无轴泵喷叶型三元逆向设计及其水动力和空化性能评估

泵喷叶片三维几何参数由参数化三元逆向设计方法完成。该设计方法的核心思想如下：叶片三维几何参数由水动力参数（叶片负载分布和出口环量分布）和几何参数（轴面几何参数、叶截面厚度分布和堆叠角）共同决定。叶片负载分布决定了叶截面压力系数沿弦长方向的分布，进而直接决定了其做功能力和抗空化性能；出口环量分布用于控制叶轮叶片沿跨距方向的做功能力和定子叶片内的二次流动，进而改善前置转子与后置定子间的相互作用流场，提高做功效率。叶片负载（叶片压力面与吸力面之间的压力差）与沿周向平均的环量rVt在轴面流线方向上的导数密切相关，数学模型为

式中，Vm为沿周向平均的轴面速度，等于流量与轴面投影图中直径对应的面积的比值；Vt为沿周向平均的切向速度分量，等于环量rVt值与轴面投影图中半径的比值；环量rVt值由扬程和泵转速决定，rVt=g H/（ηh2πn）；ηh为水力效率，设计时初始值取为0.9；p+、p-分别为叶片压力面与吸力面的静压，两者的差值等于叶片产生的推力；B为叶片数，依据经验给定，转子与定子叶片数通常满足互质关系，如转子叶片9叶、定子叶片11叶；m为量纲一的轴面流线长度，是叶片不同跨距处的几何参数，从叶片进口到出口取值为0～1。轴面几何参数决定了叶片轴向和径向尺寸、定转子叶片进口和出口的轴向位置及纵倾分布、转子叶片叶梢间隙大小及形状；堆叠角决定了无侧斜分布时定转子叶片出口的周向扭曲程度。

依据设计经验，泵喷转子和定子叶片数分别取为9叶和11叶，转子与定子叶片叶梢截面间的轴向距离增加至转子叶片的叶梢轴向长度，以尽量弱化两者之间的流场与声场的相互干扰作用。选取定子叶片前置与后置时，若定子前置，则进水流道、定子、转子和出水流道结构部件中仅有转子产生推力，加上初始设计时流道对潜器阻力的增量还不明确，而且设计需求中明确了泵喷须额外提供潜器裸体阻力1.4倍的推力，对应为低速、重载型泵喷应用，全部由转子叶片承受时将给泵喷的抗空化和降噪设计带来相当大的困难，存在较大的技术风险，因此选择后置定子式泵喷方案更为合理。并且，转子叶片前置有利于集成电机轴向前移，有利于减小潜器的总体配重压力。鉴于泵喷与流道分步设计且螺旋迭代完成，可初始假定流道阻力为零，泵喷导管轴向受力也几乎为零，这样在完成叶型三元设计以及推进和空化性能校核后，就可以将泵喷导管内壁面与流道壁面连接起来，作为整个内置式管道壁面的一部分，并且对泵喷叶栅维持其推进和空化性能的影响最小。

设计得到的无轴泵喷三维几何形状及其叶栅通道全结构化网格离散如图7.6所示，网格节点总数为860万个。导管为肥厚型极小推力导管，有利于无轴电机的布置，集成电机转子环以及气隙几何待后续再添加。泵喷转子与定子叶截面均采用空化性能较优的NACA16翼型厚度分布，叶根与叶梢截面最大厚度由美国海军水面战研究中心所设计的先进轴流式喷泵Ax WJ-2成比例放大后略留有余量得到，以保证泵叶片的静强度。Ax WJ-2泵实尺功率为36 MW，满足设计航速为36 kn的推进需求，模型泵直径为304.8 mm，转速为2 000 r/min，设计点水力效率为0.9，具有可参照性。定常计算得到均匀来流条件下，设计航速为12 kn时流经泵喷叶栅通道的速度流线如图7.7所示。可知泵喷出流几乎为轴向流束，此时出流不均匀度为0.136，转子与定子间的水动力匹配非常好，叶栅通道内几乎无二次流动，能够尽可能保证水力效率，有利于抑制非定常力幅值。

图7.6　潜器无轴泵喷三维几何形状及叶栅通道全结构化网格离散

图7.7　设计航速为12 kn时流经无轴泵喷的速度流线

定常计算得到的设计航速12 kn和巡曳航速6 kn条件下，均匀进流时单个泵喷（不含集成电机）的水动力性能如表7.3所示。可知，在航速为12 kn、转速为320 r/min的工况下，双泵喷总推力为48.6 kN，功率为529.5 kW，推力效率为56.57%，尽管已经初步满足总推力48 kN、功率不超过600 kW、效率不低于50%的设计需求，但推力余量非常小，考虑一定的计算误差后快速性指标有较大的技术风险，因功率还有较大的余量，可进一步将转速增加至330 r/min。转速增加后，双泵喷总推力为52.84 kW，总功率为581.28 kW，效率为56.12%，满足设计指标要求且还留有约3%的功率余量，工作点较为合适。鉴于泵喷装配于潜器尾部内置流道中后，进流影响将使得转子工作点略微左移，相同转速下推力和功率会进一步增加，故模型试验时可在320～330 r/min范围内调整，以确定设计转速，进而满足设计航速要求。工作点不变时，在航速为6 kn、转速为165 r/min的工况下，双泵喷总推力为12.86 kN，功率为71.48 kW，效率为55.53%，导管受力几乎为零，与预期相符，同样满足推进性能要求，表明该泵喷叶栅的航速适应区间范围较广。

表7.3　均匀进流条件下特征航速时单泵喷（不含集成电机）水动力性能

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在设计航速下，泵喷转子出流面和下游定子出口面的轴向速度分布与湍流速度脉动量q=分布如图7.8所示。可知，转子出流面的脉动速度主要集中于梢涡区和导边近桨毂部位，叶栅通道内速度脉动非常小。泵喷出流面主要表现为轴向速度分量，基于流量平均的轴向、径向和周向速度分量分别为10.577 m/s、1.241 m/s和0.623 m/s，轴向速度分量的能量头占比为97.6%，达到了优秀设计的行列，与转子水力效率高于93%对应。从设计经验来看，当嵌入集成电机转子环以及气隙几何时，气隙内逆向流动会使得流量减小3%～5%，将使得转子效率略微下降，但总体上仍可以实现约90%的一流设计效果，可以进一步开展总体装配设计工作。

图7.8　设计航速为12 kn时泵喷转子与定子出流面轴向速度和湍流速度脉动量分布

（a）转子出流面；（b）定子出流面

因潜器侧向进流时伴流系数大小目前未知，为了进一步控制内置式推进方案的技术风险，保持泵喷转速为330 r/min不变，通过依次减小航速来改变进速系数，进而在得出敞水性能曲线点的基础上，判断平均进流速度减小对泵喷推进性能的影响，计算结果如表7.4所示。可知，转速不变时，随着平均进流速度的减小，泵喷功率仅微量增加，与推进泵的功率特性一致，航速与转速解耦；当伴流系数达到0.33时，尽管水力效率仍然高于88%，但推力效率已经减小至45.24%，已经不满足设计指标要求。

表7.4　均匀进流条件下单泵喷（不含集成电机）敞水性能曲线

在上述敞水性能评估的基础上，以设计航速12 kn、转速330 r/min的稳态流场结果为初值，引入改进Sauer空化模型，计算域出口边界条件设置为考虑潜深的压力出口。计算结果可视化后处理时，空化形态以水蒸气项体积分数αv=0.1表征。计算得到的水深15 m时泵喷空化形态如图7.9所示。可知仅有转子叶片吸力面导边近叶梢处产生局部空化，空化面积为3.15×10-3m2，与转子盘面积的比值为4.8%，大于模型尺度螺旋桨空泡筒试验时空化初生1%的常用判断标准，考虑实尺比模型尺度空化初生更早的尺度效应影响，可以初步判定此时泵喷转子处于空化初生的临界状态。当工作水深增加至30 m时，采用同样的方法计算得到空化面积为零，泵喷无空化，即工作潜深达到30 m时泵喷满足全航速范围内无空化的预期设计要求，可以进一步开展系统匹配与噪声评估工作。

图7.9　航速12 kn、转速330 r/min、水深15 m时泵喷的空化形态