无轴泵喷模型样机加工与试验测量条件研究成果

考虑到空泡水筒测量段的截面尺寸限制，无轴泵喷模型样机的转子直径缩小至200 mm，对应缩尺比为1∶14，此时，导管外壁面直径为364 mm，几乎达到了最大模型尺度，能够最大限度地兼顾筒壁效应和尺度效应影响。泵喷转子（包括集成电机转子环）和定子均采用铝合金加工，且转子表面做红色阳极化处理，导管采用有机玻璃加工，表面做抛光处理。考虑到转子后置时的装配问题，导管在内壁面开始收缩处轴向断开为前后两段，采用内沉螺钉连接，连接处断面为台阶状，以实现内外流动完全隔离。并且，为避免导管外壁上的内沉螺钉孔出现孔腔流动，干扰泵喷辐射噪声测量，应将其填充后在端部给予周向密封。空泡水筒内装配后的无轴泵喷模型样机如图6.12所示，泵喷定子轴向前置，泵喷转子和集成电机转子环轴向后置。

图6.12　无轴泵喷模型样机试验装配后几何形状

图6.12中的模型样机包含有电机气隙，若按照缩尺比，则如图6.1所示的轴向和径向气隙值均为1.07 mm，但考虑到集成电机转子环的同圆度、转子环周向运动后出现小量偏心以及轴向推力产生后转子部件可能出现的形变影响，将模型样机的气隙值放大至2 mm，略微减小转子的轴向推力，增强试验测量时的安全性。装配后由塞尺周向检测气隙值是否满足限值要求。无轴泵喷导管外壁由辅助剑与池壁外的测力天平连接。模型样机因不包含电机定子，试验时仍采用轴驱动，但前置导流帽和后置毂帽仍要最大程度保留，以尽可能保证泵喷进流的真实性。

模型试验测量在空泡水筒内完成，水筒工作段长2.6 m，横截面呈方形带圆角，尺寸为0.6 m×0.6 m。水筒工作段的压力调节范围为10 Pa～200 k Pa，最高水速可达12 m/s，最低水速空泡数为0.2。泵喷水动力测量采用J25动力仪，水筒内的水速、压力信号和转子部件的推力、力矩和天平信号经放大器放大后送计算机进行A/D转换并处理，转速信号通过频率计同步输入计算机，实时采集系统如图6.13所示。泵喷定子导管静止部件的受力由五分量测力天平测量。

图6.13　空泡水筒测量数据实时采集系统

水筒内的空气含量采用应用范斯莱克（van Slyke）原理的空气含量仪测量，且水动力和空化起始试验期间水的相对空气含量保持为α0/αs约为0.60，其中，α0为空化测量时试验水的含气量；αs为标准大气压下饱和水的含气量，相当于测量淡水的空气含量率为60%。来自日本Akishima研究室的水质量对空化初生及空化噪声的测量结果［30］表明：螺旋桨敞水性能与含气量无关；当空气含量率达到70%时，海水与测量淡水中的螺旋桨梢涡空化初生几乎一致，如图6.14所示。该机构进一步给出的螺旋桨在海水和含气量为40%的淡水中的空化形态比较如图6.15所示，可知，片空化和梢涡空化共存下的两者空化形态基本相同，但海水中的片空化范围略大，且梢涡空化向下游螺旋延展的轨迹更长、更稳定。通过增加淡水中含气量，可以近似再现海水中的螺旋桨空化初生形态。

图6.14　含气量对螺旋桨空化初生的影响(www.xing528.com)

图6.15　海水和淡水中螺旋桨典型空化初生形态比较

（a）海水；（b）含气量40%淡水

艇尾伴流由网格丝后伴流模拟，如图6.16所示。铜丝网格构建后，由十四根毕托管组成梳状毕托耙，测量桨盘面给定半径处不同角度位置的轴向流速，并与输入伴流进行比较。经过多次测量对比和修改，重构伴流场轴向速度分量与输入伴流的比较如图6.17所示。其中，正上方12点钟方位为初始角度0°，角度延展方向与转子叶片旋转方向相同。可见，从桨毂至导管外壁面所对应的径向区间内，网格丝伴流均能很好地再现艇尾输入伴流，能够满足测量要求。后续条件允许时将直接采用假尾构型测量。

图6.16　艇尾伴流网格丝模型

图6.17　网格丝伴流分布与艇尾伴流比较