[发明专利]一种空水两用涡轮机参数化设计方法

说明书

本发明公开了一种空水两用涡轮机参数化设计方法，根据水下工况下工质的质量流量具有焓降大、流量小的特点，因此设计空水两用涡轮机的工作叶片时将采取部分进气的模式，提出一套适用于跨介质航行器水上/水下工况双模复用的空水两用涡轮机的参数化设计方法，能够得到分别在水上和水下工况使用的双模复用的单涡轮机，该单涡轮机相比于两套动力装置的跨介质航行器具有比功率大，动力系统结构简单，体积占比小，燃料消耗率低，做工能力强的特点。

技术领域

本发明属于空水两用涡轮机技术领域，具体涉及一种空水两用涡轮机参数化设计方法。

背景技术

跨介质航行器的实现需要一套新型跨介质动力系统，能够为其提供水下航行、水面飞行时的动力。目前国际上采取的动力系统方案主要是采用两套及以上动力发动机装置，水上航行时，由航空发动机提供推力；水下航行时，由电池、燃料电池或者水冲压发动机提供动力；概括为包含热动力系统和电动力系统两大类。其中热动力系统具有燃料消耗率高，体积占比大等缺点；电动力系统具有做工能力弱，航行速度低等缺点，用于跨介质航行器还需进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种空水两用涡轮机参数化设计方法，根据水下工况下工质的质量流量具有焓降大、流量小的特点，设计空水两用涡轮机的工作叶片时将采取部分进气的模式，能够适用于水上与水下工况的转变。

本发明所采用的技术方案是，一种空水两用涡轮机参数化设计方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、假设水下工况下空水两用涡轮机的相对内效率，再根据跨介质航行器的水下运行工况求出水下工况下的涡轮喷嘴的进气度和喷嘴出口最小直径；

步骤2、根据传统常规冲动式涡轮叶栅的设计方法，得出初步空水两用涡轮机动叶栅的设计参数；

步骤3、对水下工况下涡轮机的性能参数进行核算，得到涡轮机的理论相对内效率，并将得出的理论内效率代入步骤1，进行反复迭代，得出水下工况下，涡轮机各设计参数的精确值；

步骤4、假设一个水上工况下空水两用涡轮机的相对内效率，代入整个水上工况下的动力系统的参数设计中，得到一个低燃料消耗率下的涡轮机有效功率和燃气的质量流量；

步骤5、根据步骤4中的有效功率和质量流量，求水上工况下的涡轮喷嘴设计参数；

步骤6、根据初步空水两用涡轮机动叶栅的设计参数和水上工况下的涡轮喷嘴设计参数对涡轮机的动叶栅结构参数进行修正，并计算叶栅初步安装角和煤油燃气工质在工作叶栅出口处的实际相对速度；

步骤7、对水上工况下的涡轮机性能参数进行核算，得到该工况下的涡轮机理论相对内效率，并将得出的理论内效率代入步骤4，进行反复迭代，得出水上工况下，涡轮机各设计参数的精确值；

步骤8、改变喷嘴的结构参数，判断是否满足：空水两用涡轮机水上额定工况和水下额定工况下的部分进气度之和小于1且两个工况下的涡轮叶栅安装角相差不超过1％，若不满足修改水下工况下涡轮喷嘴的结构参数，若满足，输出步骤1-7中计算的涡轮机参数。

本发明的特点还在于：

步骤1涡轮喷嘴为钻孔喷嘴，钻孔喷嘴沿垂直轴线方向横截面积最小的位置定义为喷嘴喉部。

步骤1具体过程为：

假设水下工况下空水两用涡轮机的相对内效率为η_e,o；

水下额定工况下，空水两用涡轮机的设计指标为：额定功率P_0,O、涡轮前总温T_0,o、涡轮前总压p_0,o、涡轮背压p_e,o；

将OTTO-Ⅱ燃气在涡轮机内的热力学过程视作一个等熵膨胀过程，故工质在涡轮机内的理论焓降Δh_o为：