![点击分享此内容可以赚币 分享](/master/images/share_but.png)
定子叶片对推进器水动力性能影响分析.pdf
《定子叶片对推进器水动力性能影响分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《定子叶片对推进器水动力性能影响分析.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第45卷第2 3期2023年1 2 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.23Dec.,2023定子叶片对推进器水动力性能影响分析张敏革1 2,韩光哲,武天龙,王新锐,仇景!(1.天津科技大学机械工程学院,天津30 0 2 2 2;2.天津瀚海蓝帆海洋科技有限公司,天津30 0 457)摘要:为探究定子叶片对于推进器性能影响,对不同结构的推进器进行水动力分析。设计配备加速型导流罩的7 叶螺旋桨推进器,通过增加不同定子叶片以及设置对转推进器得到5种推进器。基于计算流体力学(CFD)对推进器的流场进行仿真模拟,考察不同结构推进器的水动力特性变化。结果表
2、明:在研究的转速范围内前置定子最高降低扭矩百分比仅为48.7 1%,后置定子可完美平衡到1 0 0.9 9%的扭矩;前置定子降低推力幅度最大可达36.16%,后置定子提高整体推力最高为3.32%;对转推进器在推力方面远高于泵喷推进器2 4倍,且具有扭矩自平衡的效果,流场稳定性远低于泵喷;后置定子泵喷相比无定子推进器效率提高6.2 4%,且具有更加稳定的尾流场。关键词:定子叶片;扭矩平衡;泵喷推进器;CFD中图分类号:U661.31+3文章编号:1 6 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 3-0 0 31-0 8Influence analysis of stator blade on h
3、ydrodynamic performance of propellerZHANG Minge2,HAN Guang-zhe,WU Tian-long,WANG Xin-rui,QIU Jing(1.School of Mechanical Engineering,Tianjin University of Science Technology,Tianjin 300222,China;2.Tianjin Hanhai LanfanAbstract:In order to explore the influence of stator blades on propeller performan
4、ce,the hydrodynamic analysis ofpropellers with different structures was carried out.A seven-bladed propeller equipped with an accelerating hood is designed.Five kinds of propellers are obtained by adding different stator blades and setting counterrotating thrusters.Based on compu-tational fluid dyna
5、mics(CFD),the hydrodynamic characteristics of propellers with different structures were investigated.Theresults show that the highest torque reduction percentage of the front stator is only 48.71%,and the rear stator can be per-fectly balanced to 100.99%torque in the speed range studied.The thrust r
6、eduction of the front stator is up to 36.16%,and theoverall thrust of the rear stator is up to 3.32%.The thrust of counterrotating thruster is 24 times higher than that of pump-jetthruster,and it has the effect of torque self-balance,and the flow field stability is much lower than that of pump-jet t
7、hruster.Compared with the stator-free propeller,the efficiency of the rear-mounted stator pump jet is 6.24%higher and the wakeflow field is more stable.Key words:stator blade;torque balance;pump jet propeller;CFD0引言泵喷推进器具有高效和低噪等特性,主要应用于军事领域。目前,除了中国、印度之外,美、英、法、俄已将其用于核潜艇推进。美国在1 9 44年提出了通过泵喷射来减少流过叶片的速度
8、以提高螺旋桨的性能。英国在2 0 世纪8 0 年代率先在“特拉法尔加”级核潜艇上安装了泵喷结构。泵喷推进器包括转子结构、导管结构、定子结构。与普通导管推进器相收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 7作者简介:张敏革(1 9 8 0-),女,博士,高级工程师,研究方向为计算流体力学、水下推进器。文献标识码:AMarine Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300457,China)doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.23.006比,具有前置定子的推进器可改善转子进流状态,称为前置定子泵喷;具有后置定子的推进器可回收转子周向尾流所损失的动能,称
9、为后置定子泵喷 2。泵喷推进装置中的导流罩结构可分为加速式和减速式2种,加速式导管增加了流体流速,提高了总体效率;减速式导管延缓空泡的发生,改善噪声特性 3。不同的定子结构对泵喷推进器的水动力性能具有不同影响。韩瑞德等 4最早提出泵喷推进器的设计方32法及准则,利用不同翼型对转子定子进行设计。刘占一等 5用CFD对泵喷水动力性能进行数值仿真,成功预报了泵喷推进器水动力性能。胡雷俊等 6 基于数值模拟对推进器性能进行了研究,设计了对转泵喷结构,其结构是串联并且反向旋转的前后转子。谷浪 7 对鱼雷上的泵喷推进器进行分析,认为采用定子后置式可提高推进性能,同时验证了CFD方法在泵喷推进器水动力性能预
10、报方面的可行性及准确性。彭云龙等 8 对前置与后置定子泵喷的敞水性能及空化特性进行了数值模拟。Haiting等 9 通过数值模拟,分析不同定子参数在泵喷推进器推进性能和非定常力中的作用。Han等 1 0 研究前置定子的预旋作用,结果表明定子的预涡流效应改善了转子的迎面流体,使转子叶片表面波动强度较低。Negin等II对泵喷推进系统的流体动力性能进行了数值研究,结果显示在恒定进速比下随着定子厚度的增加,效率提高。武建国等 1 2 通过改变后置定子结构参数,优化泵喷推进器的效率。本文基于Ka型7 叶螺旋桨及加速性导流罩,设计多种推进器结构,系统分析了增加前置定子、后置定子、前后定子均增加以及对转推
11、进器等5种推进器的推力、扭矩、效率等特性,对比分析各结构部件及推进器整体的推力、扭矩的变化幅值,以及不同推进器尾流场变化,为泵喷推进器的研究、设计和开发提供参考。1推进器结构及尺寸泵喷推进器整体结构包括螺旋桨、前置定子、后置定子以及导流罩。其中,螺旋桨直径D为2 0 0 mm,叶片数Z为7,螺距比P/D为0.7,盘面比A/A为1;定子翼型采取NACA6412,叶数Zr均为9;导流罩采取加速性结构,直径Dh为2 40 mm。结构部件三维视图如图1 所示,2 种定子安装位置如图2 所示。通过固定螺旋桨与导管的相对位置,增加不同结构定子的泵喷推进器以及对转推进器的三维视图如图3所示。其中,对转推进器
12、是由2 个旋转方向相反的螺旋桨构成,后桨直径是前桨的0.9 倍,研究工况下,前桨转速是后桨的0.9 倍。后桨能够充分利用前桨转动产生的能量,将旋转涡流转变为轴向动能,提高推进器效率。2计算模型及模型验证2.1数学模型所有推进器的流场均为圆柱形的单相流水域,螺舰船科学技术(a)导流罩(c)前置定子图1 结构部件三维视图Fig.1 3D view of structural components前置定子(a)前置定子V1转子(b)后置定子图2 两型定子的位置Fig.2Position of two types of stator旋桨转动时流体流动不涉及热量交换,对于三维不可压流体,流体的运动遵循于
13、质量、动量守恒方程,本文使用RANS控制方程,表达式如下:apui=0,8xi第45卷(b)螺旋浆(d)后置定子转子V4后置定子(1)(4)第45卷(a)无定子推进器(c)前置定子泵喷(e)前后定子泵喷图3推进器三维视图Fig.33Dviewofpropeller(pui)(puiui)otxjxiaxilQujpu.uxi式中:t为时间;p为流体密度;u为动力粘度;p为压力;u,和u,为速度分量;pu,u,为雷诺应力;x和为笛卡尔坐标分量;S为动量方程广义源项。为了模拟复杂的流运动,同时保持计算的可靠性和计算精度,采用集合k-和k-模型优点的SSTk-作为研究水动力性能的流模型。能够准确的预
14、测出流体运动的起始和分离,适合处理边界层问题。基于紊流动能传输方程,k-模型引人了紊流脉动频率的传输方程,并对其进行了剪应力修正得到SSTk-0 湍流模型 1 3。OpkOpkuOpkyOpkwot8yokyu+kyz从+张敏革,等:定子叶片对推进器水动力性能影响分析从+oykoy(b)对转推进器式中,k=2.0,。=2.0,=5/9,=0.0 7 5,=0.0 9。端流动能生产项为:QuiPk=uiS2,S=Sii2(xjxi(6)(d)后置定子泵喷2.2物理模型利用Ansys软件对推进器的几何模型进行网格划分,采用多重参考系法(MRF)处理螺旋桨的转动问题。模型中的流域分为2 部分:包含螺
15、旋桨的动域和包含其他结构的静域,所有计算域均为圆柱形结构,转子中心到人口处的距离是3D,距离出口为7 D,静域直径为5D,减弱静域边界对于推进器的影响,所以可将推进器看作在一个无限宽的范围内运行。其流场分布如图4所示。Quixj一k从+xakz+Pk-p*kw,33Opkapwu+ot3D(2)速度入口在边界条件的设定上,推进器朝向静区域的一侧为速度入口,另一侧设置为压力出口,而在静区域的周围以及推进器表面则是没有滑动的刚性壁面,其余各面默认为内部面interior。计算所设置的压力-速度耦合算法采用SIMPLEC,此算法稳定性较好,在计算中可将亚松弛因子适当放大加速计算速度。流域采用非结构网
16、格划分,为提高推进器计算精度,设计加密块区域用来加密推进器。其中,动域网格尺寸与转子表面网格相同,加密块采用尺寸增长函数,增长比例为1.1,外表面最大值为1 0 mm,静域同样采用增长函数,增长比例为1.1,外表面最大尺寸为(3)30mm。在距离推进器较近的地方,尽可能地精细网Opwwykzkpk=一无滑移壁面2.5D静域动域图4流场分布Fig.4The flowfield distributiont+kW+-Pui7D压力入口(5)34格确保计算的准确性,在距离较远的地方设置尺寸更大的网格,以节省计算时间。网格分布如图5所示。(a)轴向截面网格分布(b)推进器表面网格分布图5网格分布图Fig
17、.5Grid distribution diagram2.3标模验证通过对Ka4-70+19A导管浆标模进行CFD仿真计算,验证模拟仿真的准确性。采取SSTk-流模型,螺旋桨导流罩边界层第一层采取0.0 0 5mm,设置速度进口及压力出口,流域边界及推进器表面为无滑移壁面,采用SIMPLEC算法进行压力速度耦合,动量方程采用二阶迎风模式,选用MRF对流场进行处理,设置各变量的收敛残差为1 0-5且监视曲线不再变化时认为收敛,标模三维视图如图6 所示。图6 标准模型Fig.6 The standard module将由Fluent计算所得数据与查找到的标模实验数据对比,判断实验值EXP与仿真值C
18、FD的误差范围是否满足要求,数据结果如表1 所示。由图7 可以看出,通过CFD计算的推力、扭矩系数与通过实验得出结果变化趋势一致,仿真值结果与实验值结果误差仅在3%以内,仿真结果数据可靠。3结果分析与讨论总推力是推进器所有结构共同产生的使潜器前行方向的力。在数据分析时,各部件的推力取值均选取前行方向一致的力,若某部件产生推力为负值,则表舰船科学技术Tab.1Data comparison resultsJKTCFD0.10.47880.20.41350.41400.50.2468 0.24900.500.450.400.350.300.25图7 仿真与实验数据对比图Fig.7 Comparis
19、on of simulation data and experimental data明该部件降低推力。扭矩统一为从推进器后面向推进器前方看去,顺时针转动方向为正,逆时针为负。若两部件产生的扭矩值符号相反,则表明2 种部件在相互平衡扭矩。所有推进器采取统一工况,进口流速为7 kn,转速范围1 0 0 0 2 0 0 0 r/min。有关的计算如下式:(7)10Kgr=100,/(on?D5),(8)KT,=T,/(on?D),(9)KT=T/(on?D4),(10)KT.Jn=Kor2元式中:V为推进器进口的速度;n为螺旋桨转速;T,为螺旋桨推力;Q,为螺旋桨扭矩;T为整个系统的推力;p为流体
20、密度;Kr为转子、导管和定子整个系统的推力系数;Kor为转子扭矩系数;KTr为转子推力系数;J为进速系数;n为推进器效率。3.1推力性能变化图8 为各推进器推力性能变化。可以看出:前置定子一直产生阻力,其阻力大小的绝对值低于螺旋桨及导流罩产生的推力绝对值,但大于后置定子产生推力的绝对值,且随着转速的增加占总推力的比例慢慢第45卷表1 数据对比结果KTEXP10KoCFD10KoEXP0.46800.44120.42290.35490.10.2进速系数/JJ=V/(nD),K T0.4387-2.31%0.42790.12%0.35060.88%KTCFDKTEXP10KOCFD10KOEX0.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 定子 叶片 推进器 动力 性能 影响 分析
![提示](https://www.zixin.com.cn/images/bang_tan.gif)
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。