泵噴水推進器分析與設計改進

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(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003;2.江蘇大學流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

泵噴水推進器(waterjet propulsion)作為船用推進裝置，早期人們認為其應用范圍僅限于淺水和小型船舶推進。但是隨著20世紀后期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高速化的發展，泵噴水推進器的適用及需求范圍越來越廣[1]。

泵噴水推進器的主要優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域運行時具有良好的加速性能(推力性能)和吸入性能。與一般水力機械的運行相比，泵噴水推進器運行工況范圍大、平穩性要求更高[2]。泵噴水推進器的水力部件見圖1。

圖1 泵噴水推進器水力結構

本文以經典能量轉換理論為依據，分析某型快艇原噴水推進器動力不足的原因。考慮該快艇的阻力特性、動力配備以及安裝尺寸的限制，設計開發新的噴水推進器。

1 推進器基本能量關系式

泵噴水推進器的相關參數及各參數間的基本計算關系式如下[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——噴水推進泵軸功率，kW；

K1——能量損失系數，最優值K1=(α-1)2。

2 Ja500-80能量分析

某快艇載原動機額定轉速為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器Ja500-80為軸流式，見圖2。試水后發現推進動力不足，無法達到期望的運行船速。

圖2 Ja500-80泵噴水推進器

泵噴水推進器Ja500-80的進口直徑和噴嘴直徑分別為156和80 mm，傳動軸直徑為43 mm，因此α=3.51。則根據式(1)得到推力與流量間的關系，見表1。

表1 泵噴水推進器推力與流量關系

由表1可見，當需要推力為1 500～2 500 N時，泵噴水推進器的流量在366～473 m3/h之間。為了分析該軸流式泵噴水推進器的性能范圍，采用CFD技術對其進行流場仿真。有關CFD技術在噴水推進器中的應用及其精確度，已經有很多相關文獻做過分析[4-5]，這里只給出仿真的結果。圖3所示為CFD仿真得到的泵噴水推進器Ja500-80的能量特性曲線。

由圖3可以看出，Ja500-80最高效率點流量為500 m3/h，高于上述要求的流量范圍，揚程為17.3 m, 效率為60%，比轉速ns=721，軸功率為39.3 kW，滿足船載功率的要求。圖4為泵噴水推進器Ja500-80在最優效率點的流場特性。

此外，Ja500-80的比直徑為

圖3 泵噴水推進器能量特性曲線

圖4 最優效率點軸流式泵噴水推進器Ja500-80的流場

(4)

計算得Dsp=0.854 m，接近軸流式泵噴水推進器的比直徑設計要求，見表2。

表2 比直徑統計數據

由式(3)計算得到泵的揚程應當為H=57 m，該值遠遠大于泵實際具有的揚程，該泵無法在最優工況點工作。這就是為什么快艇無法達到期望船速的原因。同時，由圖4可見，葉輪出口到導葉進口間的流態不太理想，這也是設計改進時所要注意的細節。

3 泵噴水推進器改進設計

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

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

從表1可看出，當需要推力1 500～2 500 N，噴水推進器的流量應該在435～562 m3/h之間。據此確定噴水推進器Jm500-90的額定流量仍然為500 m3/h。由式(3)計算泵的揚程H=31.8 m。以額定參數Q=500 m3/h，H=32 m,ns=455設計新的斜流式噴水推進器，見圖5。

圖5 Jm500-90泵噴水推進器

圖5所示的斜流式泵噴水推進器Jm500-90的外特性數值仿真結果參見圖3，其最高效率點流量為500 m3/h，揚程為32.36 m，效率為74%，與軸流式泵噴水推進器相比效率提高了14個百分點，軸功率為59 kW, 滿足船載功率的要求。圖6為Jm500-90在最優工況點的流場特性，從圖6中可以看出，其導葉與葉輪間的流態要好于Ja500-80的分布。

圖6 最優效率點斜流式泵噴水推進器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中的相應值，即可以設計口徑更小的斜流式泵噴水推進器。但在本項目中安裝尺寸滿足該泵噴水推進器的需要，因此不再設計更小的方案，而且略大的比直徑對加速性能和吸入性能有利。

假定吸入比轉速C=1 200,校核吸入性為

(5)

式中：NPSHr——正吸頭。

計算得到NPSHr=8.5 m，通常即要求有效正吸頭NPSHα>NPSHr+0.3，本項中快艇的運行環境滿足該要求。經更換噴水推進器試水后，快艇的速度和舒適性都達到了期望的要求。

4 結論

到目前為止，泵噴水推進器尚無相應的國家標準，其實驗考核主要是參考葉片泵的行業標準。泵噴水推進器含有葉輪、導葉和噴嘴等多個水力部件，各水力部件主導作用力不同，因此其各自的分析側重點也不一樣。本文針對某快艇運行不能滿足期望要求這一問題，依據經典理論對原有泵噴水推進器進行了分析計算并通過現代CFD分析技術對經典計算及設計進行了數值仿真。在改型設計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器的揚程提高其自身的動力，通過調整噴嘴特性使推進器在最優工況點工作，改進了泵噴水推進器設計和性能。試水試驗表明改進設計使快艇的運行達到了期望的要求。

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

[2] 倪永燕.基于統計數據的泵外特性預測方法分析及應用[J].水泵技術，2011(1)：6-11.

[3] 金平仲.船舶噴水推進[M].北京：國防工業出版社，1986.

[4] 聶沛軍，王永生，李 翔.125SII型噴水推進泵水動力性能的CFD預報研究[J].中國艦船研究，2010,5(6):70-74.

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