一种全导管式双级吊舱推进器及其设计方法与流程

本申请是申请号为201911115022.1、发明名称为“一种带c形导叶的全导管式双级吊舱推进器”的发明专利的分案申请。

本发明涉及船舶推进技术领域，具体地说，涉及一种全导管式双级吊舱推进器及其设计方法。

背景技术：

传统船舶推进系统主要包括发动机、减速齿轮箱、传动轴系和推进器，其存在传动轴系长、传动机构较为复杂、振动与噪声控制难度大等问题，而制约着高速、安静型船舶的发展。而电力技术的发展给推进器的高效低振动优化设计带来了新的思路。电力推进概念中，推进器可直接由电机驱动，动力传递路径短、不存在繁冗的机械传动结构，可大幅降低推进系统噪声。其中，吊舱推进器是一种最具代表性的电力推进装置，其将推进与操纵模块集成在船体外的吊舱中，安装位置相对灵活，可以显著提升船舶的机动性、操纵性。另外，吊舱推进器能够在水平面上自由旋转，可以解决中大型船舶普遍存在推进器响应时间长、转弯半径大、狭窄水域操纵性差等问题。

申请人在研究吊舱推进器的过程中，发现其在机动性和操纵性上与传统推进器相比确实有一定的优势，但存在能量密度仍然较低的问题。为了提高能量密度，可以参照串列桨的形式，即采用一台电机同时驱动两个或更多螺旋桨同向旋转来提高能量密度。但是，申请人在研究该串列桨结构的推进器的过程中，发现其串列桨中最后一个桨的出口残余较大的环向速度，从而带走原本期望能转换为推进动力的能量，且该部分环向速度还会产生倾覆力矩，不利于船体的稳定性。为了解决该技术问题，常用解决技术方案为在桨叶下游侧布置导叶，以对环向速度所携带的能量进行回收，但存在结构较为复杂、导叶扭曲度较大等问题，而不利于该推进器的推广应用。

另外，目前的吊舱推进器以敞水螺旋桨和导管桨为主，且普遍采用了低转速大直径，以通过牺牲推进器的结构紧凑型和机动性，而确保振动和噪声性能等综合性能；为了解决该技术问题，发展出了全导管式吊舱推进器，即将电机也包裹进导管中，这样导管起到了隔声罩的作用，与前述电机直接裸露在水中的推进器相比，在隔振和降噪方面也就有了更多的操作空间。但是这会造成导管长度过长，增加了导管设计、制造和导管内包含结构的布置难度。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种全导管式双级吊舱推进器的设计方法，以是设计出的推进器不仅能实现对环向旋转能量进行回收，提高了推进器的能量密度，且能整体的简化结构，使推进器结构更加紧凑；

本发明的另一目的是提供一种以上述方法所设计出的推进器。

为了实现上述主要目的，本发明提供的设计方法包括以下步骤:

模型构建步骤，依据初步构建出的模型，输入设计参数，构建模型有限元计算的边界条件；模型包括导管及包裹于导管内的前叶轮、后叶轮、c形导叶、导叶轮毂与叶轮驱动电机；在导管的轴向上，c形导叶位于两叶轮之间；在导管的径向上，c形导叶固设在导叶轮毂与导管之间，且导叶腹部相对导叶两端部均朝前叶轮的旋转方向拱起；

初始计算步骤，基于模型所获取的水力模型，使用cfd方法对初始模型进行数值模拟计算；

优化计算步骤，以cfd方法评估优化后的叶轮与导叶，进行多次迭代，且在每次迭代后检查推进器出口的环向速度是否有残余，获取前叶轮、后叶轮及导叶的角度参数。

基于上述方法设计得到的推进器，是其通过设置腹部相对两端部均朝前叶轮旋转方向拱起的c形导叶，从而在前倾斜段部对前叶轮所产生的环向正速度进行偏转而实现对环向转动能量进行回收，而提高推进速度，而在后倾斜段部产生环向负速度，以与后叶轮所产生的环向正速度相抵消，达到降低导管出口水流的环向速度，从而可利用一个在轴向上布设在两叶轮之间的c形导叶对前后两叶轮在旋转过程中所转换形成的环向旋转能量进行回收，可实现水流沿推进器的轴向流入、轴向流出，提高推进器的整体能耗功效；同时，相比于惯用手段中将导叶安装在后叶轮的尾侧，位于两叶轮之间的c形导叶的进口与出口处的水流环向速度均较小，能有效地减小导叶尺寸及其扭曲程度，而降低对导叶的结构强度要求，更易加工。此外，c形导叶布设在前后两叶轮之间，从而至少可利用这些导叶充当叶轮驱动电机与导管之间的部分固连支架，而简化整体结构。而且，由于布置在两叶轮之间的c形导叶大致位于导管的中部区域处，水流流过其产生的转矩能有效地平衡两叶轮在旋转过程中所产生的力矩，实现了推进器转矩的自平衡，避免推进器对船体产生倾覆力矩。

具体的方案为在设计参数输入时，后叶轮的推力为前叶轮的1.1倍至1.2倍。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求导叶的叶片数大于后叶轮的叶片数，后叶轮的叶片数大于前叶轮的叶片数，且导叶、前叶轮及后叶轮三者的叶片数互质，前叶轮与后叶轮的叶片数之和不等于导叶的叶片数。

优选的方案为在设计叶轮的过程中，将叶轮沿着径向均匀分为5个截面，从估算的结果中提取出每个截面上叶轮进、出口的轴向速度vm和环向速度vc，再结合叶轮线速度vu计算出相应的叶片的进、出口角度

优选的方案为叶轮叶片的设计步骤包括：(1)从进口角到出口角光滑过渡，在中心线的基础上对称加厚得到每个截面的翼型，加厚规律参照naca系列翼型；(2)从中心线30％位置处将5个截面的翼型串连，通过扫掠而获取完整的叶片。

优选的方案为导叶的设计步骤包括：(1)从进口角到出口角光滑过渡，在中心线的基础上对称加厚得到每个截面的翼型，并在前后缘倒圆；导叶的最大拱度位于中心线50％处；(2)从中心线50％位置处将5个截面的翼型串连，通过扫掠而获取完整的导叶。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：叶轮驱动电机的转子轴通过密封构件而可转动且水密地伸出导叶轮毂外；前叶轮与后叶轮各位于导叶轮毂的一端侧地套装在转子轴的端部上。进一步简化结构，且能更好地驱使前后两级叶轮的同向等速转动。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：导叶构成用于将导叶轮毂支承在导管内的固连支架。以导叶充当固连支架，从而进一步简化整体结构。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：导管外固设有用于固定安装导管的安装支架；在导叶轮毂、一片导叶、导管及安装支架上均布设有且依序对接串通的导孔，构成用于供叶轮驱动电机的线缆穿过的线缆孔。有效地降低线缆裸露在流场中所带来的流阻及能量损失。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：叶轮驱动电机的定子与转子均水密地套装在导叶轮毂内，用于驱使前叶轮与后叶轮同向转动。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：相邻两块导叶的侧叶面与导管的内管壁面部及导叶轮毂的外周面部围成仅有位于叶轮侧旁的水流进出端口的c形流道。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：导叶的同一叶面的两端缘线在第一横截面上的投影间存有为锐角的偏置夹角，第一横截面的法向沿叶轮的转轴的轴向布置，且进口端缘线相对出口端缘线朝旋转方向偏置；从而可以使导叶出口的环向速度略大于导叶入口，使前后量级叶轮的能量配比最佳。

优选的方案为在构建模型的步骤中，要求：偏置夹角的范围为2度至4度，可以产生最佳环向速度分布，同时不增加导叶的能量损失。

优选的方案为在优化计算步骤，获取的前叶轮、后叶轮及c形导叶在叶轮的转轴的径向上等间距截面的进口角与出口角的角度变化如下表所示：

其中，β的下标1表示进口角，2表示出口角。

为了实现上述另一目的，本发明提供的全导管式双级吊舱推进器由上述任一技术方案所描述的设计方法设计得到。

附图说明

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明实施例的结构图；

图3为本发明实施例的轴向剖视图；

图4为图3中的a局部放大图；

图5为本发明实施例中的前叶轮、导叶轮毂、叶轮驱动电机、c形导叶与后叶轮的立体图；

图6为本发明实施例中导叶轮毂与c形导叶的立体图；

图7为本发明实施例中导叶轮毂与c形导叶的前端侧视图；

图8为图7中的b局部放大图；

图9为图7中的c局部放大图；

图10为本发明施例中导叶在径向截面上结构示意图；

图11为本发明施例中导叶在径向截面上局部结构放大图；

图12为本发明实施例的敞水性能曲线；

图13为本发明实施例推进器进口、推进器出口、导叶入口及导叶出口处的环向速度分布图；

图14为本发明实施例中设计方法的流程图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图11，本发明全导管式双级吊舱推进器1包括连接盘10、翼型支架11、导管2、前叶轮10、后叶轮11、叶轮驱动电机3、导叶轮毂12及固设在导管2与导叶轮毂12之间的c形导叶4，其中，前叶轮10、后叶轮11、叶轮驱动电机3、导叶轮毂12与c形导叶4均包裹于导管2内，以能达到更好地减振降噪的效果。其中，连接盘10用于将整个全导管式双级吊舱推进器1安装在船体或舰体上。

如图2所示，从进水口指向出水口的方向，导管2在尾部处呈现缩口结构，优选为整体呈现渐缩状。为了便于制造与安装，将导管2分成前段部21、中段部22及尾端部23，具体为中段部22能完全套装导叶轮毂12为准进行划分，三段部之间优选采用焊接方式进行固连。

叶轮驱动电机3包括密封套壳30、转子轴33、定子31及转子32；其中，定子31与转子32均套装在密封套壳30内，转子轴33套装转子32的内孔内并与之固连，且其两端通过推力轴承34与径向轴承38而可转动地支撑在密封套壳30内，并与密封套壳30之间具有两道机械密封结构35、36，且转子轴33与导叶轮毂12的端部之设有第三道机械密封结构37，从而通过两道机械密封结构而使定子31与转子32均水密地套装在密封套壳30内，及通过三道机械密封结构而将定子31与转子32水密地套装在导叶轮毂12内，即在本实施例中，转子轴33通过密封构件而可转动且水密地伸出导叶轮毂12外。对于密封构件的具体结构，并不局限于本实施例中的机械密封，还可采用填料密封等其他密封结构进行构建。对于转子轴33的两端部上的支承轴承结构与密封结构相同，均采用径向轴承与推力轴承进行支撑，及采用三道密封构件进行密封，且大致呈对称布置，有效地防止水进入电机内部而引起损坏。

在本实施例中，导叶轮毂12为圆筒体结构，前叶轮10套装在转子轴33伸出导叶轮毂12的前端部上且通过前导流锥391进行固定压紧，后叶轮11套装在转子轴33伸出导叶轮毂12的后端部上且通过后导流锥392进行固定压紧，即在本实施例中，前叶轮10与后叶轮11各位于导叶轮毂12的一端侧地套装在转子轴33的端部上。

多片c形导叶4固设在导叶轮毂12与导管2间，具体地，c形导叶4的外侧面与导管2的内壁面水密地固连，而内侧面与导叶轮毂12的外周面水密地固连，具体可采用焊接固连、以一体成型的方式制成或以螺栓的方式进行固连，即在本实施例中，相邻两块导叶4的侧叶面与导管2的内管壁面部及导叶轮毂12的外周面部围成仅有位于叶轮侧旁的水流进出端口的c形流道。

如图5至图11，导叶4的导叶腹部40相对其前端部41与后端部42均朝前叶轮10的图中虚线箭头所示的旋转方向拱起，从而构成一c形结构；在本实施例中，导叶4的中性面为光滑连续曲面，且在长度中间位置的腹部40处达到最大拱度，并以该中性面为基础在厚度方向上朝两侧等厚布置。

为了减少导管2内的其他部件所形成的流阻及导管内流场的干扰，在本实施例中，以导叶4作为导叶轮毂12与导管2间的固连支架，从而将导叶轮毂12、叶轮驱动电机3、前叶轮10、后叶轮11、前导流锥391及后导流锥392支承在导管2内。

为了减少叶轮驱动电机3的线缆构成流阻及对流场的干扰，在连接盘10、翼型支架11、与该翼型支架11相对接位置处的导叶4、导叶轮毂12及密封套壳30上设置依序对接串通的导孔100、110、44、120及300，构成用于供叶轮驱动电机3的线缆穿过的线缆孔，为了提高结构强度及便于设置导孔，设有导孔44的导叶4厚度要大于其他导叶的厚度。

对于导叶4的具体结构，根据实际工作环境要求，采用有限元仿真的方法进行数值模拟计算，如图14所示，具体设计过程包括模型构建步骤s1、初始计算步骤s2及优化设计步骤s3，具体如下：

模型构建步骤s1，依据初步构建出的如图1至图7所示的模型，并输入设计参数，构建模型有限元计算的边界条件。

考虑到数值模拟与实验条件的限制，本发明双级吊舱推进器1水力部件的设计和优化在1:10的缩比模型上完成，并对模型推进器赋予边界条件为，设计来流速度为4.33m/s，设计推力大于300n，推进效率大于60％。

缩比模型的导管尺寸参数为：入口直径din＝228毫米，出口直径dout＝182毫米，导管长度l＝240毫米。

根据导管尺寸完成电机选型，电机外径70mm，工作转速为950±50rpm。

估算出达到推力要求时，推进器的轴向和环向速度分布情况，作为叶轮和导叶的设计输入参数。为了提高推进器的抗空化性能，后叶轮的推力为前叶轮的1.1-1.2倍；并将叶片数的设置为前叶轮4片、后叶轮5片及导叶7片，以满足导叶4的叶片数大于后叶轮11的叶片数，叶轮11的叶片数大于前叶轮10的叶片数，且三者叶片数互质，且前后叶轮叶片数之和不等于导叶片数。

在设计叶轮的过程中，将叶轮沿着径向均匀分为5个截面，从估算的结果中提取出每个截面上叶轮进、出口的轴向速度vm和环向速度vc，再结合叶轮线速度vu计算出相应的叶片的进、出口角度

叶轮叶片在任一截面上的中心线生成方法是，从进口角到出口角光滑过渡，在中心线的基础上对称加厚得到每个截面的翼型，加厚规律参照naca系列翼型。从中心线30％位置处将5个截面的翼型串连，通过扫掠的方法即可得到完整的叶片。

导叶4的设计方法与前述叶轮的设计思路相似，不同的是：(1)导叶4的中心线在从进口角到出口角光滑过渡的同时，最大拱度位于中心线50％处；(2)导叶4在中心线的基础上采用对称加厚的方式，并在前、后缘倒圆；(3)导叶4的串连位置也在中心线的50％处。

初始计算步骤s2，据以上几个步骤可以得到一个初步的水力模型，使用cfd方法对初始模型进行数值模拟计算。

在该步骤中，数值模拟计算的目的在于：(1)判断导管能否满足推力和航速要求；(2)获得推力达到要求时的推进器的流量q和扬程h，并根据比转速ns在电机的转速范围内选择最佳的叶轮转速；(3)获得准确的速度场和压力场，替代估计的速度分布作为后续优化的输入参数。

根据比转速确定该模型推进器的最佳转速为n＝970rpm。

优化计算步骤s3，借助cfd方法评估优化后的叶轮和导叶，进行多次迭代后，得到叶轮的角度参数如下表1所示，其中，span0-1表示5个截面，β1,f中下标1表示进口角、2表示出口角，f表示前叶轮，b表示后叶轮，s表示导叶。

每一次迭代都要检查推进器出口的环向速度是否有残余。受设计方法的限制，很难保证出口的环向速度完全为零，根据设计的要求只要保证出口的环向动能/轴向动能小于一定比值即可，如5％。

表1叶轮和导叶的角度参数

其中，对于导叶的进口与出口的约定如图11所示，其中，β1表示进口，β2表示出口。

通过数值模拟得到该模型的推进性能如图12所示，其中，横轴j表示进速系数，纵轴kt表示推力系数、kq表示转矩系数，η0表示推进效率。设计航速和转速对应的进速系数为j＝1.3，从图中可以看出此时推进效率为η0＝62％，达到了设计要求。另外，此时的推力系数kt＝0.72对应推力320n，转矩系数10kq＝2.41对应转矩21.3n*m。

其中，t表示推力，m表示转矩。

此外，从数值模拟结果中提取出前叶轮推力181n、后叶轮推力209n，后叶轮推力为前叶轮的1.15倍。另外，前叶轮转矩9.9n*m、后叶轮转矩11.4n*m、导叶转矩-21.1n*m，残余转矩为动部件转矩的1％，可以认为推进器转矩平衡。

如图13所示为从模拟结果中提取推进器出口的环向速度，可以看出推进器出口的环向速度几乎为零，说明导叶起到了回收环向速度的作用，同时提高了推进效率。

在初始构建出的模型中，导叶两端部边缘线第一横截面上的投影重复，如图8及图9所示，该第一横截面的法向沿转子轴33的轴向布置，即沿图8及图9所示的纸面方向布置的横截面，经多次迭代之后，导叶4的同一叶面的前端部41与后端部42的缘线在第一横截面上的投影间存有为锐角的偏置夹角α，且进口端缘线相对出口端缘线朝图中箭头所示的旋转方向偏置α，其中，α大于2度而小于4度。

依据仿真之后的模型数据，设计出实际产品，经测试，与相同导管尺寸的单级吊舱推进器相比，在同转速下双级推进器的推力是单级推进器的2倍(航速4.33m/s，转速970rpm情况下)；在同推力的情况下，双级推进器的转速仅需要单级的0.7倍(航速3.32m/s，推力330n)，从而提高了推进器的能量密度。

基于上述结构的改进，本推进器在工作过程中，能达到以下效果：

(1)利用单一叶轮驱动电机3同轴地驱动两个叶轮与c形导叶4以翻转环量的方式进行工作，从而有效地提升了推进器能量密度的同时，还可以有效地保证效率。

(2)c形导叶4在完成水力上的作用的同时还兼做了电机的支承，避免了在流道内增加冗余的支承结构。

(3)利用了轴流式推进器轮毂12比大的特点将电机置于该导叶轮毂12内，使双级吊舱推进器成为一个独立的模块，只需外部提供电力和控制信号即可运作，极大的降低了安装和使用难度。

(4)c形导叶4也利用了由于内置电机而形成的轴向空间，提高了导管2内的空间利用率。

(5)整个推进器的水力结构和机械结构环环相扣、相得益彰。与传统的串列桨不同的是，本发明中前、后两级叶轮并不相同，他们都是以当地流场作为设计输入进行针对性设计的，能量利用率更高。

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