转子叶片S型抗空化剖面结构及其应用和设计方法

转子叶片s型抗空化剖面结构及其应用和设计方法
技术领域
1.本技术属于水下航行器转子结构设计方法技术领域，尤其涉及一种转子叶片s型抗空化剖面结构及其应用和设计方法。

背景技术：

2.船舶进港船速逐渐降低的过程中，操舵产生的舵力转船力矩逐渐减小，控制航向的能力逐渐变差。为了解决这个问题，产生了另一种产生转船力矩的方法，即侧推器。如图1所示，常规的槽道侧推器转子在转动过程中，转子叶面压力值大，转子叶背压力值较低，转子叶面和叶背会存在压力差，从而为槽道侧推器不断的提供推力。
3.但另一方面由于压力面和吸力面的距离很小，转子叶面和对应位置的叶背会形成很大压力梯度，会使流体从压力面翻转到叶梢端面，再从叶梢端面翻转到吸力面，这种流动特性，会使流体在槽道侧推器转子叶背处很容易产生空化，伴随产生空化噪声。同时由于常规槽道侧推器的转子叶片剖面的叶背和叶面一般是关于弦线呈轴对称，拱度为0，这种剖面形状在叶背前缘附近压力很低，导致叶背空化加剧，不仅会使转子叶片及附近槽道内壁的脉动压力显著增加，还会造成转子叶片断裂，引发重大工程事故。空泡溃灭时产生的巨大压力冲击会造成转子叶片的汽蚀破坏，产生空化噪声，使槽道侧推器的辐射噪声急剧增加。上述因素的影响，最终导致常规船舶侧推器在工作过程中在转子叶背附近很容易产生空化，增强了转子叶片的疲劳破坏，降低了转子的使用寿命，同时使噪声显著增加，极大限制了船舶侧推器的效率以及船舶或水下航行体的隐身性能。

技术实现要素：

4.本技术的目的在于，针对上述问题，提供一种具有抗空化能力的转子叶片剖面结构及其应用和设计方法，对转子叶片剖面形状进行优化设计，设计剖面形状为s型的转子叶片。该新型槽道侧推器转子剖面和传统槽道侧推器转子剖面相比，它可以有效降低转子叶背在导缘附近位置的压降，防止叶片空化，避免空化剥蚀，降低叶片激振力，提高槽道侧推器的推进效率，减小侧推器的辐射噪声。
5.为实现上述目的，本技术采用如下技术方案。
6.一种转子叶片s型抗空化剖面结构，所述转子叶片具有s型剖面结构，所述s型剖面结构关于转子叶片的0.5倍弦长点呈中心对称。
7.基于权利要求1所述的转子叶片s型抗空化剖面结构，所述s型剖面结构在前缘至0.5倍弦长位置部分，拱度均为正值，且沿弦线方向先增大，达到最大值后逐渐减小，在0.5倍弦长位置拱度降为0；所述s型剖面结构在0.5倍弦长位置至后缘部分，拱度均为负值，拱度的绝对值沿弦线方向先增大，在达到最大值后逐渐减小，拱度在后缘处收缩为0。
8.还提供一种具有前述s型抗空化剖面结构的抗空化转子，所述抗空化转子主体采用铜合金材料加工，转子上多个与转子毂的外周连接的叶片，所述叶片具有s型剖面结构，叶片以转子毂的中心轴为中心呈放射状设置。
9.还提供一种具有前述s型抗空化剖面结构的轴驱动型槽道侧推器，包括转子、原动机、轴系；
10.所述转子的叶片具有s型剖面结构；
11.原动机安装在槽道内中心轴处或槽道外部，当原动机位于槽道内中心轴时，原动机驱动轴系，轴系带动抗空化转子旋转；
12.当原动机位于槽道外部时，原动机通过z型传动装置驱动轴系，轴系带动抗空化转子旋转。
13.还提供一种具有前述s型抗空化剖面结构的轮缘驱动型槽道侧推器，包括轮缘电机、磁极环转子、转子、轴承
14.所述转子的叶片具有s型剖面结构；
15.轮缘电机安装在船体内部，轮缘电机的电机定子和磁极环转子通过轴承连接，磁极环转子和抗空化转子固定连接；当轮缘电机工作时，磁极环转子带动抗空化转子相对电机定子旋转。
16.还提供用于前述转子叶片s型抗空化剖面结构的设计方法，包括以下步骤：
17.(1)根据水下航行体的设计条件和设计要求对槽道侧推器的几何参数进行分析和选型，确定槽道、定子和转子的初步几何形状；
18.(2)从槽道内壁压力、槽道入口压力、船体表面压力三个方面考虑，对步骤(1)中的槽道形状进行优化设计，以提高槽道内壁、槽道入口、船体表面的最低压力为设计目标；通过数值计算方法计算槽道的流场，若求解得到的槽道水动力性能参数满足设计要求，则确定最终槽道的几何形状并进入下一步；否则对槽道的几何形状进行重新优化设计，直至满足设计要求；
19.(3)从定子的水动力性能、强度两个方面考虑，对步骤(1)中的定子形状进行优化设计，以提高定子的强度以及最低压力为设计目标；通过数值计算方法计算定子的流场，若求解得到的定子水动力性能参数和强度满足设计要求，则确定最终定子的几何形状并进入下一步；否则对定子的几何形状进行重新优化设计，直至满足设要求；
20.(4)对步骤(1)中槽道侧推器转子形状进行优化设计，优化设计步骤如下：
21.4a)以原始对称翼形剖面为基础剖面，对槽道侧推器转子的各个径向位置剖面尺寸参数进行优化设计，以提高转子的推力、推进效率、最低压力为设计目标，所述尺寸参数包括弦长分布、厚度分布、螺距分布；
22.4b)以步骤(a)中设计的各个径向位置剖面为基础，对各径向位置剖面在前缘至0.5倍弦长段的形状进行设计；先对转子各个径向位置剖面的最大拱度进行初步设计，以提高叶背在前缘附近的压降为设计目标，然后在前缘至0.5倍弦长段，对此段的拱度在弦向的分布形式进行初步设计，以提高吸力面的低压区的压力值为设计目标，这样就得到各个径向位置剖面在前缘至0.5倍弦长段的形状，以0.5倍弦长点为对称中心对此段的剖面形状进行中心对称，就得到各个径向位置处整个剖面的形状；
23.4c)以步骤(b)中转子各个径向位置剖面的参数为基础，对s型剖面转子进行三维建模；以转子推力、收到功率、推进效率、最低压力为衡量基准，采用cfd方法对s型剖面转子的三维流场进行求解，若求解得到的转子推力、收到功率、推进效率、最低压力均满足设计要求，则确定最终槽道侧推器转子剖面的几何形状；否则继续对转子各个径向位置剖面的
形状进行优化设计，直至满足设计要求。
24.其有益效果在于：
25.本发明的转子叶片采用s型剖面设计，s型剖面关于0.5倍弦长点呈中心对称，故本实施例中的转子无论是正转还是反转，其具有基本相同的水动力性能。相较于常规对称型剖面转子，s型剖面转子在导边至0.5倍弦长段具有正的拱度，故其在正转或反转时靠近导边吸力面的低压区的压力值将大幅提高，从而抑制空化的发生，防止转子叶片被空化剥蚀，提高槽道侧推器转子叶片的抗空化性能，降低转子叶片空泡引起的辐射噪声以及结构振动噪声。
附图说明
26.图1是常规槽道侧推器转子叶片剖面示意图；
27.图2是具有抗空化能力的转子叶片剖面结构的示意图；
28.图3是原始结构的槽道侧推器转子叶背压力分布云图；
29.图4是基于本技术的结构的槽道侧推器转子叶背压力分布云图；
30.图5是原始结构的槽道侧推器转子叶面压力分布云图；
31.图6是基于本技术的结构的槽道侧推器转子叶面压力分布云图；
32.图7是原始结构的低压区位置压力分布云图；
33.图8是基于本技术的结构的低压区位置压力分布云图。
具体实施方式
34.以下结合具体实施例对本技术作详细说明。
35.基于前述现状和问题，本发明提供了一种具有抗空化能力的转子叶片剖面结构，并提供其应用和设计方法，通过水下航行体的设计条件和设计要求对转子叶片的几何参数进行理论分析和选型，确定转子叶片的优化改进方案，实现抑制常规槽道侧推器转子叶片的空化，提高侧推器空化起始转速，防止转子叶片空化剥蚀，降低槽道侧推器的辐射噪声，提高槽道侧推器转子的抗空化性能的目的。
36.本技术中所述的具有抗空化能力的转子叶片剖面结构，其特点是，转子叶片的剖面采用s型剖面结构，所述s型剖面结构关于转子叶片的0.5倍弦长点呈中心对称。
37.具体而言，如图2所示，所述s型剖面结构，在前缘至0.5倍弦长位置部分，拱度均为正值，其沿弦线方向先增大，达到最大值后逐渐减小，在0.5倍弦长位置拱度降为0；在0.5倍弦长位置至后缘部分，拱度均为负值，拱度的绝对值沿弦线方向先增大，在其达到最大值后逐渐减小，拱度在后缘处收缩为0。s型剖面关于0.5倍弦长点呈中心对称。s型剖面转子相较于常规对称剖面转子，其在不同半径位置处的剖面均具有拱度，当s型剖面转子正转时，α面为叶面，β面为叶背，此时β面的低压区的最低压力值将大幅提高；由于s型剖面关于0.5倍弦长点呈中心对称，故侧推器转子在正转和反转时其水动力性能基本相同，当s型剖面转子反转时，β面为叶面，α面为叶背，此时α面的低压区的最低压力值亦将大幅提高。
38.为便于说明前述转子叶片剖面结构的特点，以下是实施例结合具体设计优化过程和模拟测试结果进行说明。本技术的具有抗空化能力的转子叶片剖面结构的设计方法，具体包括以下步骤：
39.(1)根据水下航行体的设计条件和设计要求对槽道侧推器的几何参数进行分析和选型，确定槽道、定子和转子的初步几何形状；
40.(2)从槽道内壁压力、槽道入口压力、船体表面压力三个方面考虑，对步骤(1)中的槽道形状进行优化设计，以提高槽道内壁、槽道入口、船体表面的最低压力为设计目标；通过数值计算方法计算槽道的流场，若求解得到的槽道水动力性能参数满足设计要求，则确定最终槽道的几何形状并进入下一步；否则对槽道的几何形状进行重新优化设计，直至满足设计要求；
41.(3)从定子的水动力性能、强度两个方面考虑，对步骤(1)中的定子形状进行优化设计，以提高定子的强度以及最低压力为设计目标；通过数值计算方法计算定子的流场，若求解得到的定子水动力性能参数和强度满足设计要求，则确定最终定子的几何形状并进入下一步；否则对定子的几何形状进行重新优化设计，直至满足设要求；
42.(4)对步骤(1)中槽道侧推器转子形状进行优化设计，优化设计步骤如下：
43.4a)以原始对称翼形剖面为基础剖面，对槽道侧推器转子的各个径向位置剖面尺寸参数进行优化设计，以提高转子的推力、推进效率、最低压力为设计目标，所述尺寸参数包括弦长分布、厚度分布、螺距分布；
44.4b)以步骤(a)中设计的各个径向位置剖面为基础，对各径向位置剖面在前缘至0.5倍弦长段的形状进行设计；先对转子各个径向位置剖面的最大拱度进行初步设计，以提高叶背在前缘附近的压降为设计目标，然后在前缘至0.5倍弦长段，对此段的拱度在弦向的分布形式进行初步设计，以提高吸力面的低压区的压力值为设计目标，这样就得到各个径向位置剖面在前缘至0.5倍弦长段的形状，以0.5倍弦长点为对称中心对此段的剖面形状进行中心对称，就得到各个径向位置处整个剖面的形状；
45.4c)以步骤(b)中转子各个径向位置剖面的参数为基础，对s型剖面转子进行三维建模；以转子推力、收到功率、推进效率、最低压力为衡量基准，采用cfd方法对s型剖面转子的三维流场进行求解，若求解得到的转子推力、收到功率、推进效率、最低压力均满足设计要求，则确定最终槽道侧推器转子剖面的几何形状；否则继续对转子各个径向位置剖面的形状进行优化设计，直至满足设计要求。
46.以某型设备的槽道侧推器基本结构为基础，对转子桨叶剖面形状进行优化设计，其中1#应用常规对称型剖面结构的转子叶片，2#应用本技术中使用的s型剖面结构的转子叶片。以侧推器总推力、转子收到功率和转子最低绝对压力(1米水深)为衡量标准，通过cfd数值计算软件对模型进行数值仿真，采用非结构网格对槽道推进器进行非定常水动力计算，分别计算1#、2#号转子不同方案，计算结果如表1所示。
47.表1 槽道推进不同转子方案水动力计算结果
[0048][0049]
通过模拟得到两种方案的转子叶背压力、叶面压力以及低压区位置压力的分布云图如图3～图8所示；由图可知，两种不同剖面形状的转子均能满足船舶推力和功率要求，同时采用本技术中设计的2#方案的转子剖面形状使转子低压区压力分布特征优于传统的1#方案，其中侧推器转子最低绝对压力(1米水深)为29496pa，此压力值远远高于水的临界空化压力(当压力低于临界空化压力时会产生空化现象)，可以有效避免空化的发生，证明在抗空化性能方面，所述s型剖面转子叶片优于常规对称型剖面转子。
[0050]
在前述基础之上，对本技术的s型剖面转子叶片形状进行优化设计，根据不同设计指标和需求，得到设计了三种不同剖面形状的转子叶片。以侧推器推力和转子收到功率为衡量标准，通过cfd数值计算软件对模型进行数值仿真，采用非结构网格对槽道推进器进行了定常水动力计算，分别计算了3#、4#、5#号转子不同方案，计算结果如表2所示。
[0051]
表2 槽道推进不同转子方案水动力计算结果
[0052][0053]
通过模拟，可以确定基于本技术的方案以及设计方案和优化方法得到的不同剖面形状的转子叶片均能满足船舶推力和功率要求。其中采用转子剖面形状i时的侧推器受到总推力为25879.54n，转子收到功率为106.84kw，各结构的性能参数均远优于现有设备，因此集合本技术的方案和设计方法能够得到满足不同设计需求和目标的多种设计结果，并获得在不同设计指标上具有远超现有设计方案的设计结果，具有广泛的应用前景。
[0054]
特别的，本发明既可以应用在轴驱动型槽道侧推器上，又可以应用在轮缘驱动型槽道侧推器上。
[0055]
应用于轴驱动型槽道侧推器时主要结构包括转子叶片、原动机、轴系，其中原动机既可以安装在船体外部，也可以安装在船体内部。当原动机位于槽道内中心轴(船体外部)时，原动机带动轴旋转，所述转子叶片和轴连接进而被轴带动旋转；当原动机位于船体内部时，原动机通过z型传动装置带动轴旋转，轴再带动所述转子旋转。
[0056]
应用于轮缘驱动型槽道侧推器时主要结构由轮缘电机、磁极环转子、转子叶片、轴承等部件组成，轮缘电机安装在船体内部，轮缘电机的电机定子和磁极环转子通过轴承连接，磁极环转子和转子叶片固定连接，当轮缘电机工作时，磁极环转子带动所述转子叶片相对电机定子旋转。当槽道侧推器在流体中工作时，由于转子抽吸作用，流体从一侧进入槽道，从另一侧流出槽道，产生侧推力。
[0057]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对本技术保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本技术作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术技术方案的实质和范围。

技术特征：

1.一种转子叶片s型抗空化剖面结构，其特征在于，所述转子叶片具有s型剖面结构，所述s型剖面结构关于转子叶片剖面的0.5倍弦长点呈中心对称。2.基于权利要求1所述的转子叶片s型抗空化剖面结构，其特征在于，所述s型剖面结构在前缘至0.5倍弦长位置部分，拱度均为正值，且沿弦线方向先增大，达到最大值后逐渐减小，在0.5倍弦长位置拱度降为0；所述s型剖面结构在0.5倍弦长位置至后缘部分，拱度均为负值，拱度的绝对值沿弦线方向先增大，在达到最大值后逐渐减小，拱度在后缘处收缩为0。3.具有权利要求1或2所述的s型抗空化剖面结构的抗空化转子，其特征在于，所述抗空化转子主体采用铜合金材料加工，转子上多个与转子毂的外周连接的叶片，所述叶片具有s型剖面结构，叶片以转子毂的中心轴为中心呈放射状设置。4.具有权利要求1或2所述的s型抗空化剖面结构的轴驱动型槽道侧推器，其特征在于，包括转子、原动机、轴系；所述转子的叶片具有s型剖面结构；原动机安装在槽道内中心轴处或槽道外部，当原动机位于槽道内中心轴时，原动机驱动轴系，轴系带动抗空化转子旋转；当原动机位于槽道外部时，原动机通过z型传动装置驱动轴系，轴系带动抗空化转子旋转。5.具有权利要求1或2所述的s型抗空化剖面结构的轮缘驱动型槽道侧推器，其特征在于，包括轮缘电机、磁极环转子、转子、轴承所述转子的叶片具有s型剖面结构；轮缘电机安装在船体内部，轮缘电机的电机定子和磁极环转子通过轴承连接，磁极环转子和抗空化转子固定连接；当轮缘电机工作时，磁极环转子带动抗空化转子相对电机定子旋转。6.用于权利要求1所述的转子叶片s型抗空化剖面结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据水下航行体的设计条件和设计要求对槽道侧推器的几何参数进行分析和选型，确定槽道、定子和转子的初步几何形状；(2)从槽道内壁压力、槽道入口压力、船体表面压力三个方面考虑，对步骤(1)中的槽道形状进行优化设计，以提高槽道内壁、槽道入口、船体表面的最低压力为设计目标；通过数值计算方法计算槽道的流场，若求解得到的槽道水动力性能参数满足设计要求，则确定最终槽道的几何形状并进入下一步；否则对槽道的几何形状进行重新优化设计，直至满足设计要求；(3)从定子的水动力性能、强度两个方面考虑，对步骤(1)中的定子形状进行优化设计，以提高定子的强度以及最低压力为设计目标；通过数值计算方法计算定子的流场，若求解得到的定子水动力性能参数和强度满足设计要求，则确定最终定子的几何形状并进入下一步；否则对定子的几何形状进行重新优化设计，直至满足设要求；(4)对步骤(1)中槽道侧推器转子形状进行优化设计，优化设计步骤如下：4a)以原始对称翼形剖面为基础剖面，对槽道侧推器转子的各个径向位置剖面尺寸参数进行优化设计，以提高转子的推力、推进效率、最低压力为设计目标，所述尺寸参数包括弦长分布、厚度分布、螺距分布；
4b)以步骤(a)中设计的各个径向位置剖面为基础，对各径向位置剖面在前缘至0.5倍弦长段的形状进行设计；先对转子各个径向位置剖面的最大拱度进行初步设计，以提高叶背在前缘附近的压降为设计目标，然后在前缘至0.5倍弦长段，对此段的拱度在弦向的分布形式进行初步设计，以提高吸力面的低压区的压力值为设计目标，这样就得到各个径向位置剖面在前缘至0.5倍弦长段的形状，以0.5倍弦长点为对称中心对此段的剖面形状进行中心对称，就得到各个径向位置处整个剖面的形状；4c)以步骤(b)中转子各个径向位置剖面的参数为基础，对s型剖面转子进行三维建模；以转子推力、收到功率、推进效率、最低压力为衡量基准，采用cfd方法对s型剖面转子的三维流场进行求解，若求解得到的转子推力、收到功率、推进效率、最低压力均满足设计要求，则确定最终槽道侧推器转子剖面的几何形状；否则继续对转子各个径向位置剖面的形状进行优化设计，直至满足设计要求。

技术总结

本申请属于水下航行器转子结构设计方法技术领域，尤其涉及一种转子叶片S型抗空化剖面结构及其应用和设计方法。本发明的转子叶片采用S型剖面设计，S型剖面关于0.5倍弦长点呈中心对称，故本实施例中的转子无论是正转还是反转，其具有基本相同的水动力性能。相较于常规对称型剖面转子，S型剖面转子在导边至0.5倍弦长段具有正的拱度，故其在正转或反转时靠近导边吸力面的低压区的压力值将大幅提高，从而抑制空化的发生，防止转子叶片被空化剥蚀，提高槽道侧推器转子叶片的抗空化性能，降低转子叶片空泡引起的辐射噪声以及结构振动噪声。叶片空泡引起的辐射噪声以及结构振动噪声。叶片空泡引起的辐射噪声以及结构振动噪声。