專利名稱：超空化汽液多相噴水推進器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)大功率、高功率密度的噴水推進裝置，屬于水面航行器的噴水推進技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
噴水推進是實現(xiàn)水面和水下航行器航行的推進方式之一，與螺旋槳不同的是它不是利用推進器直接產(chǎn)生推力，而是利用推進泵噴出水流的反作用力推動船舶前進。噴水推進具有推進效率高、抗空泡能力強、附體阻力小、操縱性好、傳動軸系簡單、保護性能好、運行噪聲低、變工況范圍廣和利于環(huán)保等常規(guī)螺旋槳不及的優(yōu)點。
隨著航行速度的提高和航行器噴水量的增加，噴水推進器的功率也越來越大，因此其幾何尺寸也越來越大。由于航行器的空間有限，如何在提高功率的同時減小推進器的體積，即提高推進器的功率密度一直是噴水推進器研究的關鍵問題之一。提高轉(zhuǎn)速是提高推進器功率的途徑之一，然而由于當葉輪內(nèi)的相對速度過高時，將在葉輪產(chǎn)生空化現(xiàn)象，而使得其推進功率急劇下降，因此，在很長的一段時間內(nèi)，噴水推進器里的空化現(xiàn)象一直是人們力圖避免的。然而，從上個世紀八九十年代以來，空化在生物醫(yī)學[1]、環(huán)境保護[2]、先進制造和材料加工[3]等方面均體現(xiàn)出了其特殊的優(yōu)越性。即使在傳統(tǒng)的水力機械領域，由于高速水力機械發(fā)展的突出需要，人們對它也重新產(chǎn)生了濃厚的研究興趣。“超空化現(xiàn)象”就是所關注的焦點之一。
相對水翼而言，超空化是一種充分發(fā)展了的空化形態(tài)，空泡已覆蓋整個水翼吸力面，并從物體表面延伸到尾部后面區(qū)域。Brennen認為在較低空化數(shù)下，空化區(qū)在水翼尾緣下游閉合，即形成超空化[4]。
對超空化現(xiàn)象的比較系統(tǒng)的研究，最早是在二十世紀四十年代，由前蘇聯(lián)科學家V.L.Posdunine及其同事進行的，主要集中在實驗觀察方面，并意識到超空化水翼和傳統(tǒng)水翼的巨大差異。其中，超空化水翼是一種易于超空化產(chǎn)生的特殊的水翼。A.J.Acosta的實驗描述了其繞流帶副翼平板尾跡中的空化渦[4]，M.P.Tulin則總結(jié)了超空化水翼的翼型，建立了超空化的理論基礎[6]，提出了一種Hydronautics超空化水翼，其與一般水翼有著明顯不同的結(jié)構(gòu)特征。另外，Tulin(1953)還提出了二維超空化流動的細長體線性理論，Tachmindji和Morgan[6](1958)，Tulin[7](1964)，Cox[8](1968)，Barr[9](1970)，Yim[10](1976)年又分別對超空化葉片的設計方法進行了改進和研究。到1980年，Tulin和Hsu[7]又提出了非線性流動理論，克服了線性理論應用于局部空化水翼時的缺陷性。此外，美國的Venning.E.[11](1962)還提出了一個結(jié)合二因次超空泡翼型和升力線理論的超空泡螺旋槳的理論設計方法。日本的Ukon對于超空泡螺旋槳的設計方法進行了系列研究[12]，所設計出的螺旋槳在當時部分地滿足了人們對于高效率(效率也僅在50％～60％左右，所謂“高”是相對于普通螺旋槳發(fā)生汽蝕時的效率而言的)和高推力的要求，同時又能很好的避免空蝕。
參考文獻1.Claus-Dieter Ohl，Manish Arora，Drug delivery following shock waveinduced cavitation，F(xiàn)ifth international symposium oncavitation(cav2003)，Osaka，Japan，Cav03-OS-2-1-001，20032.K.M.Akihiko kakegawa，Takafumi kawamura，An experimental study onoxidation of organic compounds by cavitating water-jet，F(xiàn)ifthinternational symposium on cavitation(cav2003)，Osaka，Japan，Cav03-OS-2-2-002，20033.Ivan K.Manko，et al，Use hydrodynamic cavitation for increase ofefficiency of process of well drilling，F(xiàn)ifth international symposiumon cavitation(cav2003)，Osaka，Japan，Cav03-OS-2-2-002，20034.C.E.Brennen，Cavitation and bubble dynamics，Oxford universitypress，New York，chapter 7，8，19955.M.P.Tulin，The history and principles of operation of supercavitatingpropellers，VKI/RTO Special CourseSupercavitating flows，Von Karmaninstitute for fluid dynamics，Santa Barbara，20016.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，pp489-532，19587.M.P.Tulin，Supercavitationan overview，VKI/RTO Special Coursesupercavitating Flows，Von Karman institute for fluid dynamics，SantaBarbara，U.S.A.，20018.Cox G.，Supercavitating propeller theory-the derivations ofinduced velocity，The 7th symposium on naval hydrodynamics，Rome，19689.Barr R.A.，Supercavitating and superventilatedpropellers，Transactions of SNAME，78417-450，1970
10.Yim B.，Optimum propellers with cavity-drag and frictional drageffects，Journal of ship resources，20，197611.Venning E.，Haberman W.L.，Supercavtating propeller performance，Transact ions，SNAME，354-417，196212.Ukon Y，Kudo T，Kurobe Y，Hoshino T，Design and evaluation of newsupercavitating propellers[A]，The Second International SymposiumonCavitation[C]，395-402，1994發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種軸流式超空化汽液推進器，是一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)汽液兩相推進的噴水推進裝置。該裝置由吸水室、超空化葉輪、葉輪室、動能轉(zhuǎn)換器和軸系組成。本發(fā)明旨在解決在空化條件下實現(xiàn)大功率推進的問題，以擴展噴水推進的應用范圍。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下超空化葉輪采用了按Tulin超空化水翼設計的葉片，能保證葉輪在設計工況產(chǎn)生超空化現(xiàn)象，使得葉輪在空化和超空化條件下還可以正常工作。葉輪后部的汽液兩相通過動能轉(zhuǎn)換器，從推進器的噴口噴出，推力由推進器進出口的動量變化形成。動能轉(zhuǎn)換器的作用是引導葉輪出口的汽液兩相流動，但和一般的導流器和擴壓器不同的是，動能轉(zhuǎn)換器將葉輪出口的汽液兩相流動旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器出口的軸向流動的動能，汽液兩相流的壓力沒有增加。
針對上述問題，本發(fā)明提出了一種軸流式超空化噴水推進器。這種推進器和普通的噴水推進器具有相同的結(jié)構(gòu)形式，其不同點在于一、其轉(zhuǎn)子的設計采用了TULIN提出的超空化水翼，這種水翼在低空化數(shù)，即空化條件特別是超空化條件下，具有比普通的水翼在相同的條件下高的多的升阻比，因此可以期待采用這種超空化水翼設計的葉輪，在超空化條件下運轉(zhuǎn)時，其效率指標可以接近普通葉輪的最高效率。二、動能轉(zhuǎn)換器。提出了一種動能導流器的裝置。不同于現(xiàn)有的水泵采用的擴壓裝置，動能導流器的作用是將葉輪出口的旋轉(zhuǎn)速度的動能轉(zhuǎn)換為軸向速度的動能，即將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)化為軸向速度，因此和擴壓器的擴散流道不同動能轉(zhuǎn)換器的流道是收縮的。采用動能轉(zhuǎn)換器代替現(xiàn)有推進器中的擴壓器，解決了兩個問題一是保證了從葉輪出口到推進器出口水流的壓能不增加，從而保證空化形成的汽液兩相介質(zhì)中的汽相不再轉(zhuǎn)化為液相，在噴水推進器的出口形成高速汽液兩相噴流，增加出口的動量；二是解決了推進器首先通過擴壓器將出口動能轉(zhuǎn)換為液流的壓能，然后再通過噴嘴將壓能轉(zhuǎn)換為動能，形成出口動量的辦法，而是將旋轉(zhuǎn)速度的動能直接轉(zhuǎn)換為軸面速度的動能。


圖1軸流式超空化汽液多相噴水推進器示意2超空化葉輪示意3動能轉(zhuǎn)換器示意圖具體實施方式
和一般的噴水推進器相同，超空化汽液多相噴水推進器通過電動機帶動泵級的葉輪旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫鞯臋C械能，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由吸水室1、超空化葉輪2、導流部件3、軸系4以及葉輪室5組成。
圖2為超空化葉輪結(jié)構(gòu)圖，主要部件為軸1，Tulin超空化葉片2，超空化葉輪輪轂3和葉輪室殼體4。圖3為動能轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖，主要部件為轉(zhuǎn)換器殼體1，軸2和轉(zhuǎn)換器葉片3。
液流在葉輪的旋轉(zhuǎn)作用下經(jīng)吸水室進入超空化葉輪。水體經(jīng)過葉輪時由于速度很高產(chǎn)生空化現(xiàn)象，但由于超空化葉輪采用了TULIN超空化水翼的特殊設計，能夠保證經(jīng)過葉輪的液流在設計點產(chǎn)生超空化，并且在超空化條件下仍能正常工作。超空化葉輪產(chǎn)生的汽液兩相旋轉(zhuǎn)液流由葉輪的出口進入動能轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的設計滿足Vm22+Vu222g=Vm322g+hl]]>這里Vm是軸面速度，Vu是圓周速度，hl是流動損失。下標2表示葉輪出口，下標3表示轉(zhuǎn)換器出口。上式表示如果不考慮損失，在轉(zhuǎn)換器中，水流的動能不變，因此壓能不增加。轉(zhuǎn)換器的收縮斷面和導葉片的設計要互相配合，以滿足上式所表達的原理，其中在中間斷面上，圓周速度的減小和軸面速度的增加是相關的，逐漸變化的。
與一般噴水推進器不同，水體經(jīng)過葉輪時發(fā)生空化現(xiàn)象，葉輪出口處的流動是汽液兩相流動。由于特殊設計的導流裝置，汽液兩相介質(zhì)的動能將不轉(zhuǎn)換為壓能，而是僅僅將旋轉(zhuǎn)流轉(zhuǎn)變?yōu)榧冚S向流，總動能基本不發(fā)生變化。同時，因為壓強沒有增加，空化發(fā)生以后，流態(tài)保持為汽液兩相流，兩相流體從噴口高速噴出，流體在推進器出口由于軸向動量的劇烈變化產(chǎn)生反推力，航行器得以高速前進。
權(quán)利要求
1.一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)汽液兩相推進的噴水推進裝置。該裝置由吸水室、超空化葉輪、葉輪室、動能轉(zhuǎn)換器和軸系組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)汽液兩相推進的噴水推進裝置，其特征在于超空化葉輪采用了按Tulin超空化水翼設計的葉片。這種葉片具有兩個特點a.能保證葉輪在設計工況產(chǎn)生超空化現(xiàn)象；b.在低空化數(shù)，即空化條件特別是超空化條件下，具有比普通的水翼在相同條件下高得多的升阻比，因此在超空化條件下運轉(zhuǎn)時，其效率指標可以接近普通葉輪的最高效率，使得葉輪在空化和超空化條件下均可以正常工作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)汽液兩相推進的噴水推進裝置，其特征在于推力由動能轉(zhuǎn)換器進出口的動量變化形成。動能轉(zhuǎn)換器有兩個作用a.引導葉輪出口的汽液兩相流動，使葉輪出口的汽液兩相流動旋轉(zhuǎn)動能直接轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器出口的軸向流動的動能，打破了傳統(tǒng)推進器首先通過擴壓器將出口動能轉(zhuǎn)換為液流的壓能，然后再通過噴嘴將壓能轉(zhuǎn)換為動能，形成出口動量的辦法；b.由于采用了獨特的收縮流道設計，汽液兩相流的壓能沒有變化，保證了從葉輪出口到轉(zhuǎn)換器出口水流的壓能不增加，從而保持空化形成的汽液兩相介質(zhì)中的汽相不再轉(zhuǎn)化為液相，在噴水推進器的出口形成高速汽液兩相噴流，增加出口的動量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)汽液兩相推進的噴水推進裝置，其特征在于超空化葉輪和動能轉(zhuǎn)換器的組合設計使推進器可以在空化條件下正常工作，從而可通過提高轉(zhuǎn)速的方法有效地提高功率，同時不必增大推進器的體積，實現(xiàn)了空化條件下的大功率、高功率密度的噴水推進。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用超空化現(xiàn)象實現(xiàn)汽液兩相推進的一種噴水推進裝置。該裝置由吸水室、超空化葉輪、葉輪室、動能轉(zhuǎn)換器和軸系組成。超空化葉輪采用了Tulin超空化水翼設計的葉片，能保證葉輪在設計工況產(chǎn)生超空化現(xiàn)象，使得葉輪在空化和超空化條件下均可以正常工作。葉輪后部的汽液兩相通過動能轉(zhuǎn)換器，從推進器的噴口噴出，推進器進出口的動量變化形成推力。動能轉(zhuǎn)換器的作用引導葉輪出口的汽液兩相流動，但和一般的導流器和擴壓器不同的是，動能轉(zhuǎn)換器將葉輪出口的汽液兩相旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器出口的軸向流動的動能，汽液兩相流的壓力沒有增加。本發(fā)明解決了在空化條件下實現(xiàn)大功率推進的問題，擴展了噴水推進的應用范圍。
文檔編號B63H11/02GK1911729SQ20061012792
公開日2007年2月14日 申請日期2006年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者王國玉, 余志毅, 郝勇, 李向賓 申請人:北京理工大學