，

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

泵噴水推進(jìn)器(waterjet propulsion)作為船用推進(jìn)裝置，早期人們認(rèn)為其應(yīng)用范圍僅限于淺水和小型船舶推進(jìn)。但是隨著20世紀(jì)后期TSL(techno super liner)船、 SES(surface effect ship)船、水翼艇以及高速渡輪等高性能船舶為代表的海上輸運(yùn)高速化的發(fā)展，泵噴水推進(jìn)器的適用及需求范圍越來越廣[1]。

泵噴水推進(jìn)器的主要優(yōu)勢為通常航速下具有低能耗、高效率、小型化以及船在低速區(qū)域運(yùn)行時(shí)具有良好的加速性能(推力性能)和吸入性能。與一般水力機(jī)械的運(yùn)行相比，泵噴水推進(jìn)器運(yùn)行工況范圍大、平穩(wěn)性要求更高[2]。泵噴水推進(jìn)器的水力部件見圖1。

圖1 泵噴水推進(jìn)器水力結(jié)構(gòu)

本文以經(jīng)典能量轉(zhuǎn)換理論為依據(jù)，分析某型快艇原噴水推進(jìn)器動(dòng)力不足的原因。考慮該快艇的阻力特性、動(dòng)力配備以及安裝尺寸的限制，設(shè)計(jì)開發(fā)新的噴水推進(jìn)器。

1 推進(jìn)器基本能量關(guān)系式

泵噴水推進(jìn)器的相關(guān)參數(shù)及各參數(shù)間的基本計(jì)算關(guān)系式如下[3]。

T=ρQ(Vj-Vm)=ρQVm(α-1)

(1)

P=ρgQH/(1 000ηp)

(2)

(3)

式中：T——推力，N；

ρ——流體密度，kg/m3；

Q——流量，m3/s；

H——揚(yáng)程，m；

Vj——噴嘴出口處射流速度，m/s；

Vm——吸入管路平均流速，m/s；

α——射流速度比vj/vm；

ηp——泵效率；

P——噴水推進(jìn)泵軸功率，kW；

K1——能量損失系數(shù)，最優(yōu)值K1=(α-1)2。

2 Ja500-80能量分析

某快艇載原動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，最大輸出功率約為65 kW，巡航阻力為2 000 N左右。該艇初始裝備噴水推進(jìn)器Ja500-80為軸流式，見圖2。試水后發(fā)現(xiàn)推進(jìn)動(dòng)力不足，無法達(dá)到期望的運(yùn)行船速。

圖2 Ja500-80泵噴水推進(jìn)器

泵噴水推進(jìn)器Ja500-80的進(jìn)口直徑和噴嘴直徑分別為156和80 mm，傳動(dòng)軸直徑為43 mm，因此α=3.51。則根據(jù)式(1)得到推力與流量間的關(guān)系，見表1。

表1 泵噴水推進(jìn)器推力與流量關(guān)系

由表1可見，當(dāng)需要推力為1 500～2 500 N時(shí)，泵噴水推進(jìn)器的流量在366～473 m3/h之間。為了分析該軸流式泵噴水推進(jìn)器的性能范圍，采用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行流場仿真。有關(guān)CFD技術(shù)在噴水推進(jìn)器中的應(yīng)用及其精確度，已經(jīng)有很多相關(guān)文獻(xiàn)做過分析[4-5]，這里只給出仿真的結(jié)果。圖3所示為CFD仿真得到的泵噴水推進(jìn)器Ja500-80的能量特性曲線。

由圖3可以看出，Ja500-80最高效率點(diǎn)流量為500 m3/h，高于上述要求的流量范圍，揚(yáng)程為17.3 m, 效率為60%，比轉(zhuǎn)速ns=721，軸功率為39.3 kW，滿足船載功率的要求。圖4為泵噴水推進(jìn)器Ja500-80在最優(yōu)效率點(diǎn)的流場特性。

此外，Ja500-80的比直徑為

圖3 泵噴水推進(jìn)器能量特性曲線

圖4 最優(yōu)效率點(diǎn)軸流式泵噴水推進(jìn)器Ja500-80的流場

(4)

計(jì)算得Dsp=0.854 m，接近軸流式泵噴水推進(jìn)器的比直徑設(shè)計(jì)要求，見表2。

表2 比直徑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由式(3)計(jì)算得到泵的揚(yáng)程應(yīng)當(dāng)為H=57 m，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泵實(shí)際具有的揚(yáng)程，該泵無法在最優(yōu)工況點(diǎn)工作。這就是為什么快艇無法達(dá)到期望船速的原因。同時(shí)，由圖4可見，葉輪出口到導(dǎo)葉進(jìn)口間的流態(tài)不太理想，這也是設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)所要注意的細(xì)節(jié)。

3 泵噴水推進(jìn)器改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)Ja500-80的計(jì)算分析，可以看出，其揚(yáng)程不能滿足要求，因此無法使快艇達(dá)到期望的船速。為了提高噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程，主要從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是增加噴嘴的口徑，從而減小噴水推進(jìn)器的噴射速度頭；二是將軸流式葉輪設(shè)計(jì)為斜流式葉輪，提高葉輪自身所具有的揚(yáng)程。

首先將噴嘴口徑改為90 mm。由于快艇已經(jīng)成型，噴水推進(jìn)器的進(jìn)水管道不變，受快艇結(jié)構(gòu)條件限制，泵噴水推進(jìn)器進(jìn)口區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸限定在170 mm以下，新的泵噴水推進(jìn)器葉輪進(jìn)口直徑仍然為156 mm。射流速度比α=2.78。將新泵噴水推進(jìn)器命名為Jm500-90，根據(jù)方程(1)得到其流量與推力的關(guān)系見表1。

從表1可看出，當(dāng)需要推力1 500～2 500 N，噴水推進(jìn)器的流量應(yīng)該在435～562 m3/h之間。據(jù)此確定噴水推進(jìn)器Jm500-90的額定流量仍然為500 m3/h。由式(3)計(jì)算泵的揚(yáng)程H=31.8 m。以額定參數(shù)Q=500 m3/h，H=32 m,ns=455設(shè)計(jì)新的斜流式噴水推進(jìn)器，見圖5。

圖5 Jm500-90泵噴水推進(jìn)器

圖5所示的斜流式泵噴水推進(jìn)器Jm500-90的外特性數(shù)值仿真結(jié)果參見圖3，其最高效率點(diǎn)流量為500 m3/h，揚(yáng)程為32.36 m，效率為74%，與軸流式泵噴水推進(jìn)器相比效率提高了14個(gè)百分點(diǎn)，軸功率為59 kW, 滿足船載功率的要求。圖6為Jm500-90在最優(yōu)工況點(diǎn)的流場特性，從圖6中可以看出，其導(dǎo)葉與葉輪間的流態(tài)要好于Ja500-80的分布。

圖6 最優(yōu)效率點(diǎn)斜流式泵噴水推進(jìn)器Jm500-90的流場

Jm500-90出口處的外徑D2=182 mm, ，因此其比直徑Dsp=1.162 m，該值大于表2中的相應(yīng)值，即可以設(shè)計(jì)口徑更小的斜流式泵噴水推進(jìn)器。但在本項(xiàng)目中安裝尺寸滿足該泵噴水推進(jìn)器的需要，因此不再設(shè)計(jì)更小的方案，而且略大的比直徑對(duì)加速性能和吸入性能有利。

假定吸入比轉(zhuǎn)速C=1 200,校核吸入性為

(5)

式中：NPSHr——正吸頭。

計(jì)算得到NPSHr=8.5 m，通常即要求有效正吸頭NPSHα>NPSHr+0.3，本項(xiàng)中快艇的運(yùn)行環(huán)境滿足該要求。經(jīng)更換噴水推進(jìn)器試水后，快艇的速度和舒適性都達(dá)到了期望的要求。

4 結(jié)論

到目前為止，泵噴水推進(jìn)器尚無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)驗(yàn)考核主要是參考葉片泵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。泵噴水推進(jìn)器含有葉輪、導(dǎo)葉和噴嘴等多個(gè)水力部件，各水力部件主導(dǎo)作用力不同，因此其各自的分析側(cè)重點(diǎn)也不一樣。本文針對(duì)某快艇運(yùn)行不能滿足期望要求這一問題，依據(jù)經(jīng)典理論對(duì)原有泵噴水推進(jìn)器進(jìn)行了分析計(jì)算并通過現(xiàn)代CFD分析技術(shù)對(duì)經(jīng)典計(jì)算及設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值仿真。在改型設(shè)計(jì)中分別通過增大噴嘴出口口徑以及將軸流式葉輪改為斜流式葉輪兩種方式；即一方面通過提高泵噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程提高其自身的動(dòng)力，通過調(diào)整噴嘴特性使推進(jìn)器在最優(yōu)工況點(diǎn)工作，改進(jìn)了泵噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)和性能。試水試驗(yàn)表明改進(jìn)設(shè)計(jì)使快艇的運(yùn)行達(dá)到了期望的要求。

[1] 川上孝，上出修博，前田學(xué)，等.ウォータージェット推進(jìn)裝置の開発[J].ターボ機(jī)械，1996，26(2)：94-100.

[2] 倪永燕.基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的泵外特性預(yù)測方法分析及應(yīng)用[J].水泵技術(shù)，2011(1)：6-11.

[3] 金平仲.船舶噴水推進(jìn)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1986.

[4] 聶沛軍，王永生，李 翔.125SII型噴水推進(jìn)泵水動(dòng)力性能的CFD預(yù)報(bào)研究[J].中國艦船研究，2010,5(6):70-74.

[5] 韓小林.用數(shù)值模擬研究轉(zhuǎn)速變化對(duì)噴水推進(jìn)軸流泵性能的影響[J].船海工程，2008,37(2):134-137.