專利名稱：超空化汽液多相噴水推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超空化現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)大功率、高功率密度的噴水推進(jìn)裝置，屬于水面航行器的噴水推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
噴水推進(jìn)是實(shí)現(xiàn)水面和水下航行器航行的推進(jìn)方式之一，與螺旋槳不同的是它不是利用推進(jìn)器直接產(chǎn)生推力，而是利用推進(jìn)泵噴出水流的反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)。噴水推進(jìn)具有推進(jìn)效率高、抗空泡能力強(qiáng)、附體阻力小、操縱性好、傳動(dòng)軸系簡單、保護(hù)性能好、運(yùn)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(diǎn)。
隨著航行速度的提高和航行器噴水量的增加，噴水推進(jìn)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(shí)減小推進(jìn)器的體積，即提高推進(jìn)器的功率密度一直是噴水推進(jìn)器研究的關(guān)鍵問題之一。提高轉(zhuǎn)速是提高推進(jìn)器功率的途徑之一，然而由于當(dāng)葉輪內(nèi)的相對速度過高時(shí)，將在葉輪產(chǎn)生空化現(xiàn)象，而使得其推進(jìn)功率急劇下降，因此，在很長的一段時(shí)間內(nèi)，噴水推進(jìn)器里的空化現(xiàn)象一直是人們力圖避免的。然而，從上個(gè)世紀(jì)八九十年代以來，空化在生物醫(yī)學(xué)[1]、環(huán)境保護(hù)[2]、先進(jìn)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(jī)械領(lǐng)域，由于高速水力機(jī)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?！俺栈F(xiàn)象”就是所關(guān)注的焦點(diǎn)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(gè)水翼吸力面，并從物體表面延伸到尾部后面區(qū)域。Brennen認(rèn)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(jì)四十年代，由前蘇聯(lián)科學(xué)家V.L.Posdunine及其同事進(jìn)行的，主要集中在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(chǔ)[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(dòng)的細(xì)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(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)和研究。到1980年，Tulin和Hsu[7]又提出了非線性流動(dòng)理論，克服了線性理論應(yīng)用于局部空化水翼時(shí)的缺陷性。此外，美國的Venning.E.[11](1962)還提出了一個(gè)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(shè)計(jì)方法。日本的Ukon對于超空泡螺旋槳的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系列研究[12]，所設(shè)計(jì)出的螺旋槳在當(dāng)時(shí)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(shí)的效率而言的)和高推力的要求，同時(shí)又能很好的避免空蝕。
參考文獻(xiàn)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(jìn)器，是一種利用超空化現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)汽液兩相推進(jìn)的噴水推進(jìn)裝置。該裝置由吸水室、超空化葉輪、葉輪室、動(dòng)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(shí)現(xiàn)大功率推進(jìn)的問題，以擴(kuò)展噴水推進(jìn)的應(yīng)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(shè)計(jì)的葉片，能保證葉輪在設(shè)計(jì)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(dòng)能轉(zhuǎn)換器，從推進(jìn)器的噴口噴出，推力由推進(jìn)器進(jìn)出口的動(dòng)量變化形成。動(dòng)能轉(zhuǎn)換器的作用是引導(dǎo)葉輪出口的汽液兩相流動(dòng)，但和一般的導(dǎo)流器和擴(kuò)壓器不同的是，動(dòng)能轉(zhuǎn)換器將葉輪出口的汽液兩相流動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器出口的軸向流動(dòng)的動(dòng)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(jìn)器。這種推進(jìn)器和普通的噴水推進(jìn)器具有相同的結(jié)構(gòu)形式，其不同點(diǎn)在于一、其轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的葉輪，在超空化條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其效率指標(biāo)可以接近普通葉輪的最高效率。二、動(dòng)能轉(zhuǎn)換器。提出了一種動(dòng)能導(dǎo)流器的裝置。不同于現(xiàn)有的水泵采用的擴(kuò)壓裝置，動(dòng)能導(dǎo)流器的作用是將葉輪出口的旋轉(zhuǎn)速度的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為軸向速度的動(dòng)能，即將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)化為軸向速度，因此和擴(kuò)壓器的擴(kuò)散流道不同動(dòng)能轉(zhuǎn)換器的流道是收縮的。采用動(dòng)能轉(zhuǎn)換器代替現(xiàn)有推進(jìn)器中的擴(kuò)壓器，解決了兩個(gè)問題一是保證了從葉輪出口到推進(jìn)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(jìn)器的出口形成高速汽液兩相噴流，增加出口的動(dòng)量；二是解決了推進(jìn)器首先通過擴(kuò)壓器將出口動(dòng)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(dòng)能，形成出口動(dòng)量的辦法，而是將旋轉(zhuǎn)速度的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換為軸面速度的動(dòng)能。


圖1軸流式超空化汽液多相噴水推進(jìn)器示意2超空化葉輪示意3動(dòng)能轉(zhuǎn)換器示意圖具體實(shí)施方式
和一般的噴水推進(jìn)器相同，超空化汽液多相噴水推進(jìn)器通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)泵級的葉輪旋轉(zhuǎn)，將轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐毫鞯臋C(jī)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(dǎo)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(dòng)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(jìn)入超空化葉輪。水體經(jīng)過葉輪時(shí)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(shè)計(jì)，能夠保證經(jīng)過葉輪的液流在設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jìn)入動(dòng)能轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)滿足Vm22+Vu222g=Vm322g+hl]]>這里Vm是軸面速度，Vu是圓周速度，hl是流動(dòng)損失。下標(biāo)2表示葉輪出口，下標(biāo)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(dòng)能不變，因此壓能不增加。轉(zhuǎn)換器的收縮斷面和導(dǎo)葉片的設(shè)計(jì)要互相配合，以滿足上式所表達(dá)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(guān)的，逐漸變化的。
與一般噴水推進(jìn)器不同，水體經(jīng)過葉輪時(shí)發(fā)生空化現(xiàn)象，葉輪出口處的流動(dòng)是汽液兩相流動(dòng)。由于特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置，汽液兩相介質(zhì)的動(dòng)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(dòng)能基本不發(fā)生變化。同時(shí)，因?yàn)閴簭?qiáng)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(jìn)器出口由于軸向動(dòng)量的劇烈變化產(chǎn)生反推力，航行器得以高速前進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種利用超空化現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)汽液兩相推進(jìn)的噴水推進(jìn)裝置。該裝置由吸水室、超空化葉輪、葉輪室、動(dòng)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(shí)現(xiàn)汽液兩相推進(jìn)的噴水推進(jìn)裝置，其特征在于超空化葉輪采用了按Tulin超空化水翼設(shè)計(jì)的葉片。這種葉片具有兩個(gè)特點(diǎn)a.能保證葉輪在設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其效率指標(biāo)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(shí)現(xiàn)汽液兩相推進(jìn)的噴水推進(jìn)裝置，其特征在于推力由動(dòng)能轉(zhuǎn)換器進(jìn)出口的動(dòng)量變化形成。動(dòng)能轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)作用a.引導(dǎo)葉輪出口的汽液兩相流動(dòng)，使葉輪出口的汽液兩相流動(dòng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)能直接轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器出口的軸向流動(dòng)的動(dòng)能，打破了傳統(tǒng)推進(jìn)器首先通過擴(kuò)壓器將出口動(dòng)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(dòng)能，形成出口動(dòng)量的辦法；b.由于采用了獨(dú)特的收縮流道設(shè)計(jì)，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(jìn)器的出口形成高速汽液兩相噴流，增加出口的動(dòng)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(shí)現(xiàn)汽液兩相推進(jìn)的噴水推進(jìn)裝置，其特征在于超空化葉輪和動(dòng)能轉(zhuǎn)換器的組合設(shè)計(jì)使推進(jìn)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(shí)不必增大推進(jìn)器的體積，實(shí)現(xiàn)了空化條件下的大功率、高功率密度的噴水推進(jìn)。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用超空化現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)汽液兩相推進(jìn)的一種噴水推進(jìn)裝置。該裝置由吸水室、超空化葉輪、葉輪室、動(dòng)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(shè)計(jì)的葉片，能保證葉輪在設(shè)計(jì)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(dòng)能轉(zhuǎn)換器，從推進(jìn)器的噴口噴出，推進(jìn)器進(jìn)出口的動(dòng)量變化形成推力。動(dòng)能轉(zhuǎn)換器的作用引導(dǎo)葉輪出口的汽液兩相流動(dòng)，但和一般的導(dǎo)流器和擴(kuò)壓器不同的是，動(dòng)能轉(zhuǎn)換器將葉輪出口的汽液兩相旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器出口的軸向流動(dòng)的動(dòng)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(shí)現(xiàn)大功率推進(jìn)的問題，擴(kuò)展了噴水推進(jìn)的應(yīng)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(xué)