能；出口环量分布用于控制后置叶轮叶片沿跨距方向的作功能力和前置定子叶片内的二次流动，进而改善前置定子与后置叶轮间的相互作用流场，提高作功效率。前置定子叶片出口环量与后置叶轮叶片进口环量相等。叶面负载(叶面压力面和吸力面之间的压力差)与沿周向平均的环量rVt在轴面流线方向上的导数密切相关，数学模型为，
其中，Vm是沿周向平均的轴面速度，等于流量与轴面投影图中直径对应的面积两者的比值；Vt是沿周向平均的切向速度分量，等于环量rVt值与轴面投影图中半径的比值，环量rVt值由扬程和泵转速决定，ηh为水力效率，设计时初始值取为0.92；p+、p-分别是叶片压力面与吸力面的静压，两者差值等于叶片产生推力；B是叶片数，依据经验给定，前置定子与后置叶轮叶片数通常满足互质关系，如前置定子叶片13叶、后置叶轮叶片9叶；m是无量纲轴面流线长度，是叶片不同跨距处几何参数，从叶片进口到出口取值为0到1。该设计方法首先由伦敦大学学院的Mehrdad Zangeneh博士于1991年提出。
在得到前置定子和后置叶轮三维几何形状后，将导管外壁面、内壁面前段、内壁面后段轴面投影轮廓线周向旋转得到导管三维几何形状，前置定子、后置叶轮和导管组合后得到嵌入集成电机前的泵喷水力模型。
步骤S4，采用粘性CFD计算方法，稳态求解嵌入集成电机前的初始泵喷推进器水力模型的敞水性能。CFD计算时，包括泵喷流场控制域网格离散、设定物理边界条件、流场控制方程求解、流场计算结果可视化后处理四个步骤。网格离散时，前置定子、后置叶轮和导管出口内部流场以及导管外部流场优先采用全六面体结构化网格，在满足网格无关性要求的条件下可有效保证流场计算精度。物理边界条件取为速度进口和压力出口，后置叶轮转速为额定转速。流场控制方程求解时，可选用通用CFD求解器，包括CFX、FLUENT、STARccm+等，优先采用CFX专用旋转机械求解器。控制方程求解时，流体湍流模型选用二方程剪切应力输运SST模型。流场计算结果可视化后处理时，提取泵流体通道扬程、功率和水力效率，再提取泵喷推力和力矩后求取敞水效率，判断功率和效率是否满足设计要求，若是，则进入步骤S5，若否，则回到步骤S2调整泵流体通道中前置定子和后置叶轮的轴面投影几何。
步骤S5，在步骤S2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S3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S3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。
图3所示为在嵌入集成电机前的泵喷二维轴面投影几何中加入电机环形转子和气隙后得到的带气隙集成电机泵喷二维轴面投影几何。图4所示为气隙轴面投影几何局部放大图。电机转子内径Dri由电机发出的推进功率决定，求解表达式为，
PT＝2kT[αsr(Dri+2hpole+lg)]2αsalaπn (9)
其中，kT为电机力矩常系数，hpole为磁极厚度，la为电机转子轴向长度，αsr和αsa分别为电机径向和轴向缩放系数，均由电机设计经验确定。lg为气隙大小，轴向和径向方向相等，依据电机散热量和电机绝缘设计水平取值。将环形转子外壁面19和气隙外端面18轴面投影轮廓周向旋转得到电机环形转子和气隙的三维几何形状。原导管三维几何形状与气隙外壁面布尔相减后得到嵌入集成电机的导管几何，与前置定子、后置叶轮和电机转子组合后得到带气隙集成电机泵喷水力模型的三维几何形状。气隙外端面水平段的直径等于电机前置定子内径。图1所示为本发明的无轴驱动式集成电机泵喷水力模型设计研发流程。图5所示为本发明的无轴驱动式集成电机泵喷水力模型的一个实施例，包括前置定子2、后置叶轮5、电机环形转子16、气隙17和导管10。
步骤S6，采用粘性CFD计算方法，稳态求解带气隙的集成电机泵喷水力模型的敞水性能。求解过程与步骤S4中相同。流场计算结果可视化后处理时，提取泵流体通道扬程、功率和水力效率，再提取泵喷推力和力矩后求取敞水效率(推进效率)，判断设计航速和转速下功率、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S7，若否，则回到步骤S3调整泵喷前置定子和后置叶轮叶片三元参数化逆向设计过程中的负载参数；
步骤S7，求解带气隙集成电机泵喷水力模型的空化流场。以步骤S6得到的满足功率和效率设计要求的集成电机泵喷水力模型CFD计算流场结果为初值，引入空化模型，求解集成电机泵喷水力模型的空化流场。求解有空化多相流湍流时，湍流模型仍采用SST二方程模型，空化模型采用如公式(1)的改进型Sauer空化模型：
其中，和分别代表了水蒸汽蒸发(气泡生长)和凝结(气泡溃灭)过程，蒸发和凝结系数分别取Cprod＝50和Cdest＝0.01，气泡平均初始半径RB＝1.5μm，αv和ρv分别表示水蒸汽体积分数和密度，ρl表示水的密度，p表示流体压力，pv表示相变临界压力，计算时取值如公式(11)：
其中，psat表示汽化压力常数，k表示流体湍动能，ρm表示混合流体密度，计算时取值如公式(12)：
ρm＝(αvρv+(1-αv-αg)ρl)/(1-fg) (12)，
其中，αg和fg分别表示非凝结性气核NCG的体积分数和质量分数，取值为αg＝7.8×10-4和fg＝1.0×10-6。对于由水、水蒸汽和NCG组成的三相混合流体来说，每一相的体积分数和质量分数均满足关系式
另外，求解集成电机泵喷的有空化多相流湍流时，空化模型还可以采用如公式(13)的Zwart模型
其中，rnuc为气核体积分数，RB为气核半径，参数取值为rnuc＝5.0×10-4,RB＝2.0×10-6,Fe＝50,Fc＝0.01。混合密度ρ＝ρ＝αvρv+(1-αv)ρl。
求解集成电机泵喷的有空化多相流湍流时还可以采用如公式(14)的Sauer模型：
其中，n0为常数。
在集成电机泵喷空化流场计算收敛后，提取计算结果中的叶片表面和气隙壁面总的空化面积，判断空化面积与泵进口面积的比值是否大于1％，若否，则进入步骤S8，若是，则回到步骤S3调整三元逆向设计过程中叶片表面的负载分布规律，抑制空化产生。
图6是本发明的集成电机泵喷水力模型实施例在设计航速16节和设计转速下由粘性CFD计算得到的纵仲剖面速度矢量分布图，由图6可以看出导管内外流动均无明显流动分离和二次流动产生，在0.35倍半径以上区间内，后置叶轮叶片尾流具有很小的周向速度分量，表明前置定子和后置叶轮两者的配合设计是较优的。表1是本发明的带气隙集成电机泵喷水力模型实施例在设计航速16节和设计转速下的积分力性能。泵喷敞水效率0.589，略高于当前七叶桨工作点的敞水效率。
表1集成电机泵喷水力模型(13叶前置定子、9叶后置叶轮)实施例性能参数
步骤S8，求解满足功率、效率和空化性能要求的带气隙集成电机泵喷水力模型的脉动推力和侧向力。泵喷轴向受力等于推力，侧向力是横向力和径向力的合成。以步骤S6集成电机泵喷稳态计算结果为初值，采用非定常瞬态模拟方法求解泵喷脉动推力和侧向力。求解时可采用尺度适应模拟(SAS)、分离涡模拟(DES)或大涡模拟方法(LES)，优先采用SAS模拟，可在保证脉动力幅值预报精度的条件下有效缩短计算周期。SAS-SST模型的控制方程是通过在湍流涡频率ω的输运方程中增加源项QSAS来实现。
其中，σ＝2/3,C＝2,κ＝0.41。L为湍流长度尺度，LvK为冯卡门长度尺度，S为应变。
另外，在进行瞬态求解集成电机泵喷的有空化多相湍流时还可以采用如公式(16)的DES模拟，DES-SST模拟时将SST模型的混合函数作进一步修正，
其中，β'＝0.09，μ是流体粘度，Δy是网格节点壁面距离。分离涡模拟DES与尺度适应模拟SAS的本质区别在于转换为LES求解时对局部网格尺度的依赖性更强，属于刚性转换，且转换过程由混合函数来实现。
另外，在进行瞬态求解集成电机泵喷的有空化多相湍流时还可以采用如公式(17)的大涡模拟LES方法
其中，τij为亚格子应力模型。
步骤S9，求解集成电机泵喷水力模型的离散线谱噪声声源级。脉动力源远场辐射声压表达式为
其中，t'为迟滞时间，F为脉动力矢量，r为测点位置矢量，r为脉动力源到测点距离，c为声速，θ为F与r矢量之间夹角，cosθ项用于表征脉动力源的偶极声场指向性。经验表明，即使脉动力源误差达到30％，由式(18)求得的辐射声压谱级误差也仅为3.1dB，满足工程精度要求。当测量距离折算到1m时，由式(18)求得的辐射声压谱级即为离散线谱声源级。求取集成电机泵喷水力模型的离散线谱声源级后，判断辐射噪声是否满足设计指标要求，若是，则进入步骤10)，若否，重新回到步骤S3增加后置叶轮叶片的后侧斜角和前置定子叶片的前侧斜角，得到集成电机大侧斜泵喷三维几何，再重复步骤S3～S9过程，直至效率、空化和噪声指标要求满足。
步骤S10，对满足功率、效率、空化和噪声性能要求的带气隙集成电机泵喷水力模型进行强度校核。强度计算时采用有限元FEM方法，求解器可选用成熟的通用有限元求解器，如ANSYS或NASTRAN。强度校核包括静强度和动强度。静强度计算时叶片表面的水动力载荷由稳态计算得到，动强度计算时叶片表面的水动力载荷由瞬态计算得到。给定叶片材料属性参数后，包括材料屈服极限、泊松比、杨氏模量和密度，计算水动力载荷、重力载荷和离心力载荷共同作用下的叶片最大应力和最大合成位移(应变)值，判断应力和应变是否满足国军标对强度的指标要求。若是，则进入步骤S11，若否，则回到步骤S3增加叶截面厚度，重新进行功率、效率、空化、噪声和强度校核。
步骤S11，在效率、空化、噪声和强度均满足设计指标要求后，确定无轴驱动式集成电机泵喷水力模型，并给出满足给定材料属性参数下的叶片厚度分布推荐值。
集成电机泵喷水力模型优先适用于水下潜艇和无人深潜器推进，所述步骤S3中采用的叶片参数化三元逆向设计经验同样适用于常规有轴驱动式前置定子泵喷和鱼雷推进用集成电机后置定子泵喷设计。
本实施例在实践中成功设计了一型功率3.713MW、水力效率85.62％、推进效率58.92％、无空化产生、线谱噪声123dB的集成电机泵喷水力模型。
本发明在设计过程中采用了参数化三元逆向设计方法设计前置定子和后置叶轮叶片三维几何形状、由CFD计算校验泵喷推进效率和空化性能、依据泵喷脉动推力和侧向力校验泵喷噪声性能、以及由FEM计算校核泵喷强度，可快速、可靠设计出同时满足低噪声、高临界航速、且推进效率适中的集成电机泵喷水力模型，能够直接推广应用于水下无轴推进技术，具有广阔的应用前景。
Claims (9)
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；
对所得初始泵喷推进器水力模型进行验证：采用粘性计算流体力学CFD方法，计算初始泵喷推进器水力模型的敞水性能，判断消耗功率、泵水力效率和泵喷敞水效率是否满足设计指标要求，若是，则进入步骤4，若否，则回到步骤2调整泵喷前置定子、后置叶轮和导管的轴面投影几何；
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2中确定初始泵喷二维轴面投影几何时，前置定子和后置叶轮叶片在轴向方向的间隔距离与叶轮直径的比值大于10％；叶轮轮毂和叶轮轮缘形成轴流式截面通道；前置定子轮缘与后置叶轮轮缘直径相同，前置定子轮毂与后置叶轮轮毂曲率光滑过渡；收缩型导管内壁面前段与前置定子轮缘曲率光滑过渡，收缩型导管内壁面后段与后置叶轮轮缘曲率光滑过渡。
4.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3中后置叶轮叶片沿周向旋转，向旋转的反方向侧斜，且从叶根到叶梢截面向船艏纵倾；前置定子叶片数为11叶或13叶，后置叶轮叶片数为9叶；前置定子和后置叶轮叶片采用NACA16翼型厚度分布；肥厚型导管为零推力或小推力导管，导管径向厚度大于电机定子、电机转子和气隙三者径向厚度之和。
5.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3中采用参数化三元逆向设计方法设计前置定子和后置叶轮叶片几何时，前置定子叶片随边采用递增型环量分布、后置叶轮叶片导边采用二次方环量分布；前置定子和后置叶轮叶片的叶根截面均采用中载型负载分布、叶梢截面均采用前载型负载分布；前置定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，后置叶轮叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角。
6.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4电机转子轴向长度与2倍气隙大小之和等于气隙轴向长度，电机转子内径、2倍电机转子厚度和2倍气隙大小三者之和等于气隙径向长度。
7.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6中求解带气隙集成电机泵喷水力模型空化流场时，可采用的空化模型包括Singhal模型、Sauer模型、Zwart模型和改进Sauer空化模型。
8.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7中求解集成电机泵喷水力模型非定常瞬态流场时，可采用尺度适应模拟SAS、分离涡模拟DES或大涡模拟方法LES。
9.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9中的强度校核包括静强度和动强度。
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| CN104112040A (zh) * | 2014-06-26 | 2014-10-22 | 中国人民解放军海军工程大学 | 高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法 |
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2014
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| 定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响;饶志强 等;《上海交通大学学报》;20130228;第47卷(第2期);第269-273页 * |
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