馬哲樹，吳玉瑋，趙 凱

(1.江蘇科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.南通中集罐式儲運(yùn)設(shè)備制造有限公司，江蘇 南通226002)

噴水推進(jìn)是一種特殊的船舶推進(jìn)方式，它利用推進(jìn)泵噴出水流的反作用力推動船舶前進(jìn).與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比，噴水推進(jìn)裝置有許多優(yōu)勢，例如:推進(jìn)效率高、抗空化性強(qiáng)、操縱性好、傳動軸系簡單、運(yùn)行噪聲低、變工況范圍廣和利于環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).這些優(yōu)點(diǎn)符合未來高性能船舶的發(fā)展方向，而噴水推進(jìn)泵是噴水推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，其水動力性能決定了噴水推進(jìn)的技術(shù)水平［1－3］，所以在噴水推進(jìn)的發(fā)展歷程中，其實(shí)就是對于噴水推進(jìn)泵的不斷認(rèn)識和優(yōu)化.

噴泵的設(shè)計(jì)中，對于給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定進(jìn)水口處的直徑大小、噴口直徑大小、葉輪和導(dǎo)葉體的設(shè)計(jì)、葉輪與噴泵的布局是設(shè)計(jì)的前提，這些要求確定之后，便可以設(shè)計(jì)出來符合要求的噴水推進(jìn)器.由于和傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比，噴水推進(jìn)的結(jié)構(gòu)更加緊湊、復(fù)雜，所以近年來對于噴泵的設(shè)計(jì)更多采用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)來進(jìn)行噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化，CFD為水泵的水動力性能設(shè)計(jì)的合理性驗(yàn)證提供一個有效的途徑［4］.文中在給定的設(shè)計(jì)參數(shù)下，對噴水推進(jìn)泵的主體尺寸進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到了符合設(shè)計(jì)要求的噴水推進(jìn)軸流泵的主體尺寸，然后根據(jù)葉輪和導(dǎo)葉體的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善了葉輪和導(dǎo)葉體的結(jié)構(gòu);最后運(yùn)用CAD建立幾何模型，導(dǎo)入CFD軟件完成噴泵的性能分析，得到噴泵的流場、速度場和應(yīng)力分布，更加直觀地檢驗(yàn)噴泵設(shè)計(jì)的合理性和可行性，為噴水推進(jìn)裝置的整體化設(shè)計(jì)提供一種較為可靠的設(shè)計(jì)支持.

1 計(jì)算方法和設(shè)計(jì)過程

1.1 噴水推進(jìn)軸流泵流道設(shè)計(jì)

噴水推進(jìn)泵的流道是葉輪和導(dǎo)葉體的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從水動力性能角度來看，流道形狀決定了葉輪和導(dǎo)葉體的大致輪廓［2］;文中基于軸流噴泵的流道設(shè)計(jì)，從效率和性能方面完善葉輪和導(dǎo)葉體的設(shè)計(jì).

某船舶外形船長23.5 m，型寬 6.0 m，吃水1.4m，排水量66 t，最大航速31 kn，裝配有2 臺 CAT公司的C18系列柴油機(jī)，最大輸出功率847.0kW.由船體、柴油機(jī)與噴水推進(jìn)泵三者的平衡關(guān)系［5］，得出噴水推進(jìn)軸流泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為流量Q=0.875 m3/s，揚(yáng)程 H=25.15 m，轉(zhuǎn)速 n=320 r/min，噴口直徑D1=0.167m.對于軸流泵的設(shè)計(jì)來說，揚(yáng)程是最重要的指標(biāo)之一，所以首先要確定噴泵的揚(yáng)程H.在選擇噴水推進(jìn)系統(tǒng)主要參數(shù)時(shí)，一般來說噴口面積是按巡航最有利的條件來選取，只有工作船才按兼顧自由航速和低速的要求來設(shè)計(jì).只要噴口的面積A1一旦確定，則整個系統(tǒng)的流量、揚(yáng)程H的參數(shù)也確定了［5］.揚(yáng)程的關(guān)系表達(dá)式可以寫成:

式中:V0為來流速度(m/s)，一般變化很小，所以用來表示;η為噴泵效率;β為動能損失系數(shù);Q為噴泵流量(m3/s);h1，h2和h0(m)分別為進(jìn)口管道段、出口管道段的損失及水流的提升高度;γ為水的重度，噴泵的輸出功率為γQH;N為噴泵收到的功率，設(shè)主機(jī)功率為N主，則N=η1N主，η1為噴泵聯(lián)軸節(jié)處的傳送效率.

噴口形狀最重要的影響是使噴口的有效面積發(fā)生變化.合理的噴口設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)在直徑過渡時(shí)采用雙紐曲線:

式中:m為橫坐標(biāo)上最大值.流道后部的導(dǎo)葉體區(qū)域應(yīng)當(dāng)均勻收縮，以減少動能損失.圖1為軸流泵的流道截面積A2隨軸向坐標(biāo)x的變化規(guī)律.

圖1 流道面積變化曲線Fig.1 Curves of flow area change

導(dǎo)葉體出口面積應(yīng)是進(jìn)口截面積的0.6～0.8，8片導(dǎo)葉時(shí)［6］，取值應(yīng)為0.65比較合適.圖2為軸流泵軸面視圖.

圖2 軸流泵軸面Fig.2 Axial geometry of the water-jet axial-pump

1.2 軸流泵葉輪和導(dǎo)葉體設(shè)計(jì)

葉輪的直徑D可按合適的軸面速度來確定，軸面速度和圓周速度有一定的關(guān)系，以保證最優(yōu)的葉輪安放角度.按照下式的軸面速度，實(shí)踐證明最為合適［7］.

式中:Dh為泵輪轂直徑，ηv為泵的容積效率.軸流泵容積效率一般為0.96～0.99，故可取D=0.458m.軸流泵比轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:C為比轉(zhuǎn)速，一般軸流泵可取C=1 000～1500，常取為1200;hmin為不發(fā)生空泡的最小揚(yáng)程.由此經(jīng)驗(yàn)公式可以看出:葉輪的轉(zhuǎn)速NP越小，則hmin越低，越可以防治空泡的發(fā)生;NP越小，則扭角越大，相應(yīng)的螺距比也越大.噴泵比傳統(tǒng)的螺旋槳優(yōu)勢就在于它在較為封閉的圓筒內(nèi)工作，可以更好地防止空泡的發(fā)生.可選擇輪轂比為0.4，則可得輪轂直徑Dh=0.1832m.

噴泵葉輪數(shù)目可根據(jù)比轉(zhuǎn)速C來確定，一般葉片數(shù)為3～6，比轉(zhuǎn)速越高，葉片負(fù)載越小的時(shí)候，葉片數(shù)可以少一些，文中選擇4片葉輪.

葉輪和導(dǎo)葉體之間的間距是為了提高效率和減少空間占用，應(yīng)當(dāng)為葉輪葉片隨邊和導(dǎo)葉體葉片導(dǎo)邊選擇合適的軸向距離.葉輪和導(dǎo)葉體處于同一流場中，它們之間的布局對流場產(chǎn)生干涉，距離偏大或者偏小，使葉輪的出流和導(dǎo)葉體進(jìn)流產(chǎn)生紊亂，從而使動能產(chǎn)生不必要的喪失，并且會更加容易產(chǎn)生渦旋，使空泡現(xiàn)象發(fā)生范圍擴(kuò)大，對于泵體的壽命產(chǎn)生不良影響.文中列舉了葉輪和導(dǎo)葉體5種軸向間距情況下處于不同流量的效率η2對比(分別是20，25，30，35，40mm)，如圖3.

圖3 不同流量下不同間距對應(yīng)的效率對比Fig.3 Efficiency comparison of different distances at different flows

由圖4可以看出葉輪和導(dǎo)葉體間距x3為35mm時(shí)，噴泵的平均效率η3最高.當(dāng)葉輪和導(dǎo)葉體的軸向間距達(dá)到葉輪直徑的5% ～7%時(shí)，噴泵的效率最合適，可以使噴泵效率穩(wěn)定在92%以上.

圖4 不同葉輪和導(dǎo)葉體間距下的效率Fig.4 Efficiency of different distances between rotor and stator

圖5 不同葉頂間距下的效率Fig.5 Efficiency at different tip clearances

采用同樣的手段，來設(shè)計(jì)葉頂間隙.文中假設(shè)葉頂間隙 x4分別為 1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 mm然后對7種情況下，處于不同流量時(shí)的平均效率η4進(jìn)行對比(圖5)，得出了合適的葉頂間隙.認(rèn)為在葉頂間隙達(dá)到2.5～3.5 mm之間時(shí)，噴泵效率較為合適.

最后采用流體性能較好的NACA66翼型參數(shù)，在葉輪和導(dǎo)葉體強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求的前提下進(jìn)行增厚，葉輪和導(dǎo)葉體如圖6.

圖6 葉輪和導(dǎo)葉體Fig.6 Rotor and stator

2 軸流泵幾何建模、前處理和CFD性能分析

2.1 幾何建模

針對設(shè)計(jì)出來完整的噴泵主體參數(shù)，利用CAD軟件建立噴泵模型(圖7)，導(dǎo)入到CFD軟件當(dāng)中進(jìn)行驗(yàn)證分析.

圖7 噴泵模型Fig.7 Model of the water-jet pump

2.2 模型前處理

采用雷諾時(shí)均方法(RANS)求解軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)的流場，流場控制方程為:

式中:f為體積力，p為作用在流體上的壓力，ρ為海水的密度，μ為海水的分子粘性系數(shù)，μt為湍流動力粘性系數(shù).

選擇SST剪切應(yīng)力輸運(yùn)模式來對湍流進(jìn)行模擬，即在邊界層邊緣和自由剪切層采用k－ε模式，在近壁面采用k－ω模式中的低雷諾數(shù)公式，兩者之間通過混合函數(shù)來過渡.該模式能夠較好的模擬邊界層的流動特性.

湍流動能方程和湍流耗散率方程如下:

公式(9)中的各個系數(shù)代表的意義在文獻(xiàn)［8］中有具體介紹.

計(jì)算區(qū)域包括進(jìn)水口、葉輪、輪轂、導(dǎo)葉體、噴水口.葉輪區(qū)域的流動較為復(fù)雜，是噴泵性能的重要反映，所以計(jì)算網(wǎng)格布置較為緊密.流動較為穩(wěn)定的區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格，在能夠反映流動情況的前提下盡可能的稀疏一些，以便控制合理的網(wǎng)格數(shù)目.

采用四面體結(jié)構(gòu)化對網(wǎng)格進(jìn)行劃分如圖9，葉輪和導(dǎo)葉體分別采用J型和H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了真實(shí)的反映軸流泵內(nèi)部流動，對各固體壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密，葉片壁面的y+控制在80～100之間，在網(wǎng)格劃分的時(shí)候，考慮到數(shù)值模擬精度和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力.最后網(wǎng)格總數(shù)控制在1.35×106左右.圖8為噴泵在設(shè)計(jì)流量工況下?lián)P程和網(wǎng)格數(shù)目的關(guān)系曲線.

圖8 不同網(wǎng)格數(shù)目下的揚(yáng)程Fig.8 Pump head of different mesh

圖9 網(wǎng)格劃分Fig.9 Mesh of water-jet axial-flow pump

壁面條件設(shè)定為:葉輪和輪轂設(shè)為相對靜止壁面條件，其他設(shè)為絕對靜止壁面.計(jì)算域采用流量進(jìn)口和壓力出口，如圖10.

圖10 邊界條件設(shè)置Fig.10 Boundary condition of numerical simulation

2.3 CFD性能分析

對設(shè)計(jì)完成的噴泵進(jìn)行不同流量、轉(zhuǎn)速下的工作性能進(jìn)行計(jì)算分析.由水力性能表1可知在設(shè)計(jì)的功率范圍內(nèi)，揚(yáng)程、效率在不同的流量下，揚(yáng)程達(dá)到設(shè)計(jì)要求.根據(jù)葉輪進(jìn)口和噴水口兩處在設(shè)計(jì)工況下的揚(yáng)程，得出來的效率也能穩(wěn)定在90%以上.

表1 設(shè)計(jì)噴泵的水力性能表Table 1 Hydraulic performance of water-jet pump

噴泵的三維流場如圖11，清楚地顯示了噴泵內(nèi)的流場情況，進(jìn)流口處的水流較為均勻，葉輪段的流場，導(dǎo)葉段的流向由旋轉(zhuǎn)水流逐漸變?yōu)檩S向流，說明導(dǎo)葉體的整流效果較好，可見噴泵整體對于管道中的水流做功效率及整流效果較為可觀.

圖11 噴泵的三維流場Fig.11 Three-dimension streamline in water-jet pump

由噴泵不同軸向處的速度截面(圖12)可以得到噴泵對于水流速度的影響.噴口的速度截面圖(軸向上分別距離軸流泵噴口為 L1，L2，L3，L4，L5，L6)能夠很好的反應(yīng)加速和整流效果，可以看出噴泵對于水流的加速效果影響較好.

圖12 噴泵內(nèi)速度截面(單位:m·s-1)Fig.12 Velocity section of water-jet pump(unit:m·s-1)

根據(jù)噴泵的工作過程中，葉輪和導(dǎo)葉體的應(yīng)力分布情況(圖13)，計(jì)算得到的葉片最大應(yīng)力為56.93kPa，設(shè)計(jì)葉片為不銹鋼材料，由材料的屈服強(qiáng)度、泊松比、彈性模量可以得出材料的許用應(yīng)力可達(dá)68kPa，大于葉片所受的最大應(yīng)力，這就說明葉輪強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求.

圖13 葉輪和導(dǎo)葉體應(yīng)力分布(單位:kPa)Fig.13 Stress distribution of rotor and stator(unit:kPa)

由葉輪的應(yīng)力可以看出葉片背部有明顯的低壓區(qū)域，也是最易發(fā)生空泡的區(qū)域.葉輪段的應(yīng)力是從進(jìn)口到出口段逐漸升高，葉片的導(dǎo)邊到隨邊壓力逐漸升高，這正是葉輪對水體做功造成的影響.并且可以看出葉輪的應(yīng)力為均勻過渡，所以說噴泵的設(shè)計(jì)是合理的.

3 結(jié)論

文中運(yùn)用CAD，CFD軟件對于噴水推進(jìn)軸流泵進(jìn)行了較為全面的主體設(shè)計(jì)，方案行之有效.

1)根據(jù)噴水推進(jìn)泵的系數(shù)設(shè)計(jì)方法先確定噴泵軸向截面的主要形狀，在結(jié)合流量、揚(yáng)程、效率的相關(guān)性進(jìn)行葉輪、導(dǎo)葉體、管道進(jìn)行最優(yōu)化的精細(xì)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中提高了設(shè)計(jì)精度和效率.

2)在管道主要尺寸確定之后，葉輪、導(dǎo)葉體及輪轂的設(shè)計(jì)對于噴泵整體的效率和水力性能有著很重要的相關(guān)性，其中輪轂比0.4，葉輪和導(dǎo)葉體間距為葉輪直徑的5% ～7%，葉頂間隙達(dá)到2.5～3.5 mm之間時(shí)，對于噴泵整體的效率和性能最好.

3)在CFD分析中，采用雷諾時(shí)均方法(RANS)求解軸流式噴水推進(jìn)泵內(nèi)的流場，選擇SST剪切應(yīng)力輸運(yùn)模式來對湍流進(jìn)行模擬，結(jié)果能夠較好地反應(yīng)噴泵內(nèi)部的流動細(xì)節(jié)和工作下的各部件情況.對于進(jìn)一步的優(yōu)化和再設(shè)計(jì)提供了很好的可行性手段.

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