对转推进泵转子干涉特性研究及水动力优化设计

发布时间：2020-05-10 15:56

【摘要】：高速推进是现代水下航行体和船舶推进技术发展的一个重要方向,而航速的提升对推进系统各方面性能提出了更高的要求,传统螺旋桨型推进器应用于高速推进时常常遭遇噪声过大、空泡、效率衰减等问题。推进泵作为一种推进效率高、空化性能好、噪声低的推进形式,已大量运用于各类高性能水下航行体和船舶,尤其在高速航行时相比螺旋桨其性能优势非常显著。然而,当航速进一步提高,推进泵因叶片载荷加重仍会遭遇空化、流动不稳定及噪声振动性能恶化等问题。面向这些问题,将对转技术引入推进泵的设计,能够在充分利用推进泵优势的基础上更大程度地提升推进器的能量密度、声学性能。对转推进泵技术虽然在船舶高速推进方面具有很大优势,但其水动力设计、结构设计等相关技术仍未成熟。为充分理解对转推进泵特性、进一步推进其应用,本课题围绕对转推进泵的水动力设计与转子干涉特性研究展开,首先,进行对转推进泵的水动力设计,分析了对转推进泵的内流特性与损失机理;并且,面向对转推进泵的动-动干涉抑制,研究了对转叶轮翼型厚度分布、骨线几何等关键特性参数与对转推进泵压力脉动、激振力特性的关系;最后,开展了对转推进泵的实验系统设计,为水下航行体及船舶的高速推进提供一定的理论与技术支撑。论文的基本内容如下:(1)验证了对转推进泵的定常和非定常CFD数值模拟方法。面向对转推进泵水动力性能、压力脉动特性与内流场结构研究,对边界层网格与湍流模型、采样时长与时间步长、出入口边界条件等进行了分析。并借助相关实验数据验证了该数值模拟方案的可靠性。(2)面向某航行体性能并综合考虑到实验系统能力,确定了主要设计参数,开展了对转推进泵的水动力设计。研究了关键的骨线几何特征与叶片载荷分布、空化性能的关系,在保证总载荷不变的前提下,通过载荷分布优化实现叶片低压区压力的提升,显著提高了泵的空化性能。从而达到兼顾水动力性能与空化性能的对转推进泵设计要求。(3)从叶片翼型优化设计出发,研究了基于厚度分布和骨线几何优化的对转推进泵动-动干涉抑制方法。分析了不同翼型厚度分布模型和骨线模型的对转推进泵内部流场结构、压力脉动特性和径向激振力特性。研究结果表明对转推进泵的压力脉动主要是由转子旋转引起的流场不均匀性导致,而径向力主要来自前后转子的干涉。将翼型最大厚度位置适当后移可以提高对旋转子干涉区域的流场均匀性,降低压力脉动强度,并能减小转子的径向激振力;将前转子叶片后部的β角适当减小能使前转子出流分布更为均匀,从而使后转子的压力脉动和径向力显著下降。(4)为进一步验证对转推进泵技术,最后进行了对转推进泵机械结构与循环管路实验台的设计。主要包括实验系统机械结构设计和测量系统设计两个方面,形成了一套详尽的设计方案,为后续对转型推进技术的进一步研究提供支撑条件。
【图文】：

示意图,网格划分,网格,离散误差

最大值３７．３。进出口延长段采用ＩＣＥＭ进行结构化网格划分，其中出口段网格长度逐渐逡逑增大，在保证模拟可靠性的前提下，减少网格量。逡逑图２．１对转轴流泵计算域示意图逡逑（ａ）前转子网格划分逦（ｂ）后转子网格划分逡逑（ｃ）进口延长段网格划分逦（ｄ）出口延长段网格划分逡逑图２．２网格划分示意图逡逑由于在数值模拟计算中，，将微分方程转化为离散方程时会产生离散误差，所以网格逡逑的划分质量对数值模拟结果的精度有较大影响。当网格数的增加对计算结果影响不大时，逡逑才可以认为数值模拟结果有参考意义。如表２．１所示，本文采用了邋５种不同密度的网格逡逑１１逡逑

无关性,验证结果,扬程系数,网格

３．９３２逡逑选择扬程系数作为检验的变量，扬程系数的计算式为式（２．１）。将各扬程系数相对逡逑最密网格结果进行归一化处理，图２＿３为归一化扬程系数与网格数的关系曲线。由图可逡逑知，随着网格数的增加，前后转子及泵整体的归一化扬程系数曲线逐渐平稳，在总网格逡逑数达到３５３．６６万时，归一化扬程系数变化小于０．３％，满足计算精度的要求。从计算效逡逑率和计算精度的角度考虑，本文最终选用总网格数为３５３．６６万的计算模型。其中，前转逡逑子１３７．６０万，后转子９２．２３万，进口延长段６１．６２万，出口延长段６１．６２万。逡逑＾邋＝逦（２１）逡逑矿＝７逦（２．２）逡逑ｍ逡逑式中，好为扬程，Ｄ为叶轮外径，ｎ为转速，为归一化扬程系数，中＾代表最密网格的逡逑扬程系数。逡逑１．０９邋－１逦．逦，逦．逦１逦，逦
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941

【参考文献】