曹玉良　王永生　靳栓寶

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)

噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能優(yōu)化研究*

曹玉良王永生靳栓寶

(海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033)

摘要：為了提高某摩托艇用噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能，文中對(duì)其流道和導(dǎo)葉進(jìn)行了優(yōu)化，運(yùn)用CFD方法對(duì)改進(jìn)的效果進(jìn)行分析.以某混流泵為例，對(duì)其軸功率進(jìn)行了CFD計(jì)算，不同轉(zhuǎn)速時(shí)CFD計(jì)算誤差在1%以內(nèi).進(jìn)而運(yùn)用CFD方法分析了某摩托艇用SHS1100噴水推進(jìn)器的水力性能，發(fā)現(xiàn)其流道和第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)存在漩渦、噴口出流存在較大的旋轉(zhuǎn)能量.從減小流道過(guò)流面積，以及流道背部曲率、改變第二級(jí)導(dǎo)葉形狀等方面對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化.使噴水推進(jìn)器的推力效率提高了7%，流道效率提高了5.7%，噴泵效率提高了3.3%，第二級(jí)導(dǎo)葉出流不均勻度降低了7.3%、出流周向動(dòng)能降低了17%，并消除了流道和第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)的渦流.

關(guān)鍵詞：噴水推進(jìn)器；進(jìn)水流道；第二級(jí)導(dǎo)葉；優(yōu)化；CFD

曹玉良(1988- )：男, 碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)閲娝七M(jìn)器設(shè)計(jì)

0引言

噴水推進(jìn)技術(shù)近年來(lái)在國(guó)外得到飛速發(fā)展，被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到高速性能艦船上.但國(guó)內(nèi)噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)水平還不高，如何設(shè)計(jì)出滿足抗空化要求并且推進(jìn)效率高的噴水推進(jìn)器，越來(lái)越成為各噴水推進(jìn)研究人員關(guān)注的焦點(diǎn).

進(jìn)水流道作為噴水推進(jìn)泵從船底吸水的過(guò)流通道，進(jìn)水流道水動(dòng)力性能優(yōu)越與否，不但影響到流道內(nèi)的流動(dòng)損失從而影響推進(jìn)效率，也明顯影響出流的質(zhì)量從而影響噴水推進(jìn)泵的性能，提高進(jìn)水流道流動(dòng)性能對(duì)提高噴水推進(jìn)器整體性能及推進(jìn)效率具有重要意義.噴水推進(jìn)器推力等于噴口和進(jìn)水口的動(dòng)量差，出流的速度及其分布對(duì)噴水推進(jìn)器的推力具有重要影響，出流的好壞直接關(guān)系到噴水推進(jìn)器的效率[1-3].隨著計(jì)算機(jī)的快算發(fā)展，CFD技術(shù)在噴水推進(jìn)研究中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅用于噴水推進(jìn)器的性能分析，而且用于噴水推進(jìn)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4-6].本文運(yùn)用CFD方法分析某摩托艇用SHS1100噴水推進(jìn)器的推進(jìn)性能，發(fā)現(xiàn)該噴水推進(jìn)器的來(lái)流和出流存在問(wèn)題，對(duì)該噴水推進(jìn)器的進(jìn)水流道和第二級(jí)導(dǎo)葉進(jìn)行優(yōu)化，運(yùn)用CFD方法分析優(yōu)化后的噴水推進(jìn)器的水力性能，以多項(xiàng)指標(biāo)對(duì)優(yōu)化的效果加以檢驗(yàn).

1國(guó)外某混流泵軸功率的CFD計(jì)算

噴泵是噴水推進(jìn)器核心做功部件，由葉輪和導(dǎo)葉組成.為驗(yàn)證本文所用數(shù)值方法的可信性，文中先用CFD方法計(jì)算了國(guó)外某噴水推進(jìn)混流泵不同轉(zhuǎn)速時(shí)的軸功率.該噴泵幾何模型見(jiàn)圖1，該泵進(jìn)口直徑710mm，葉輪為6片，導(dǎo)葉為11片.

圖1　國(guó)外某噴泵幾何模型

在數(shù)值模擬過(guò)程中，葉輪采用J形網(wǎng)格, 導(dǎo)葉采用H形網(wǎng)格，葉輪單通道網(wǎng)格數(shù)保持在20萬(wàn)左右，導(dǎo)葉單通道網(wǎng)格數(shù)保持在10萬(wàn)左右，泵內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格總數(shù)約300萬(wàn)，均為六面體網(wǎng)格，y+保持在200以下，數(shù)值計(jì)算時(shí)采用剪切應(yīng)力模型(SST模型)，總壓進(jìn)口、靜壓出口，葉輪和導(dǎo)葉表面網(wǎng)格見(jiàn)圖2.

圖2　葉輪和導(dǎo)葉表面網(wǎng)格

不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸功率的CFD計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1(數(shù)據(jù)進(jìn)行了單位化)，從表中可以看出，各轉(zhuǎn)速下混流泵軸功率的CFD計(jì)算值與廠家提供值誤差均在1%以內(nèi).

表1　混流泵功率計(jì)算值與廠家提供數(shù)據(jù)對(duì)比

2SHS1100推力性能分析

某摩托艇用SHS1100噴水推進(jìn)器葉輪為3片葉片，導(dǎo)葉有6片葉片，噴泵進(jìn)口直徑D為154.5mm，見(jiàn)圖3.

圖3　SHS1100噴水推進(jìn)器

采用必須的控制域進(jìn)行推進(jìn)器推力性能的數(shù)值計(jì)算，控制域的長(zhǎng)度、寬度和高度分別取噴水推進(jìn)器進(jìn)水口直徑的30倍、10倍和8倍[7]，(見(jiàn)圖4).

圖4　控制域示意圖

葉輪和導(dǎo)葉采用六面體網(wǎng)格，流道和控制水域采用四面體網(wǎng)格，在流道內(nèi)壁、控制域的上壁面以及格柵和葉輪軸的表面采用棱柱層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度為0.2mm，全計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約350萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)約200萬(wàn)，y+控制在200以下，對(duì)流動(dòng)劇烈部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密，采用剪切應(yīng)力湍流模型(SST模型)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，進(jìn)口設(shè)為速度，出口設(shè)為opening.通過(guò)CFD方法計(jì)算出的該噴水推進(jìn)器在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速6 667r/min下的推力見(jiàn)表2.

表2　SHS1100在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的推力

由表2可見(jiàn),該型噴水推進(jìn)器的推力效率在設(shè)計(jì)航速90km/h時(shí)僅有54.3%.經(jīng)過(guò)分析，該型噴水推進(jìn)器主要存在以下問(wèn)題：(1)流道背部存在渦旋和流動(dòng)分離；(2)噴泵第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部存在渦流；(3)導(dǎo)葉整流效果不佳，噴口出流存在不小的周向旋轉(zhuǎn)能量.圖5為流線及出口速度分布圖.該噴水推進(jìn)器流道背部存在渦流和嚴(yán)重的流動(dòng)分離，導(dǎo)致來(lái)流動(dòng)能大量損失在流道內(nèi)，流道效率低下(見(jiàn)圖a)).在第二級(jí)導(dǎo)葉下部存在明顯的渦流(見(jiàn)圖5b)),其出流不均勻、存在周向速度(見(jiàn)圖5c)).

圖5　流線及出口速度分布圖

3SHS1100噴水推進(jìn)器的優(yōu)化

3.1流道和導(dǎo)葉的流動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1) 噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率部件的優(yōu)化的最終結(jié)果都是為了提高噴水推進(jìn)器整體的推進(jìn)效率.如果僅是部件得到優(yōu)化，而推進(jìn)效率下降，那么這個(gè)優(yōu)化就沒(méi)有意義.通常情況下都是部件越優(yōu)化，推進(jìn)效率也越高，但是也存在推進(jìn)效率得到提高而部件的某個(gè)指標(biāo)變差的情況.推進(jìn)效率是否提高，以及提高多少，是評(píng)價(jià)部件優(yōu)化的最終指標(biāo).在缺乏艇體阻力的情況下，本文引入推力效率的概念來(lái)評(píng)價(jià)推進(jìn)器推進(jìn)效率的高低，其計(jì)算式為

(2)

式中：T為噴水推進(jìn)器推力；V為航速；P為推進(jìn)器的收到功率.

2) 流道效率流道效率是衡量進(jìn)水流道對(duì)來(lái)流能量利用程度的物理量，流道效率的定義為流道出口面總能量與進(jìn)流面總能量之比[8]

(2)

式中：E1，E2分別為流道進(jìn)流面和出口面的總能量.本文采用長(zhǎng)軸為進(jìn)口寬度1.5～1.9倍的半橢圓形進(jìn)流面，將進(jìn)流面的位置取在離流道進(jìn)口流面切點(diǎn)一個(gè)噴泵進(jìn)口直徑的位置處[9].

3) 出口不均勻度流道出流的均勻程度是評(píng)判流道性能的一個(gè)重要指標(biāo).流道出口的速度分布越不均勻，就越容易增加噴水推進(jìn)泵的周期性脈動(dòng),這不僅會(huì)造成泵的耗功增大、效率下降，而且會(huì)引起振動(dòng)加劇，噪聲增強(qiáng).出口流場(chǎng)流動(dòng)不均勻度的定義[10]：

(3)

4) 噴口出流周向動(dòng)能?chē)娍诔隽鞯闹芟蚍炙俣炔划a(chǎn)生推力，周向速度越大周向動(dòng)能也就越大，沒(méi)有利用的能量就越多，推進(jìn)效率也越低.因此，本文引入噴口出流周向動(dòng)能這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)噴水推進(jìn)器出流的好壞，噴口出流周向動(dòng)能的定義：

(4)

式中：Vc為出口面上某點(diǎn)的周向速度值.單位時(shí)間內(nèi)噴口出流動(dòng)能越大，表明出流未利用的能量越多，對(duì)推進(jìn)器的效率越不利.

5) 流道的抗空化性能從流道的壓力分布云圖可初步去分析流道的空化性能[11].

6) 是否有渦流在CFD后處理中作出流道內(nèi)部的流線圖，能夠很清晰的看出流道和第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部是否存在渦流.

3.2進(jìn)水流道的優(yōu)化

3.2.1進(jìn)水流道幾何形狀的優(yōu)化

流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面著手.

1) 將原不規(guī)則的進(jìn)水口改為前端矩形后端橢圓形的進(jìn)水口，進(jìn)水口寬度由原來(lái)的最寬154.5mm改為130mm，見(jiàn)圖6.

圖6　優(yōu)化前后流道進(jìn)水口示意圖

2) 借鑒國(guó)外流道實(shí)例，為消除流道背部渦流，優(yōu)化后的道靠近流道出口處有個(gè)“瓶頸”，在出口前約0.2D處的直徑設(shè)為140mm，小于流道出口直徑154.5mm，見(jiàn)圖7.

圖7　優(yōu)化后流道中剖面示意圖

3) 為避免流道背部發(fā)生空化，將流道背部曲線的斜率減小50%，見(jiàn)圖8.

圖8　流道對(duì)比圖

3.2.2進(jìn)水流道優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

用優(yōu)化后的流道替代原流道，保持推進(jìn)器的噴泵不變，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，在設(shè)計(jì)航速90km/h時(shí)，通過(guò)噴水推進(jìn)器的流量從201kg/s增加到205kg/s，噴水推進(jìn)器的推力效率由原來(lái)的54.3%提高到59.9%，流道效率由原來(lái)的83.9%提高到89.6%，噴泵效率由75%提高到76.9%.

圖9為流道內(nèi)部流線圖.由圖9可見(jiàn)，優(yōu)化后流道背的渦流和流動(dòng)分離已基本消除，流動(dòng)狀態(tài)有了較大改善.

圖9　流道內(nèi)部流線圖

3.3第二級(jí)導(dǎo)葉的優(yōu)化

3.3.1第二級(jí)導(dǎo)葉幾何形狀的優(yōu)化

保持第二級(jí)導(dǎo)葉出口面積不變、軸線投影長(zhǎng)度不變和導(dǎo)流錐不變，多次優(yōu)化第二級(jí)導(dǎo)葉形狀，得到一個(gè)較為理想的第二級(jí)導(dǎo)葉(見(jiàn)圖10b)).第二級(jí)導(dǎo)葉外殼改為旋轉(zhuǎn)體，為消除第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)的周向速度，將第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)導(dǎo)流格柵延伸至錐體.

圖10　第二級(jí)導(dǎo)葉幾何形狀圖

3.3.2第二級(jí)導(dǎo)優(yōu)化后性能的變化

用優(yōu)化后的第二級(jí)導(dǎo)葉替換原第二級(jí)導(dǎo)葉，保持噴泵和進(jìn)水流道不變，在設(shè)計(jì)航速時(shí)，噴水推進(jìn)器的推力效率由54.3%提高到55.8%，噴泵效率由75.0%提高到76.7%，噴口出流的不均勻度下降了4.6%、單位時(shí)間內(nèi)周向動(dòng)能下降了10.6%.

3.4優(yōu)化后噴水推進(jìn)器性能的CFD分析

采用與前文相似的計(jì)算控制域進(jìn)行推進(jìn)器推力性能的數(shù)值計(jì)算，葉輪和導(dǎo)葉采用六面體網(wǎng)格，流道和控制水域采用四面體網(wǎng)格，在流道內(nèi)壁、控制域上表面以及格柵和葉輪軸的表面采用棱柱層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度為0.2mm，對(duì)流動(dòng)劇烈的部位網(wǎng)格進(jìn)行加密，全計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約360萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)約210萬(wàn)，y+控制在200以下，采用剪切應(yīng)力湍流模型(SST模型),進(jìn)口設(shè)為速度，出口設(shè)為opening.

用優(yōu)化后的流道與第二級(jí)導(dǎo)葉同時(shí)替換原噴泵的流道和第二級(jí)導(dǎo)葉，在設(shè)計(jì)航速90km/h時(shí)，噴水推進(jìn)器的推力效率提高了7%，流道效率提高了5.7%，噴泵效率提高了3.3%，流道出口不均勻度降低了0.2%，噴口出流不均勻度降低了7.3%，單位時(shí)間內(nèi)噴口出流周向動(dòng)能降低了17%.

圖11為推進(jìn)器內(nèi)部對(duì)比圖.噴水推進(jìn)器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，內(nèi)部流線平順，流道背部的渦流基本消除.

圖11　推進(jìn)器內(nèi)部流線對(duì)比

圖12為流道中剖面壓力分布對(duì)比圖.由圖12可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，噴水推進(jìn)器流道背部的低壓區(qū)和流道唇部的低壓區(qū)基本消除，流道中剖面上壓力分布更加均勻，流道的抗空化性能得到提高.

從圖13可以看出，優(yōu)化后第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部流線更加平順，底部的渦流也基本消除.

4結(jié)論

1) 文中通過(guò)對(duì)流道和第二級(jí)導(dǎo)葉的優(yōu)化，提高了流道效率、噴泵效率、噴水推進(jìn)器的推力效率，降低了噴水推進(jìn)器的出流不均勻度和周向動(dòng)能，消除了流道背部和第二級(jí)導(dǎo)葉底部的渦流.

圖12　流道中剖面壓力分布圖對(duì)比

圖13　第二級(jí)導(dǎo)葉內(nèi)部流線對(duì)比

2) 前端矩形后端橢圓形的進(jìn)水口能比原不規(guī)則的進(jìn)水口能更好地利用來(lái)流動(dòng)能；適當(dāng)?shù)臏p小流道的過(guò)流面積，不會(huì)降低流道的過(guò)流能力；“瓶頸”形流道能夠較好地消除流道背部的渦流，改善流道的流動(dòng)性能；減小流道背部曲率，能讓水流更平緩的進(jìn)入流道，能避免流道背部壓力過(guò)低；導(dǎo)葉內(nèi)導(dǎo)流格柵能夠有效地降低導(dǎo)葉出流的周向速度.

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖法分類(lèi)號(hào)：U664.33

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.048

收稿日期：2014-09-09

PropulsivePerformanceOptimizingofaWaterjet

CAOYuliangWANGYongshengJINShuanbao

(College of Marine Power, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

Abstract：In order to improve hydraulic performance of a marine waterjet, this paper optimized its inlet duct and second stator, and analyzed its performance by CFD. The power of a mixed-flow pump was calculated by CFD method, the error is less than 1%. This paper also analyzed the performance of a motor boat's SHS1100 waterjet by CFD, the results showed that it had turbulence in the inlet duct and second stator and had large amount of circumfluent energy in the outflow. The paper reduced the cross area and curvature of the inlet duct and redesigned the pump's second stator. Finally, the propulsion efficiency improved by 7%，inlet duct efficiency improved by 5.7%, pump efficiency improved by 3.3%, no-uniformity of nozzle outlet reduced by 7.3%, circumfluent energy of pump outlet reduced by 17%, and turbulence in the inlet duct and pump's second stator had disappeared.

Key words：CFD; waterjet; inlet duct; stator; optimizing

*海軍“十二五”預(yù)研項(xiàng)目資助