一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施

1.本发明涉及一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，属于船舶工程、水利工程技术领域。


背景技术：

2.喷水推进泵装置是一种利用水流反作用力推动船舶前进的动力装置。因为其具有效率高、振动噪声小、抗空化能力强等特点，而广泛应用于海军舰艇以及民用船舶。但是由于其较短的叶轮以及复杂的流场导致喷水推进泵装置在运行过程中极易产生漩涡，这些漩涡主要分布在叶轮间隙处以及泵装置导水锥锥尖区域。其中毂涡是喷水推进泵装置尾涡结构的重要组成部分，也是尾涡能量较为集中的区域。毂涡的发展以及演化会引起喷水推进泵装置能量损失、产生流致噪声等危害，进而对喷水推进装置运行效率以及船舶安全稳定航行带来不良影响。
3.为了有效抑制泵装置毂涡的产生，提高泵装置推进效率，并保证船舶安静稳定运行。众多学者对泵装置消涡措施展开了相关研究以及发明，目前已有相关专利设计相关措施。授权发明专利ep3150482a1公开了一种用于抑制桨毂涡流的复合式螺旋桨帽结构。该复合式螺旋桨帽结构耦合到收缩型螺旋桨帽末端来减少螺旋桨后产生的毂涡空泡，并且能够通过在螺旋桨帽的收缩段或收缩段与扩散段之间附加的导翼来额外减少毂涡空泡。授权发明专利kr2020200002451u公开了一种船舶螺旋桨后毂涡控制器。本发明旨在减少船舶螺旋桨毂中发生的漩涡。该结构可用于控制毂涡，改善泵内空化、噪声、振动等问题，并回收因毂涡而损失的推进力。
4.但目前，现有专利针对喷水推进泵毂涡消涡方法较少，针对船舶螺旋桨后毂涡消涡以及能量回收的专利相对较多，但是对于喷水泵装置尾部加装消涡措施，并实现动态消涡方面，目前并无相关专利公开。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有进水流道优化设计的不足，提供一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施。
6.本发明的目的是这样实现的，一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，包括喷水推进泵泵体、进水流道、驱动电机，喷水推进泵泵体的一端设有与进水流道贯通的进水口，另一端设有喷嘴出口；驱动电机的泵轴延伸于喷水推进泵泵体内，且驱动电机的泵轴置于喷水推进泵泵体内的一端设有叶轮段，喷水推进泵泵体内固定有导叶段，且导叶段一端面向喷嘴出口，另一端面向叶轮段；导叶段上设有若干导叶叶片；导叶段面向喷嘴出口的前端设有导水锥，且导水锥位于导叶段面向喷嘴出口前端的中心位置; 启动驱动电机，驱动电机泵轴转动带动叶轮段转动，水依次经进水流道、喷水推进泵泵体、导水锥从喷嘴出口喷出；其特征是：
设喷嘴出口的直径为d，在距离导水锥锥尖0.6d的区域沿导水锥中心环向均匀布置若干列压力传感器，每列等距放置若干排压力传感器用于密集监测导水锥前端压力变化情况，进而实现对毂涡是否形成以及毂涡发生范围、位置进行精确的判断；在导水锥表面布置设有若干导流管轨道，每条导流管轨道内设有可在导流管轨道内滑移的导流管，当实时压力传感器监测到了压力异常区域时，导流管的尾部沿导流管轨道移动到毂涡边缘位置，借助导流管头尾两侧的压力差汇集并加速导叶叶片末端水流，借助高速水流动能冲散毂涡；同时导流管带有弧度，使喷出水流具有与毂涡相反的环量，进而破坏毂涡内部结构使其溃散。
7.所述导流管截面为圆弧形，其宽度为0.08d、高度为0.1d、长度为0.6d；所述导流管轨道内滑动连接有滑动部件，导流管下部设有连接段，导流管通过连接段与滑动部件相连；所述滑动部件长度为0.25d，其两侧分别布置4排滑动滚轮用于在运行时减少滑动摩擦；所述导流管轨道为凹形轨道，轨道长度为0.8d，轨道表面设置橡胶薄膜用于避免轨道对于导水锥位置流场的影响，同时，轨道设置为圆弧形，保证各处曲率相同以便导流管的滑动平顺。
8.为动态控制导水锥表面的导流管，使其可以准确及时地冲散毂涡结构；在导流管轨道远离喷嘴出口的一端设置电磁铁，电磁铁附近设有控制电磁铁磁性大小的电磁线圈，同时在导流管轨道另一端设置强磁铁；导流管轨道内设有弹簧，弹簧的一端与滑动部件连接，另一端与强磁铁连接；通过实时压力数据控制电磁铁附近电磁线圈的电量，进而控制导流管尾部的滑动到毂涡边缘；还设有信号反馈器、电磁铁控制器，压力传感器、信号反馈器、电磁铁控制器、电磁线圈依次连接；通过压力传感器检测导水锥位置压力变化进而推断出毂涡发生的区域以及具体位置，并将相关数据借助信号反馈器传入到电磁铁控制器中，借助电磁铁控制器推动导流管，使得导流管尾部滑入毂涡边缘区域；当压力传感器判断无压力异常现象产生时，电磁线圈不通电，滑动部件由于弹簧使得导流管处于初始位置；当出现压力异常变化时，电磁线圈开始通电，电磁铁开始产生与强磁铁相反的磁性，推动滑动部件沿导流管轨道向强磁铁方向移动，带动导流管向毂涡部位移动，进而实现针对喷水推进泵装置毂涡的动态消涡。
9.本发明方法先进科学，本发明针对的是：喷水推进泵装置尾部流场稳定性与其推进效率以及运行稳定性密切相关，但是在船舶在复杂水体环境下高速行驶过程中其尾部流场不可避免会产生涡结构，并且由于泵装置内部流体具有空间不均匀性以及时间不稳定性，在泵装置导水锥锥尖极其尾部区域常会产生较明显的漩涡结构，进而影响泵装置推进效率，同时也会引发机组不良振动产生噪声。但是由于喷水推进泵装置主要依靠其尾部高速水流的反作用力作为其动力来源，而常用的栅条、消涡梁等措施由于会影响泵装置出水流道过流面积，因而很难在此处使用。
10.通过本发明，为了有效抑制喷水推进泵装置导水锥位置毂涡的发生，避免涡结构演化影响尾部流场流态稳定，进而对喷水推进泵装置稳定运行以及安静航行造成不良影响。本发明在喷水推进泵装置导水锥位置布置导流管轨道以及压力传感器。通过压力传感器检测导水锥位置压力变化进而推断出毂涡发生的区域以及具体位置，并将相关数据借助
信号反馈器传入到电磁铁控制器中，借助电磁铁控制器推动导水道，使得导流管尾部滑入毂涡边缘区域。由于毂涡于空化伴随发生因此毂涡区域压力急剧减小，因此导流管头部和尾部区域有较大的压力差，在压力差的作用下导叶出口位置的高速水流被再次加速，同时由于导流管采用弧形钢管，因此出口水流带有一定与毂涡相反的环量，这些高速且带有环量的水流射入毂涡区域冲散毂涡结构，进而有效抑制毂涡的进一步演化，提高泵装置推进效率。具体设置方法如下：由于毂涡形成会导致空化发生，进而使得在导水锥锥尖出现较明显的负压区（如图1）。因此通过实时监测导水锥锥尖压力变化可以判断毂涡是否发生，并且密集布置的压力传感器可以具体判断毂涡区域的边缘，进而为后续经济有效的动态消涡提供数据支持。具体设置方法为在喷水推进泵装置导水锥锥尖0.6d的区域沿导水锥中心环向均匀布置7列压力传感器，每列等距放置5排传感器用于密集监测导水锥前端压力变化情况，进而实现对毂涡是否形成以及毂涡发生范围、位置进行精确的判断（如图3）。
11.为了有效抑制毂涡形成，改善尾部流场，提高喷水推进泵装置推进效率。可在导水锥表面布置可滑移的导流管，当实时压力传感器监测到了压力异常区域时，导流管尾部便可移动到毂涡边缘位置，借助导流管头尾两侧的压力差汇集并加速导叶末端水流，借助高速水流动能冲散毂涡。同时导流管带有一定弧度，使喷出水流具有与毂涡相反的环量，进而破坏毂涡内部结构使其溃散（如图3）。导流管截面圆弧形，其宽度为0.08d、高度为0.1d、长度为0.6d，导流管下部通过连接段与滑动部件相连，滑动部件长度为0.25d其两侧分别布置4排滑动滚轮用于在运行时减少滑动摩擦（如图4）。导流管下部布置凹形轨道，轨道长度为0.8d，轨道表面设置橡胶薄膜用于避免轨道对于导水锥位置流场的影响，轨道设置为圆弧形，保证各处曲率相同以便导流管的滑动平顺。
12.为动态控制导水锥表面的导流管，使其可以准确及时地冲散毂涡结构。在导流管轨道远离喷嘴出口的一端设置电磁铁，电磁铁附近设有控制电磁铁磁性大小的电磁线圈，同时在导流管滑动部件首部位置导流管轨道另一端设置强磁铁；当压力传感器判断无压力异常现象产生时，电磁线圈不通电，滑动部件由于弹簧使得导流管处于初始位置；当出现压力异常变化时，电磁线圈开始通电，电磁铁开始产生与强磁铁相反的磁性，推动滑动部件沿导流管轨道向强磁铁方向移动，带动导流管向毂涡部位移动，进而实现针对喷水推进泵装置毂涡的动态消涡。
13.有益效果：通过本发明，可通过实时压力传感器监测判断毂涡的发生，通过电磁铁动态控制导水锥表面布置的多个导流管，使得弧形导流管尾部进入毂涡低压区边缘，借助弧形导流管首尾端压力差对水流进行加速，形成高速水流冲散毂涡。另一方面弧形导流管使得内部水体带有与毂涡旋转相反的涡量，进一步瓦解毂涡内部结构。从而有效抑制毂涡的发生及演化，提高喷水推进泵装置尾部流场稳定性，保证泵装置推进效率以及运行稳定。
14.随着喷水推进技术在高性能船舶和军用舰艇上的广泛应用，采用本消发明可以有效抑制喷水推进泵装置尾流场毂涡的发生，提高泵装置的推进效率，保障船舶运行安全。
附图说明
15.图1 为喷水推进泵数值模拟尾部流场毂涡示意图；图2为喷水推进泵内部结构示意图；
图3 为导水锥处消涡装置布置图（图2中a-a方向）；图4为压力传感器布置图；图5消涡导流装置剖视图(图3中b-b方向)；图中：1喷水推进泵泵体、2进水流道、3驱动电、4喷嘴出口、5导叶叶片、6导叶段、7导水锥、8叶轮段、9压力传感器、10导流管轨道、11导流管、12滑动部件、13电磁铁、14毂涡、15滑动滚轮。
实施方式
16.下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
17.一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，包括喷水推进泵泵体1、进水流道2、驱动电机3，喷水推进泵泵体1的一端设置与进水流道2贯通的进水口，另一端设有喷嘴出口4；驱动电机3的泵轴延伸于喷水推进泵泵体1内，且驱动电机3的泵轴置于喷水推进泵泵体1内的一端设有叶轮段8，喷水推进泵泵体1内固定有导叶段6，且导叶段6一端面向喷嘴出口4，另一端面向叶轮段8；导叶段6上设置若干导叶叶片5；导叶段6面向喷嘴出口4的前端设置导水锥7，且导水锥7位于导叶段6面向喷嘴出口4前端的中心位置; 启动驱动电机3，驱动电机3泵轴转动带动叶轮段8转动，水依次经进水流道2、喷水推进泵泵体1、导水锥7从喷嘴出口4喷出。
18.设喷嘴出口4的直径为d，即d为喷嘴出口的出口断面直径，在距离导水锥7锥尖0.6d的区域沿导水锥7中心环向均匀布置若干列压力传感器9，每列等距放置若干排压力传感器9用于密集监测导水锥7前端压力变化情况，进而实现对毂涡14是否形成以及毂涡14发生范围、位置进行精确的判断；在导水锥7表面布置设置若干导流管轨道10，每条导流管轨道10内设置可在导流管轨道10内滑移的导流管11，当实时压力传感器9监测到了压力异常区域时，导流管11的尾部沿导流管轨道移动到毂涡边缘位置，借助导流管11头尾两侧的压力差汇集并加速导叶叶片5末端水流，借助高速水流动能冲散毂涡；同时导流管11带有弧度，使喷出水流具有与毂涡相反的环量，进而破坏毂涡内部结构使其溃散。
19.进一步的，导流管11截面为圆弧形，其宽度为0.08d、高度为0.1d、长度为0.6d；导流管轨道10内滑动连接有滑动部件12，导流管11下部设置连接段，导流管11通过连接段与滑动部件12相连。
20.滑动部件12长度为0.25d，其两侧分别布置4排滑动滚轮15用于在运行时减少滑动摩擦；导流管轨道10为凹形轨道，轨道长度为0.8d，轨道表面设置橡胶薄膜用于避免轨道对于导水锥7位置流场的影响，同时，轨道设置为圆弧形，保证各处曲率相同以便导流管11的滑动平顺。
21.为动态控制导水锥7表面的导流管11，使其可以准确及时地冲散毂涡14结构；在导流管轨道10远离喷嘴出口4的一端设置电磁铁13，电磁铁13附近设置控制电磁铁磁性大小的电磁线圈，同时在导流管轨道10另一端设置强磁铁。
22.在导流管轨道10内设置弹簧，弹簧的一端与滑动部件连接，另一端与强磁铁连接；通过实时压力数据控制电磁铁附近电磁线圈的电量，进而控制导流管11尾部的滑动到毂涡边缘。
23.还设置有信号反馈器、电磁铁控制器，压力传感器9、信号反馈器、电磁铁控制器、电磁线圈依次连接；通过压力传感器9检测导水锥7位置压力变化进而推断出毂涡发生的区域以及具体位置，并将相关数据借助信号反馈器传入到电磁铁控制器中，借助电磁铁控制器推动导流管，使得导流管11尾部滑入毂涡边缘区域。
24.当压力传感器9判断无压力异常现象产生时，电磁线圈不通电，滑动部件12由于弹簧使得导流管11处于初始位置；当出现压力异常变化时，电磁线圈开始通电，电磁铁13开始产生与强磁铁相反的磁性，推动滑动部件12沿导流管轨道10向强磁铁方向移动，带动导流管11向毂涡部位移动，进而实现针对喷水推进泵装置毂涡的动态消涡。

技术特征：
1. 一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，包括喷水推进泵泵体（1）、进水流道（2）、驱动电机（3），喷水推进泵泵体（1）的一端设有与进水流道（2）贯通的进水口，另一端设有喷嘴出口（4）；驱动电机（3）的泵轴延伸于喷水推进泵泵体（1）内，且驱动电机（3）的泵轴置于喷水推进泵泵体（1）内的一端设有叶轮段（8），喷水推进泵泵体（1）内固定有导叶段（6），且导叶段（6）一端面向喷嘴出口（4），另一端面向叶轮段（8）；导叶段（6）上设有若干导叶叶片（5）；导叶段（6）面向喷嘴出口（4）的前端设有导水锥（7），且导水锥（7）位于导叶段（6）面向喷嘴出口（4）前端的中心位置; 启动驱动电机（3），驱动电机（3）泵轴转动带动叶轮段（8）转动，水依次经进水流道（2）、喷水推进泵泵体（1）、导水锥（7）从喷嘴出口（4）喷出；其特征是：设喷嘴出口（4）的直径为d，在距离导水锥（7）锥尖0.6d的区域内沿导水锥（7）中心环向均匀布置若干列压力传感器（9），每列等距放置若干排压力传感器（9）用于密集监测导水锥（7）前端压力变化情况，进而实现对毂涡（14）是否形成以及毂涡（14）发生范围、位置进行精确的判断；在导水锥（7）表面布置设有若干导流管轨道（10），每条导流管轨道（10）内设有可在导流管轨道（10）内滑移的导流管（11），当实时压力传感器（9）监测到了压力异常区域时，导流管（11）的尾部沿导流管轨道移动到毂涡边缘位置，借助导流管（11）头尾两侧的压力差汇集并加速导叶叶片（5）末端水流，借助高速水流动能冲散毂涡；同时导流管（11）带有弧度，使喷出水流具有与毂涡相反的环量，进而破坏毂涡内部结构使其溃散。2.根据权利要求1所述的一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，其特征是：所述导流管（11）截面为圆弧形，其宽度为0.08d、高度为0.1d、长度为0.6d；所述导流管轨道（10）内滑动连接有滑动部件（12），导流管（11）下部设有连接段，导流管（11）通过连接段与滑动部件（12）相连；所述滑动部件（12）长度为0.25d，其两侧分别布置4排滑动滚轮（15）用于在运行时减少滑动摩擦；所述导流管轨道（10）为凹形轨道，轨道长度为0.8d，轨道表面设置橡胶薄膜用于避免轨道对于导水锥（7）位置流场的影响，同时，轨道设置为圆弧形，保证各处曲率相同以便导流管（11）的滑动平顺。3.根据权利要求2所述的一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，其特征是：为动态控制导水锥（7）表面的导流管（11），使其可以准确及时地冲散毂涡（14）结构；在导流管轨道（10）远离喷嘴出口（4）的一端设置电磁铁（13），电磁铁（13）附近设有控制电磁铁磁性大小的电磁线圈，同时在导流管轨道（10）另一端设置强磁铁；导流管轨道（10）内设有弹簧，弹簧的一端与滑动部件连接，另一端与强磁铁连接；通过实时压力数据控制电磁铁附近电磁线圈的电量，进而控制导流管（11）尾部的滑动到毂涡边缘；还设有信号反馈器、电磁铁控制器，压力传感器（9）、信号反馈器、电磁铁控制器、电磁线圈依次连接；通过压力传感器（9）检测导水锥（7）位置压力变化进而推断出毂涡发生的区域以及具体位置，并将相关数据借助信号反馈器传入到电磁铁控制器中，借助电磁铁控制
器推动导流管，使得导流管（11）尾部滑入毂涡边缘区域；当压力传感器（9）判断无压力异常现象产生时，电磁线圈不通电，滑动部件（12）由于弹簧使得导流管（11）处于初始位置；当出现压力异常变化时，电磁线圈开始通电，电磁铁（13）开始产生与强磁铁相反的磁性，推动滑动部件（12）沿导流管轨道（10）向强磁铁方向移动，带动导流管（11）向毂涡部位移动，进而实现针对喷水推进泵装置毂涡的动态消涡。

技术总结
本发明涉及一种借助喷水推进泵装置内部高速水流的新型消涡措施，可通过实时压力传感器监测判断毂涡的发生，通过电磁铁动态控制导水锥表面布置的多个导流管，使得弧形导流管尾部进入毂涡低压区边缘，借助弧形导流管首尾端压力差对水流进行加速，形成高速水流冲散毂涡。另一方面弧形导流管使得内部水体带有与毂涡旋转相反的涡量，进一步瓦解毂涡内部结构。从而有效抑制毂涡的发生及演化，提高喷水推进泵装置尾部流场稳定性，保证泵装置推进效率以及运行稳定。及运行稳定。及运行稳定。


技术研发人员：焦伟轩 王玉琪 成立 于贤磊 赵恒 徐加猛 杨阳 刘本庆 罗灿
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/1