CN1911729A - 超空化汽液多相喷水推进器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种利用超空化现象实现汽液两相推进的一种喷水推进装置。该装置由吸水室、超空化叶轮、叶轮室、动能转换器和轴系组成。超空化叶轮采用了Tulin超空化水翼设计的叶片，能保证叶轮在设计工况产生超空化现象，使得叶轮在空化和超空化条件下均可以正常工作。叶轮后部的汽液两相通过动能转换器，从推进器的喷口喷出，推进器进出口的动量变化形成推力。动能转换器的作用引导叶轮出口的汽液两相流动，但和一般的导流器和扩压器不同的是，动能转换器将叶轮出口的汽液两相旋转动能转换为转换器出口的轴向流动的动能，汽液两相流的压力没有增加。本发明解决了在空化条件下实现大功率推进的问题，扩展了喷水推进的应用范围。

Description

超空化汽液多相喷水推进器

技术领域

本发明涉及一种利用超空化现象实现大功率、高功率密度的喷水推进装置，属于水面航行器的喷水推进技术领域。

背景技术

喷水推进是实现水面和水下航行器航行的推进方式之一，与螺旋桨不同的是它不是利用推进器直接产生推力，而是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进。喷水推进具有推进效率高、抗空泡能力强、附体阻力小、操纵性好、传动轴系简单、保护性能好、运行噪声低、变工况范围广和利于环保等常规螺旋桨不及的优点。

随着航行速度的提高和航行器喷水量的增加，喷水推进器的功率也越来越大，因此其几何尺寸也越来越大。由于航行器的空间有限，如何在提高功率的同时减小推进器的体积，即提高推进器的功率密度一直是喷水推进器研究的关键问题之一。提高转速是提高推进器功率的途径之一，然而由于当叶轮内的相对速度过高时，将在叶轮产生空化现象，而使得其推进功率急剧下降，因此，在很长的一段时间内，喷水推进器里的空化现象一直是人们力图避免的。然而，从上个世纪八九十年代以来，空化在生物医学^[1]、环境保护^[2]、先进制造和材料加工^[3]等方面均体现出了其特殊的优越性。即使在传统的水力机械领域，由于高速水力机械发展的突出需要，人们对它也重新产生了浓厚的研究兴趣。“超空化现象”就是所关注的焦点之一。

相对水翼而言，超空化是一种充分发展了的空化形态，空泡已覆盖整个水翼吸力面，并从物体表面延伸到尾部后面区域。Brennen认为：在较低空化数下，空化区在水翼尾缘下游闭合，即形成超空化^[4]。

对超空化现象的比较***的研究，最早是在二十世纪四十年代，由前苏联科学家V.L.Posdunine及其同事进行的，主要集中在实验观察方面，并意识到超空化水翼和传统水翼的巨大差异。其中，超空化水翼是一种易于超空化产生的特殊的水翼。A.J.Acosta的实验描述了其绕流带副翼平板尾迹中的空化涡^[4]，M.P.Tulin则总结了超空化水翼的翼型，建立了超空化的理论基础^[6]，提出了一种Hydronautics超空化水翼，其与一般水翼有着明显不同的结构特征。另外，Tulin(1953)还提出了二维超空化流动的细长体线性理论，Tachmindji和Morgan^[6](1958)，Tulin^[7](1964)，Cox^[8](1968)，Barr^[9](1970)，Yim^[10](1976)年又分别对超空化叶片的设计方法进行了改进和研究。到1980年，Tulin和Hsu^[7]又提出了非线性流动理论，克服了线性理论应用于局部空化水翼时的缺陷性。此外，美国的Venning.E.^[11](1962)还提出了一个结合二因次超空泡翼型和升力线理论的超空泡螺旋桨的理论设计方法。日本的Ukon对于超空泡螺旋桨的设计方法进行了系列研究^[12]，所设计出的螺旋桨在当时部分地满足了人们对于高效率(效率也仅在50％～60％左右，所谓“高”是相对于普通螺旋桨发生汽蚀时的效率而言的)和高推力的要求，同时又能很好的避免空蚀。

                               参考文献

1.Claus-Dieter Ohl，Manish Arora，Drug delivery following shock waveinduced cavitation，Fifth international symposium oncavitation(cav2003)，Osaka，Japan，Cav03-OS-2-1-001，2003

2.K.M.Akihiko kakegawa，Takafumi kawamura，An experimental study onoxidation of organic compounds by cavitating water-jet，Fifthinternational symposium on cavitation(cav2003)，Osaka，Japan，Cav03-OS-2-2-002，2003

3.Ivan K.Manko，et al，Use hydrodynamic cavitation for increase ofefficiency of process of well drilling，Fifth international symposiumon cavitation(cav2003)，Osaka，Japan，Cav03-OS-2-2-002，2003

4.C.E.Brennen，Cavitation and bubble dynamics，Oxford universitypress，New York，chapter 7，8，1995

5.M.P.Tulin，The history and principles of operation of supercavitatingpropellers，VKI/RTO Special Course：Supercavitating flows，Von Karmaninstitute for fluid dynamics，Santa Barbara，2001

6.Tachnimdji A，Morgan W The design and estimated performance of aseries of supercavitating propellers.In the Second Office of NavalResearch Symposium on Naval Hydrodynamics，ACR-38，pp：489-532，1958

7.M.P.Tulin，Supercavitation：an overview，VKI/RTO Special Course：supercavitating Flows，Von Karman institute for fluid dynamics，SantaBarbara，U.S.A.，2001

8.Cox G.，Supercavitating propeller theory-the derivations ofinduced velocity，The 7th symposium on naval hydrodynamics，Rome，1968

9.Barr R.A.，Supercavitating and superventilatedpropellers，Transactions of SNAME，78：417-450，1970

10.Yim B.，Optimum propellers with cavity-drag and frictional drageffects，Journal of ship resources，20，1976

11.Venning E.，Haberman W.L.，Supercavtating propeller performance，Transact ions，SNAME，354-417，1962

12.Ukon Y，Kudo T，Kurobe Y，Hoshino T，Design and evaluation of newsupercavitating propellers[A]，The Second International SymposiumonCavitation[C]，395-402，1994

发明内容

本发明提出了一种轴流式超空化汽液推进器，是一种利用超空化现象实现汽液两相推进的喷水推进装置。该装置由吸水室、超空化叶轮、叶轮室、动能转换器和轴系组成。本发明旨在解决在空化条件下实现大功率推进的问题，以扩展喷水推进的应用范围。

本发明的具体技术方案如下：

超空化叶轮采用了按Tulin超空化水翼设计的叶片，能保证叶轮在设计工况产生超空化现象，使得叶轮在空化和超空化条件下还可以正常工作。叶轮后部的汽液两相通过动能转换器，从推进器的喷口喷出，推力由推进器进出口的动量变化形成。动能转换器的作用是引导叶轮出口的汽液两相流动，但和一般的导流器和扩压器不同的是，动能转换器将叶轮出口的汽液两相流动旋转动能转换为转换器出口的轴向流动的动能，汽液两相流的压力没有增加。

针对上述问题，本发明提出了一种轴流式超空化喷水推进器。这种推进器和普通的喷水推进器具有相同的结构形式，其不同点在于：一、其转子的设计采用了TULIN提出的超空化水翼，这种水翼在低空化数，即空化条件特别是超空化条件下，具有比普通的水翼在相同的条件下高的多的升阻比，因此可以期待采用这种超空化水翼设计的叶轮，在超空化条件下运转时，其效率指标可以接近普通叶轮的最高效率。二、动能转换器。提出了一种动能导流器的装置。不同于现有的水泵采用的扩压装置，动能导流器的作用是将叶轮出口的旋转速度的动能转换为轴向速度的动能，即将旋转速度转化为轴向速度，因此和扩压器的扩散流道不同动能转换器的流道是收缩的。采用动能转换器代替现有推进器中的扩压器，解决了两个问题：一是保证了从叶轮出口到推进器出口水流的压能不增加，从而保证空化形成的汽液两相介质中的汽相不再转化为液相，在喷水推进器的出口形成高速汽液两相喷流，增加出口的动量；二是解决了推进器首先通过扩压器将出口动能转换为液流的压能，然后再通过喷嘴将压能转换为动能，形成出口动量的办法，而是将旋转速度的动能直接转换为轴面速度的动能。

附图说明

图1轴流式超空化汽液多相喷水推进器示意图

图2超空化叶轮示意图

图3动能转换器示意图

具体实施方式

和一般的喷水推进器相同，超空化汽液多相喷水推进器通过电动机带动泵级的叶轮旋转，将转动机械能转变为液流的机械能，其基本结构如图1所示，由吸水室1、超空化叶轮2、导流部件3、轴系4以及叶轮室5组成。

图2为超空化叶轮结构图，主要部件为轴1，Tulin超空化叶片2，超空化叶轮轮毂3和叶轮室壳体4。图3为动能转换器结构图，主要部件为转换器壳体1，轴2和转换器叶片3。

液流在叶轮的旋转作用下经吸水室进入超空化叶轮。水体经过叶轮时由于速度很高产生空化现象，但由于超空化叶轮采用了TULIN超空化水翼的特殊设计，能够保证经过叶轮的液流在设计点产生超空化，并且在超空化条件下仍能正常工作。超空化叶轮产生的汽液两相旋转液流由叶轮的出口进入动能转换器，该转换器的设计满足：

$\frac{V_{m2}^2+V_{u2}^2}{2g}=\frac{V_{m3}^2}{2g}+h_l$

这里V_m是轴面速度，V_u是圆周速度，h_l是流动损失。下标2表示叶轮出口，下标3表示转换器出口。上式表示如果不考虑损失，在转换器中，水流的动能不变，因此压能不增加。转换器的收缩断面和导叶片的设计要互相配合，以满足上式所表达的原理，其中在中间断面上，圆周速度的减小和轴面速度的增加是相关的，逐渐变化的。

与一般喷水推进器不同，水体经过叶轮时发生空化现象，叶轮出口处的流动是汽液两相流动。由于特殊设计的导流装置，汽液两相介质的动能将不转换为压能，而是仅仅将旋转流转变为纯轴向流，总动能基本不发生变化。同时，因为压强没有增加，空化发生以后，流态保持为汽液两相流，两相流体从喷口高速喷出，流体在推进器出口由于轴向动量的剧烈变化产生反推力，航行器得以高速前进。

Claims (4)

1.一种利用超空化现象实现汽液两相推进的喷水推进装置。该装置由吸水室、超空化叶轮、叶轮室、动能转换器和轴系组成。

2.根据权利要求1所述的一种利用超空化现象实现汽液两相推进的喷水推进装置，其特征在于超空化叶轮采用了按Tulin超空化水翼设计的叶片。这种叶片具有两个特点：

a.能保证叶轮在设计工况产生超空化现象；

b.在低空化数，即空化条件特别是超空化条件下，具有比普通的水翼在相同条件下高得多的升阻比，因此在超空化条件下运转时，其效率指标可以接近普通叶轮的最高效率，使得叶轮在空化和超空化条件下均可以正常工作。

3.根据权利要求1所述的一种利用超空化现象实现汽液两相推进的喷水推进装置，其特征在于推力由动能转换器进出口的动量变化形成。动能转换器有两个作用：

a.引导叶轮出口的汽液两相流动，使叶轮出口的汽液两相流动旋转动能直接转换为转换器出口的轴向流动的动能，打破了传统推进器首先通过扩压器将出口动能转换为液流的压能，然后再通过喷嘴将压能转换为动能，形成出口动量的办法；

b.由于采用了独特的收缩流道设计，汽液两相流的压能没有变化，保证了从叶轮出口到转换器出口水流的压能不增加，从而保持空化形成的汽液两相介质中的汽相不再转化为液相，在喷水推进器的出口形成高速汽液两相喷流，增加出口的动量。

4.根据权利要求1所述的一种利用超空化现象实现汽液两相推进的喷水推进装置，其特征在于超空化叶轮和动能转换器的组合设计使推进器可以在空化条件下正常工作，从而可通过提高转速的方法有效地提高功率，同时不必增大推进器的体积，实现了空化条件下的大功率、高功率密度的喷水推进。