无轴泵喷模型样机对象与设计输入

如《泵喷推进器低噪声设计机理与设计应用》中所述，无轴泵喷应用于某水下常规潜器主推时，推力需求与功率限额保持与机械式泵喷一致，即轴向推力不低于300 kN，功率消耗不高于4 MW。所采用的轴面投影几何形状如图6.1所示，导管截面为肥厚型导管，适于柱形永磁电机布置。转子轮毂和转子轮缘形成轴流式截面通道，定子轮缘与转子轮缘直径相同，定子轮毂与转子轮毂的曲率光滑过渡。收缩型导管内壁面前段与定子轮缘的曲率光滑过渡，收缩型导管内壁面后段与转子轮缘的曲率光滑过渡；导管径向厚度大于电机定子、电机转子和电机气隙三者径向厚度之和。为了控制因定子叶片尾流与转子叶片导边的相互作用而辐射的噪声，前置定子和转子叶片的轴面投影几何形状在轴向方向的间隔距离与转子直径的比值大于10%。

图6.1　主推无轴泵喷轴面投影几何形状

定子和转子叶片的三维叶型均由参数化三元逆向设计方法完成，定子叶片随边采用递增型环量分布（强迫型涡量分布），转子叶片导边采用二次方环量分布（抛物线型涡量分布）；母型无轴泵喷定子和转子叶片的叶根以及叶梢截面均采用中载型负载分布，且最大负载转折点位于量纲一的轴面距离0.2处；定子叶片叶根截面导边处采用小的正攻角，转子叶片叶梢截面随边处采用小的负攻角，可有效提升效率和抑制空泡产生。定子和转子叶片截面均采用NACA16翼型厚度分布，定子叶片数取为13叶，转子叶片数取为9叶。

在母型泵喷设计时，量化分析了转子叶片“大侧斜”设计要素（大侧斜程度和侧斜方向）对泵喷水动力性能的影响，包括100%后侧斜、50%后侧斜、无侧斜、50%前侧斜和100%前侧斜五种方案。设计航速为16 kn、额定转速为160 r/min且泵喷进流为典型十字翼艇尾伴流时，母型泵喷三维几何形状及其叶栅截面通道的速度流线如图6.2所示，典型方案的水动力性能参数如表6.1所示。可知，在满足推力需求和功率限额的条件下，转子叶片侧斜对泵喷水动力性能的影响程度较小，转子叶片水动力效率的变化幅度控制在1%以内，与后侧斜程度对螺旋桨正车水动力性能几乎无影响的结论一致；导管受力与泵喷总推力的比值约为3%，为极小推力导管，与预期设计输入一致。

图6.2　母型无轴泵喷几何形状及其纵仲剖面速度流线

表6.1　设计航速和额定转速下无轴泵喷水动力性能参数(www.xing528.com)

在无空化水动力性能数值预报的基础上，嵌入改进Sauer空化模型，预报得到的在艇尾伴流条件下、水深为30 m时母型无轴泵喷（100%后侧斜方案和100%前侧方案）的片空化形态如图6.3所示。可知，当大后侧斜时，无轴泵喷片空化初生位于转子吸力面导边近叶梢部位；当大前侧斜时，无轴泵喷片空化初生下移至转子吸力面导边中部。两种方案的片空化面积与转子盘面积的比值分别为0.12%和0.26%，若按照1%的可视空化初生判定标准，则水深为30 m时两种设计方案的空化初生临界航速均为设计航速16 kn且100%后侧斜方案的空化初生性能略优。

图6.3　水深为30 m、设计航速时母型无轴泵喷空化形态

（a）100%后侧斜转子叶片；（b）100%前侧斜转子叶片

从水动力和抗空化性能来讲，若数值预报精度足够可信，则上述相对较优的100%后侧斜母型设计方案已经满足设计指标要求，可以转入下一阶段的模型试验考核环节。但是，从工程设计安全裕度的角度来讲，一方面无轴泵喷（含电机气隙）水力效率86%并未达到叶型设计极限，另一方面临界航速达到设计指标16 kn时几乎没有安全余量，给设计考核本身引入了一定的技术风险，还须进一步进行抗空化改进优化设计，以增强工程实用性。