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原文传递无轴轮缘推进器设计及运行特性研究

论文题名：	无轴轮缘推进器设计及运行特性研究
关键词：	潜艇设备;无轴轮缘推进器;水力设计;双压片结构;运行特性
摘要：	随着潜艇推进技术的快速发展，无轴轮缘推进器作为潜艇推进的新型动力设备成为了研究热点，但在其设计方法和性能特点的研究方面仍有很多不足。为了探索无导叶无轮毂式轮缘推进器的性能特点，进一步丰富和发展无轴轮缘推进器的设计方法，本文采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法对无轴轮缘推进器的水力与结构设计方法、外特性、压力脉动、振动及流体噪声特性进行了深入研究。主要工作和创造性成果有：　　1、将环流理论应用于无导叶无轮毂式无轴轮缘推进器的水力设计，提出适应于无轮毂式叶片的环量分布形式，即沿径向距离0.5＜x＜1.0范围，叶片环量基本恒定，当径向距离x≤0.5后，逐渐降低。进一步地，探讨并确定了无轴轮缘推进器典型参数的设计计算方法，包括轮毂比、叶片数、叶片弦长、叶片厚度等。通过模拟研究发现：无轴轮缘推进器叶轮内的流态均匀，叶片尾迹较短，表明采用该规律设计出的叶片整流效果好，叶轮内流动的稳定性强。试验研究结果表明：在各个流量工况下推进器的运行状态稳定，特别在小流量工况下流体噪声较低、振动较小。　　2、基于双压片结构，采用湿定子电机型式并辅助双通道冷却循环流道，实现一种新型的无轴轮缘推进器的结构设计，主要内容有：在推进器进出口开设圆形进出水孔，联通叶轮流道和电机内部，冷却水通过进出水孔、电磁间隙及叶轮流道形成冷却循环，另外轴承两端径向间隙与电磁间隙、叶轮流道形成另一冷却循环；为了减弱推进器电机和轴承循环冷却水对叶轮进口流动的影响，并强化电机的散热效果，采用长转子结构设计增加冷却水流动沿程。对无轴轮缘推进器进行连续运转试验，试验结果表明：在设计工况下连续运转试验2小时后，电机内部温升13.9℃，其后基本无温升，证明本文提出的新型冷却结构能够满足电机的散热需求，并保证电机的稳定运行。　　3、采用试验方法研究无轴轮缘推进器的压力脉动、振动及流体噪声特性。试验结果发现：（1）在距离叶轮出口1倍管径处，压力脉动在低频段的主频为1APF（Axial Passing Frequency），伴随有2APF的离散频率；（2）1APF和2APF压力脉动频率诱导产生1APF和2APF的流动噪声，其中在设计工况下1APF和2APF的声压级分别为111.6dB和116.6dB；（3）推进器进口轴向和径向振动频谱为0~100Hz的宽频振动，出口轴向振动在低频段的主频为1APF，出口径向振动在低频段的主频为2APF，次主频为1APF，随着流量的降低，出口轴向和径向振动的主频幅值均呈现出先增高后降低的趋势。　　4、研究了无轴轮缘推进器的外特性、压力脉动、振动及流体噪声随空化发展的演变规律。结果发现：（1）推进器在大流量工况下更容易发生空化，但小流量工况下空化发展的速度更快；（2）随着空化的发生和发展，出口压力脉动的主频频率逐渐降低，但主频的脉动强度增加；（3）空化初生阶段，推进器振动强度有增加的趋势，空化充分发展后推进器的振动强度有所降低；（4）随着空化的发生和发展，增加了流体噪声的低线谱噪声的成分，会降低潜艇推进器的隐身性能。　　5、在无轴轮缘推进器的结构设计中辅助叶片可拆卸及叶片安放角可调的结构设计，研究叶片安放角对推进器运行特征的影响规律，结果表明：（1）无轴轮缘推进器在大叶片安放角下具有更高的推进效率，且随着叶片安放角的增加，最高效率对应的航速也越来越大；可调叶片安放角设计有助于拓宽推进器的运行工况范围和高效区区间；（2）减小叶片安放角有助于降低1APF和2APF的压力脉动强度；（3）减小叶片安放角可以降低推进器的振动及流体的低线谱噪声。　　6、采用数值模拟方法研究无轴轮缘推进器在不同航速和叶片安放角下的内部流动特征，并探索推进器内部空化发展规律。研究结果表明：（1）在叶片工作面轮缘附近压力最小，流道内流速最高，最先发生空化，且空化的形态呈现出片状空化的特征；（2）随着空化的发展，空化区域沿弦长向进口边扩散，同时空化区域的径向尺度也不断增大；（3）增加叶片安放角会提前空化发生并加速空化发展，导致推进器的推力系数和推进效率下降速度加快。
作者：	朱智朋
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	刘厚林
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022