泵喷水动力性能和空化性能的测量结果分析

无轴泵喷模型样机水动力性能试验测量采用等转速、变来流速度以改变进速系数的方式进行，转速为18 r/s。测量时，直接读取转子部件（含集成电机转子环）的推力系数KTP和力矩系数KQ，同时由天平测量得到静止部件（导管+前置定子+剑）的总轴向力TD，修正减去剑阻力F后即得到无轴泵喷定子导管部件的受力，即TD修正=TD-F。无轴泵喷总推力为转子部件推力减去定子导管部件受力，即T=TP-TD修正。当TD修正为负数时，定子导管部件产生推力，反之则产生阻力。

测量得到均匀进流条件下无轴泵喷模型样机的敞水性能曲线如图6.19所示。设计进速系数J=1.08时敞水效率为0.55，定子导管部件整体表现为阻力。进一步测量得到艇尾伴流条件下无轴泵喷模型样机的水动力性能曲线如图6.20所示。可知，定子导管部件整体由阻力改变为推力，导管成为极小推力导管，与设计相符。当进速系数大于1.25时，水动力效率即高于设计指标0.82，最高甚至达到0.87，高于设计指标5%，超额达到效率考核指标。

图6.19　均匀进流条件下无轴泵喷模型样机的敞水性能曲线

图6.20　艇尾伴流条件下无轴泵喷模型样机的水动力性能曲线

无轴泵喷空化测量时，由经验丰富的实验员以可视空化初生判断为主，同时辅助以声学监测。在所有叶片中，选择一叶能代表全部叶片空泡特征的叶片作为观察对象。先确定叶片开始产生各类空泡的不同空间位置，再进行空泡斗的观察和测量。进行空泡斗界限曲线测量时，保持转子转速不变，nm=20.00 r/s，通过改变水速或水筒压力产生不同类型的空泡起始，并记录起始和消失时的试验数据，以KT～σn的形式给出空泡斗测量数据。泵喷梢部空化初生时，辐射噪声频谱曲线表现为间歇性整体跃升趋势。空化起始观察内容包括叶背空化、叶面空化、梢涡空化、泡空化和导管空化起始。

空泡水筒内注满水后无轴泵喷初始形态以及水深30 m、设计航速16 kn时无轴泵喷的空化形态如图6.21所示，目测和声学测量同时表明无轴泵喷无任何空化产生，实现了水深30 m时全航速范围内无空化产生的抗空化性能考核指标。

图6.21　水深30 m、设计航速16 kn时无轴泵喷模型样机空化形态

进一步通过降压测量得到均匀进流条件下无轴泵喷模型样机的叶背梢部空化初生、转子毂涡空化初生、叶背片空化发展以及充分发展的空化形态如图6.22所示。可知，可视梢涡空化初生起始于转子叶背导边近叶梢局部，在集成电机转子环的限制作用下，片空化向内径向方向发展。空化数值模拟得到的转子梢部空化初生形态与测量值吻合良好。即使是充分发展了的片空化，也集中于叶背靠近导边的弦长区域，不会显著影响转子推力。在此基础上，进一步改变进速系数所对应的转子推力载荷，由可视梢部空化初生即可得到无轴泵喷的空化斗曲线。采用同样方法测量得到艇尾伴流条件下无轴泵喷模型样机的叶背片空化发展、叶背片空化进一步发展以及充分发展的空化形态如图6.23所示。可知，伴流条件下，无轴泵喷可视梢涡空化初生部位与均匀进流条件下相比并未发生改变，随着压力降低，片空化发展趋势也与匀流条件下相当，表明该无轴泵喷在前置定子的预旋流作用下，空化性能受艇尾翼型伴流的影响作用并不明显。这也是艇尾泵喷设计时降噪考虑因素之一，与预期效果相符。(www.xing528.com)

图6.22　均匀进流条件下无轴泵喷模型样机典型空化形态

（a）转子叶背可视梢部空化初生；（b）泵喷毂涡空化初生；（c）转子叶背片空化发展；（d）转子叶背片空化充分发展

图6.23　艇尾伴流条件下无轴泵喷模型样机典型空化形态

（a）艇尾无轴泵喷空化测量；（b）艇尾泵喷转子叶背片空化发展；（c）艇尾泵喷转子叶背片空化充分发展；（d）转子叶背片空化进一步发展

测量得到均匀进流和艇尾伴流条件下无轴泵喷空化斗曲线如图6.24所示，图中同时给出了水深30 m、设计航速16 kn时的转速空化数。可知，设计点明显远离空化初生曲线。无论是均匀进流还是艇尾伴流，无轴泵喷空化初生曲线近似为一条直线。在设计推力系数工况下，随着空化程度不断发展，即使是从梢涡空化初生到片空化充分发展，泵喷转子推力系数也几乎不变，表现出了优异的推力崩溃性能。仅此一点性能，就可以证明泵喷在驱护舰中高航速上应用的可行性。在水深30 m、设计进速系数工况下，通过逐渐增加泵喷转速可以推算出空化初生临界航速指标。当暂不考虑空化初生尺度效应影响时，外推无轴泵喷空化初生临界航速为19.65 kn，与设计指标“水深50 m、空化初生临界航速不低于14 kn”相比，空化初生性能高于考核指标约40%。即使考虑化初生的尺度效应影响，在水深30 m时无轴泵喷的临界航速依然高于18 kn，超额完成了空化考核指标。

图6.24　艇尾伴流条件下无轴泵喷模型样机典型空化形态

（a）均匀进流；（b）艇尾伴流