本發(fā)明屬于水下航行體推進器領域，更具體地，涉及一種用于泵噴推進器降噪增效的直形側斜定子及設計方法。

背景技術：

1、泵噴推進器是一種由導管、轉子、定子組合而成的水下推進器，具有推遲空泡發(fā)生、降低水下航行體輻射噪聲、提高推進效率等優(yōu)勢，如今已經(jīng)廣泛應用于各類水下航行體上，大到彈道導彈核潛艇，小到無人uuv。泵噴推進器一般安裝在航行體的尾部，在它之前通常布置有艉舵及其他附體。當航行體在水下航行時，流體流經(jīng)艉舵以及其他附體后，會在艇體艉部形成了復雜的非均勻尾流場。艇艉流場在泵噴推進器轉子盤面上周向分布的不均勻性會引起轉子表面壓力的周期性變化，從而產(chǎn)生低頻線譜噪聲，而艇體艉部流場的湍流脈動會引起轉子表面壓力的不規(guī)則脈動，從而產(chǎn)生低頻寬帶噪聲。除了輻射噪聲外，轉子在艇體艉部非均勻流場工作時，它產(chǎn)生的非定常軸承力會通過軸承作用到艇體上，從而引起艇體結構的振動產(chǎn)生振動噪聲。無論是低頻線譜噪聲、低頻寬帶噪聲還是轉子軸承力引起的艇體結構振動噪聲都與轉子盤面處流場的不均勻性密切相關，所以通過優(yōu)化定子結構來改善轉子盤面處流場是一種直接有效的降低潛艇噪聲的途徑。

2、作為泵噴推進器的重要組件之一的定子，在前置定子的泵噴推進器中，定子葉片的剖面形式一般為非對稱剖面，并與軸線形成一定的幾何攻角，可以起到提供預選流、改善流場均勻性的作用。但其一般為不帶側斜的結構形式，僅通過調整葉剖面形狀及與幾何攻角來改善進流的作用效果十分有限。使得在轉子進流面上，各半徑的伴流峰值對應的相位角基本趨于一致，導致轉子葉片旋轉工作時形成較大的軸承力，雖然通過加大轉子葉片的側斜可以降低轉子的軸承力，但由于強度問題的限制，轉子的側斜角不能太大，導致轉子旋轉工作時形成的軸承力仍然較大。

3、考慮到大側斜螺旋槳減振降噪的基本原因是，大側斜螺旋槳各半徑處的剖面在空間上存在較大的相位差，而潛艇尾流在各半徑的伴流峰值對應的相位角基本趨于一致，螺旋槳在工作時，各半徑剖面的空間相位分布與各半徑處伴流峰值的空間相位分布存在較大差異，我們將這種相位分布的差異稱之兩者之間的正交性(或失陪性)，這種正交性會使各半徑剖面進入伴流峰值區(qū)域的對應時刻存在一定的時間差，即槳葉各剖面進入伴流峰值區(qū)域在時間上存在異步性。由于大側斜螺旋槳各半徑剖面進入伴流峰值區(qū)域在時間上存在異步性，各半徑剖面的負荷不能同時達到最大值，也不能同時達到最小值，從而可以降低槳葉在旋轉過程中整體負荷的最大值，并且增大槳葉整體負荷的最小值，使得螺旋槳槳葉在旋轉過程中負荷波動的幅值較小。螺旋槳側斜值越大，各半徑剖面與各半徑處伴流峰值在相位上的失配性就越大，各半徑剖面進入伴流峰值區(qū)域在時間上的異步性也隨之增強，整個槳葉負荷隨時間的波動幅值就會越小。為此在不加大轉子側斜情況下，通過改變轉子進流入手，直接調整轉子盤面各半徑伴流峰值的相位分布來增加與螺旋槳剖面相位分布的失配性，從而減小螺旋槳激振力。

4、在泵噴推進器中改變轉子的進流，最有效及最簡單的方式就是改變泵噴推進器的前置定子的幾何形狀，在定子葉根處設置較大的幾何攻角和拱度，在葉梢處設置較小的幾何攻角和拱度，以此來擴大轉子盤面各半徑伴流峰值的相位的差異，從而增加與螺旋槳剖面相位分布的正性交。為了增加轉子盤面各半徑處伴流峰值的空間相位分布與轉子各半徑剖面空間相位分布的正交性，通常采取增大定子小半徑剖面的幾何攻角和拱度來實現(xiàn)，但較大的攻角和拱度會導致定子本身的阻力和扭矩較大，繼而導致泵噴推進器整體效率降低，推進器扭矩不平衡度較大。而直形側斜定子是通過調整各半徑處葉剖面的側斜角，在較小定子攻角和拱度分布的前提下，實現(xiàn)增加轉子盤面各半徑處伴流峰值的空間相位分布與轉子各半徑剖面空間相位分布的正交性的目的，不僅可以大幅降低泵噴推進器轉子的激振力和低頻線譜噪聲。

5、另外在不考慮轉子的作用時，流體經(jīng)過泵噴推進器導管內的定子葉片后，會產(chǎn)生一定程度的與轉子轉向相反的預旋，使定子尾流中各半徑處流場存在一定的周向速度分量。由于轉子工作時葉片是旋轉的狀態(tài)，轉子會使尾流產(chǎn)生軸向誘導速度和周向誘導速度，尾流中軸向誘導速度和周向誘導速度形成的動能是損失能量。而轉子進流中的反向預旋流，在一定程度上抵消了誘導速度的周向速度分量，使轉子尾流中的周向速度分量減小，有利于降低轉子尾流中周向速度引起的動能損失，提高泵噴推進器的推進效率。而直形側斜定子則能使這種反向預旋效果更加凸出，在定子扭矩不變的前提下，定子的幾何攻角和拱度比常規(guī)定子小，定子的阻力降低，進而可以進一步提高泵噴推進器的推進效率。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種用于降低泵噴推進器激振力和噪聲，減小泵噴推進器尾流中周向誘導速度引起的動能損失，提高螺旋槳推進效率的直形側斜定子，并提供其優(yōu)化設計方法以及相應的推進器。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提出了一種用于泵噴推進器降噪增效的直形側斜定子的設計方法，包括以下步驟：

3、s100構建艇體-舵-泵噴推進器計算模型；

4、s200對安裝常規(guī)直定子的泵噴推進器置于水下航行器后進行自航試驗模擬，得到泵噴推進器推進效率和非定常力幅值；

5、s300在常規(guī)直定子的基礎上，根據(jù)轉子側斜角θ°在不同半徑處的分布情況，通過調整常規(guī)直定子中基準定子(12點鐘方向的1號定子)的側斜角θ，側斜方向與轉子側斜方向相反，保持定子不同半徑的剖面中心處于一條直線上，該直線與“z”軸形成夾角β，得到泵噴推進器直形側斜定子的初始方案，并對安裝有直形側斜定子的泵噴推進器置于水下航行器后進行自航試驗模擬，分析直形側斜定子對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響

6、s400根據(jù)泵噴推進器推進效率、非定常力，依次調整β角的大小、定子葉片距轉子盤面的軸向距離、定子葉片不同半徑處剖面的幾何攻角α、定子葉剖面弦向分布形式，并根據(jù)泵噴推進器推進效率的增量和非定常力幅值的減小量，以輸出最優(yōu)的β角的大小、定子葉片距轉子盤面的軸向距離、定子葉片不同半徑處剖面的幾何攻角α、定子葉剖面弦向分布形式。

7、作為進一步優(yōu)選的，步驟s300中，從艉向艏方向，以12點鐘的角度位置為0°，逆時針方向為側斜角的正方向，即3點鐘對應的角度位置為-90°，9點鐘的對應的角度位置為90°，轉子葉片在根部剖面處的側斜角較小，隨著半徑增大，側斜角先朝著順時針方向增加，至中間某一半徑處，側斜角達到負的最大值，然后，隨著半徑增大，側斜角朝著逆時針方向逐漸增加，至葉梢剖面處，側斜角達到正的最大值。

8、作為進一步優(yōu)選的，步驟300還包括：基于cfd方法分別對安裝有直形側斜定子的泵噴推進器置于水下航行器后進行自航試驗模擬，監(jiān)測推進器在自航點時推進器各部件的推力及扭矩，并據(jù)此得到相應推進器的推進效率η0和非定常力幅值

9、作為進一步優(yōu)選的，所述斜角θ呈非線性函數(shù)分布。

10、作為進一步優(yōu)選的，步驟s400包括以下步驟：

11、s401以步驟s300的直形側斜定子為基礎，分析β角的大小對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響，并根據(jù)泵噴推進器推進效率的增量和非定常力幅值的減小量輸出最合適的β角作為優(yōu)化結果；

12、s402根據(jù)上述最合適的β角，調整定子葉片距轉子盤面的軸向距離，得到定子葉片距轉子盤面的軸向距離對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響規(guī)律，并根據(jù)該影響規(guī)律選取最合適的軸向間距；

13、s403根據(jù)最合適的軸向間距，調整定子葉片不同半徑處剖面的幾何攻角α，得到徑向上幾何攻角α分布形式對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響規(guī)律，并根據(jù)該影響規(guī)律選取最合適的幾何攻角α；

14、s404根據(jù)最合適的幾何攻角α，改變定子葉剖面弦向分布形式，得到葉剖面弦向分布形式對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響規(guī)律，并根據(jù)該影響規(guī)律選取最合適的葉剖面弦向分布形式。

15、作為進一步優(yōu)選的，步驟s401中，通過分析導管內定子尾緣至轉子盤面間流場的分布特性，從而調整β角的大小，來增加定子與轉子間流場在各半徑處伴流峰值周向相位分布特性與轉子葉片各半徑處剖面相位分布特性的正交性，分析β角的大小對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響，得到β角對泵噴推進器推進效率、非定常力的影響規(guī)律，考慮泵噴推進器推進效率的增量和非定常力幅值的減小量選取最合適的β角作為優(yōu)化結果。

16、作為進一步優(yōu)選的，所述推進效率包括：

17、

18、式中，n為螺旋槳轉速，q為轉子的扭矩，r0為拖航阻力，vs為航行速度，f為泵噴-艇體合力。

19、按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種用于泵噴推進器降噪增效的直形側斜定子，采用如上所述的任一實施例或者多個實施例組合的設計方法實現(xiàn)。

20、作為進一步優(yōu)選的，包括側斜角和β角，其中，

21、所述側斜角包括：從艉向艏方向，以12點鐘的角度位置為0°，逆時針方向為側斜角的正方向，即3點鐘對應的角度位置為-90°，9點鐘的對應的角度位置為90°，轉子葉片在根部剖面處的側斜角較小，隨著半徑增大，側斜角先朝著順時針方向增加，至中間某一半徑處，側斜角達到負的最大值，然后，隨著半徑增大，側斜角朝著逆時針方向逐漸增加，至葉梢剖面處，側斜角達到正的最大值；

22、在常規(guī)直定子的基礎上，根據(jù)轉子側斜角θ°在不同半徑處的分布情況，通過調整常規(guī)直定子中基準定子，即12點鐘方向的1號定子的側斜角θ，側斜方向與轉子側斜方向相反，保持定子不同半徑的剖面中心處于一條直線上，該直線與“z”軸形成夾角β。

23、按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種推進器，該推進器上設有采用如上所述的任一實施例或者多個實施例組合的設計方法實現(xiàn)的直形側斜定子，以及與該直形側斜定子相匹配的轉子。

24、總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，主要具備以下的技術優(yōu)點：

25、1.本發(fā)明通過直形側斜定子，使得定子尾緣后流場中，不同半徑處高伴流區(qū)的相位不一致，且從內半徑到外半徑，高伴流區(qū)相位角的變化趨勢與轉子側斜角的變化趨勢相反，各半徑處伴流峰值相位角的分布形式與轉子側斜角的分布形式呈現(xiàn)較大的正交性，從而實現(xiàn)僅僅通過定子葉片側斜的變化以達到降低潛艇推進器的軸承力、水動力噪聲和結構振動噪聲的目的。

26、2.本發(fā)明方法，改變轉子盤面處流場的空間分布，相當于增大螺旋槳的側斜角，使定子尾緣后的轉子盤面進流中各半徑處高伴流區(qū)的相位角發(fā)生有利改變，降低轉子結構振動噪聲和流動噪聲；同時來流與轉子葉片形成的攻角增大，相對旋轉速度增大，轉子葉片負荷變大，克服旋轉所形成的不平衡扭矩所做的功越大，因此原本流過轉子工作區(qū)域的預旋流因為周向能量的占比增大，能夠更好地被轉子吸收利用，來流在被轉子吸收后，周向誘導速度相應地減小，使得轉子葉片吸力面壓力變小，壓力面壓力變大，兩側的壓力差增加，螺旋槳的推力與扭矩相應地增大，使來流中原本損失掉的周向能量被重新利用起來，從而降低航行器自航時泵噴推進器轉子所需的轉速，減小主機功耗，提高泵噴推進器推進效率，實現(xiàn)航行器推進高效化。