轴流式喷水推进泵中大小叶片叶栅的研究

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作为船舶的主要动力装置,轴流式喷水推进器安装环境恶劣,设计要求严苛,传统轴流泵难以胜任。具备更高流量和扬程系数的轴流式喷水推进泵才能在叶轮外径受限时为船舶提供更高的推力和效率。针对上述问题,本文将轴流式压气机的大小叶片技术嫁接于轴流式喷水推进泵中,拟在叶轮外径受限的条件下提升轴流式喷水推进泵的推进性能,尤其是高航速区间。  本文围绕轴流泵内的动叶栅展开研究:基于正交试验设计方法设计合理的大小叶片叶栅结构,提升低攻角时动叶栅的做功能力;对比分析常规叶栅与大小叶片叶栅的水力特性,证实大小叶片叶栅在轴流式喷水推进泵中的优越性和可行性。主要工作及研究内容如下:  1.选择性能优良的NACA4412翼型作为组成叶栅的基本翼型,依据大量参考数据选取合理的数值仿真模型,并验证其可靠性。  2.采用上述仿真模型,初步分析大小叶片叶栅后发现,小叶片在叶栅中的位置决定了小叶片的作用:①抑制大叶片吸力面边界层的分离,降低叶栅的总压损失;②提升叶栅平均液流转折角,增强叶栅整体做功能力。本文立足于小叶片的第二种作用,将大小叶片技术应用于轴流式喷水推进泵中。  3.选取叶栅总压损失系数、叶栅平均液流转折角来评价小叶片弦长、小叶片周向位置、小叶片安放角三个因素与大小叶片叶栅性能之间的相应关系。通过正交试验设计方法,得到影响叶栅平均液流转折角的主次顺序:小叶片安放角、小叶片弦长、小叶片周向位置;影响叶栅总压损失的主次顺序:大小叶片弦长、小叶片周向位置、小叶片安放角。综合分析两指标得到做功能力较优的大小叶片叶栅结构:小叶片与大叶片的弦长比为0.5,小叶片周向位置偏向大叶片的压力面10%,小叶片安放角与大叶片安放角之差为-2°。  4.从理论和数值仿真两个方面,对比分析最佳大小叶片叶栅与常规叶栅的水力特性。结果表明:0°~20°攻角范围内,大小叶片叶栅的平均液流转折角高于常规叶栅,低攻角时增幅为40%,做功能力得到提升。叶栅的做功能力决定了轴流式喷水推进泵的扬程,由此推断采用大小叶片技术的轴流式喷水推进泵在大流量工况下具有更高的扬程,有效地解决喷水推进泵由于叶轮外径受限而在高航速区间内推力不足的问题。  5.在为本文研究而设计的大小叶片叶栅中,小叶片的存在加重了大叶片吸力面的分离;高攻角时大小叶片叶栅压力损失系数的增幅较大,大叶片的做功能力明显下降,整个叶栅的做功依靠小叶片。同时,理论推导可知大小叶片叶栅提高了喷水推进泵的抗空化能力,运行更稳定。  综上所述,将大小叶片叶栅应用于轴流式喷水推进泵是叶轮结构上的一种尝试,为轴流式喷水推进泵叶轮的进一步优化提供具有一定的理论价值和工程意义的参考。
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