耿浩涵， 王宗龍，2， 夏華猛， 馮 超， 鄒 旭

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011）

0 引 言

在提高噴水推進(jìn)泵水動力的同時需要降低推進(jìn)泵的水動力噪聲，前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵是隨著艦艇降噪技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種新泵型［1］。與傳統(tǒng)的后置導(dǎo)葉推進(jìn)泵相比，前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲低等特點(diǎn)，因此，前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵被越來越多的國家重視，并應(yīng)用于多種艦艇［2］。在前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵研究領(lǐng)域，董新國等［3］從噴水推進(jìn)理論出發(fā)，形成了前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵推進(jìn)性能預(yù)報(bào)方法，為推進(jìn)泵性能預(yù)報(bào)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考；楊衛(wèi)國等［4］根據(jù)基于徑向變環(huán)量分布的軸流泵設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵多項(xiàng)參數(shù)的選取和設(shè)計(jì)步驟；馮超等［5］采用水力性能試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法研究了靜動間距對前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵水力性能的影響；戴原星等［6］基于CFD對前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵進(jìn)行了外特性曲線預(yù)報(bào)；李鵬程等［7］基于三元可控速度矩法對前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)；彭云龍等［8］對前置導(dǎo)葉與后置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵的水動力性能進(jìn)行了對比研究，分析了兩者水動力性能上的差異。

在光學(xué)測量領(lǐng)域中，激光多普勒測速儀（LDV）是利用激光多普勒效應(yīng)來測量流體或固體運(yùn)動速度的一種儀器，由于其具有非接觸測量、線性測量和快速動態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)［9-11］，近年來，LDV在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于流動測量實(shí)驗(yàn)中［12-16］。相對于前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵水動力的宏觀設(shè)計(jì)，目前學(xué)者對其流場流速精細(xì)化實(shí)驗(yàn)測量研究較少。本文以前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)軸流泵為研究對象，基于噴水推進(jìn)泵綜合性能試驗(yàn)臺，通過LDV分別測量兩種靜動間距下噴水推進(jìn)泵導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉出口、葉輪進(jìn)口和葉輪出口處流場的軸向速度，來研究靜動間距對前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵軸向流速的影響，為前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵的水動力優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 測量系統(tǒng)工作原理

LDV是利用運(yùn)動微粒散射光的多普勒頻移來獲得速度信息，當(dāng)運(yùn)動微粒的尺寸足夠小且跟隨性良好時，運(yùn)動微粒的速度可以代表并反映流體的速度。光學(xué)性質(zhì)完全一致的2 支激光束的相交區(qū)域稱為控制體，在控制體中存在著一組明暗相間的干涉條紋，當(dāng)運(yùn)動粒子以速度uy穿過控制體中的干涉條紋區(qū)時，就會向空間任意方向散射出明暗相間的光信號，這樣就會得到與運(yùn)動粒子的速度呈正比的多普勒信號，其關(guān)系式［9］如下：

式中：fD為多普勒頻移頻率；uy為光束平面內(nèi)垂直于交角平分線方向的速度；κ 為光束的1/2 交角度；λ 為激光波長。

LDV主要由激光器、分光器、發(fā)射/接收探頭、信號處理器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所構(gòu)成，系統(tǒng)組成如圖1 所示。根據(jù)采集到的多普勒頻移頻率，通過交角度κ 和激光波長λ，由式（1）便可求得運(yùn)動粒子的速度，即得到流場的流速。

圖1 LDV測量系統(tǒng)示意圖

2 噴水推進(jìn)泵軸向流速測量

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)測量對象為前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)模型泵（推進(jìn)泵外徑D=300 mm），推進(jìn)泵主要由導(dǎo)流帽、導(dǎo)葉和葉輪組成。在靜動間距L分別為0.3D和0.1D兩種情況下，于推進(jìn)泵導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉出口、葉輪進(jìn)口和葉輪出口處分別選取測線。于模型泵軸線處建立坐標(biāo)系，在每條測線上由輪轂外壁向殼體內(nèi)壁方向分別布置4 個測量點(diǎn)（R1=75 mm、R2=100 mm、R3=125 mm和R4=145 mm）。在額定工況（轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，流量Q=0.42 m3/s）下，通過LDV采集各測量點(diǎn)的軸向速度。

圖2 前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)模型泵三維模型圖

2.2 測量裝置

測量實(shí)驗(yàn)是在中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院噴水推進(jìn)泵綜合性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行的，試驗(yàn)平臺主要由閉式水泵試驗(yàn)臺和噴水推進(jìn)模型泵組成，如圖3 所示。

圖3 噴水推進(jìn)泵綜合性能試驗(yàn)臺示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)測量現(xiàn)場圖

實(shí)驗(yàn)中LDV采用的是TSI激光多普勒測速系統(tǒng)，主要由激光器、分光器、發(fā)射/接收探頭、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號處理器和FlowSizer 分析處理軟件組成。在實(shí)驗(yàn)測量中，激光器發(fā)射出具有高方向性、高亮度以及波長較單純的光束，分光器將激光器發(fā)射出來的1束激光分成1 對單色光束，并再利用探頭將成對的單色光束打到測量區(qū)域相交形成控制體，實(shí)驗(yàn)測量現(xiàn)場如圖4（a）～4（e）所示。接收光路系統(tǒng)接收經(jīng)過控制體的粒子所產(chǎn)生的散射光，并通過光電轉(zhuǎn)換模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成可檢測的電信號。數(shù)字信號處理器對電信號進(jìn)行處理，把多普勒信號從噪聲中分離出來并精確地對多普勒頻率測量進(jìn)行測量。FlowSizer分析處理軟件通過火線與數(shù)字信號處理器相連，該軟件提供旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動測量模塊，使得噴水推進(jìn)泵內(nèi)流場流速測量得以實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)lowSizer 分析處理軟件如圖4（f）所示。LDV系統(tǒng)對運(yùn)動粒子的采樣直接決定了軸向流速測量的精確度，為了確保軸向流速測量的精確度，基于軸流泵運(yùn)轉(zhuǎn)的額定工況對LDV的采樣參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，具體參數(shù)的設(shè)置：采集粒子數(shù)最大值為10 ×104，光電倍增管電壓為480 V，脈沖閾值為40 mV，帶通濾波為0.3 ～3 MHz，信噪比為Very Low。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在靜動間距（葉輪與導(dǎo)葉的軸向間距）為0.1D和0.3D情況下，通過LDV測得導(dǎo)葉進(jìn)、出口測線上R1～R4處流場的軸向速度，速度分布規(guī)律如圖5 所示。圖5 中橫坐標(biāo)為相位角，縱坐標(biāo)為無量綱軸向速度。為了便于分析軸向速度在噴水推進(jìn)泵上不同徑向位置的分布規(guī)律，如圖6 所示，把測得的軸向速度取均值，得到導(dǎo)葉進(jìn)口和導(dǎo)葉出口測線上R1～R4處流場軸向速度的均值分布，并把軸向速度數(shù)值除以管路流速均值進(jìn)行無量綱化。圖6 中橫坐標(biāo)為測量點(diǎn)徑向位置尺寸，縱坐標(biāo)為無量綱軸向速度。圖7 為通過LDV測得葉輪進(jìn)、出口測線上R1～R4處流場的軸向速度分布圖；圖8 為葉輪進(jìn)、出口處軸向速度無量綱均值分布圖。

圖5 導(dǎo)葉處軸向流速分布

圖6 導(dǎo)葉處軸向流速均值

圖7 葉輪進(jìn)口處軸向流速的分布

圖8 導(dǎo)葉處軸向流速均值

從圖5（a）可以看出，導(dǎo)葉進(jìn)口處各個測量點(diǎn)上的軸向速度無明顯波動，近似呈水平線分布，靜動間距0.1D所對應(yīng)的軸向速度大于靜動間距0.3D所對應(yīng)的軸向速度，隨著靜動間距的增大，導(dǎo)葉進(jìn)口處的軸向速度有所減小。從圖6（a）可以看出，導(dǎo)葉進(jìn)口處的軸向速度均值隨著測量點(diǎn)徑向位置尺寸的增大而減小，這是因?yàn)殡S著流體向泵外殼壁面靠近，流體與壁面的摩擦力作用增強(qiáng)，導(dǎo)致靠近壁面的軸向流速有所下降。

從圖5（b）可以看出，當(dāng)靜動間距為0.3D時，導(dǎo)葉出口處各個測量點(diǎn)上的軸向速度無明顯波動，近似呈水平線分布。隨著葉輪與導(dǎo)葉軸向間距的減小，導(dǎo)葉出口處的軸向速度更易受到葉輪做功的影響，如圖5（b）所示，當(dāng)靜動間距減小為0.1D時，導(dǎo)葉出口處各個測量點(diǎn)上的軸向速度呈現(xiàn)出周期波動且波動周期數(shù)與葉輪葉片數(shù)一致。當(dāng)靜動間距為0.1D時，如圖6（b）所示，導(dǎo)葉出口處的軸向速度均值隨著測點(diǎn)徑向位置的增大而減小，這是因?yàn)殡S著測量點(diǎn)徑向位置的增大，流體受到泵外殼壁面摩擦力的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致流速減小。當(dāng)靜動間距為0.3D時，在徑向位置75 ～125

mm（測量點(diǎn)R1～R3）范圍內(nèi)導(dǎo)葉出口處的軸向速度均值隨著測點(diǎn)徑向位置的增大而減小，而在徑向位置145 mm（測量點(diǎn)R4）處軸向速度均值有所增大，這也許是葉梢間隙干擾流場造成的。

從圖7 可以看出，當(dāng)靜動間距分別為0.1D和0.3D時，葉輪進(jìn)口和葉輪出口處的軸向速度均呈現(xiàn)出明顯的周期波動且波動周期數(shù)與葉輪數(shù)一致。在葉輪進(jìn)口處，靜動間距0.1D所對應(yīng)的軸向速度的波動振幅略大于靜動間距0.3D所對應(yīng)的軸向速度的波動振幅；在葉輪出口處，靜動間距0.1D所對應(yīng)的軸向速度的波動振幅略小于靜動間距0.3D所對應(yīng)的軸向速度的波動振幅。綜上分析可知，在額定工況下，相對于靜動間距0.3D所對應(yīng)的葉輪出口處軸向流速，當(dāng)靜動間距為0.1D時，葉輪出口處軸向流速更為穩(wěn)定，因此在前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵中葉輪與導(dǎo)葉的軸向間距不宜過大。

從圖8 可知，隨著測量點(diǎn)徑向位置的增大，葉輪進(jìn)、出口處的軸向速度均值先增大后減小，且靜動間距0.1D所對應(yīng)的軸向速度均值分布和靜動間距0.3D所對應(yīng)的軸向速度均值分布相近，因此在靜動間距0.1D～0.3D范圍內(nèi)葉輪與導(dǎo)葉的軸向間距對葉輪進(jìn)、出口處軸向速度的均值影響較小。

4 結(jié) 論

本文以前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)軸流泵為研究對象，通過LDV測得了噴水推進(jìn)泵在兩種動靜間距下導(dǎo)葉進(jìn)口、導(dǎo)葉出口、葉輪進(jìn)口和葉輪出口處的軸向速度，實(shí)現(xiàn)了噴水推進(jìn)泵流場軸向速度的可視化并對比分析了靜動間距對軸向流速的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）額定工況下，在靜動間距0.1D～0.3D范圍內(nèi)，導(dǎo)葉進(jìn)口處軸向速度無明顯波動且速度大小隨著靜動間距的減小而增大。當(dāng)靜動間距從0.3D縮小到0.1D時，導(dǎo)葉出口處的軸向速度呈現(xiàn)出較為明顯的周期波動，因此靜動間距的縮小減弱了導(dǎo)葉出口處軸向流速的穩(wěn)定性。

（2）額定工況下，在靜動間距0.1D～0.3D范圍內(nèi)，葉輪進(jìn)、出口處的軸向流速均呈現(xiàn)出明顯的周期波動，且波動周期數(shù)與葉輪的葉片數(shù)一致；隨著半徑距離的增大，葉輪進(jìn)、出口處軸向流速的均值先增大后減小。在葉輪出口處，與靜動間距0.3D所對應(yīng)的軸向流速相比，靜動間距0.1D所對應(yīng)的軸向流速更為穩(wěn)定，因此在前置導(dǎo)葉噴水推進(jìn)泵的水力設(shè)計(jì)中葉輪與導(dǎo)葉的軸向間距不宜過大。