噴水推進軸流泵主體設計及性能分析

馬哲樹，吳玉瑋，趙 凱

(1.江蘇科技大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江212003)(2.南通中集罐式儲運設備制造有限公司，江蘇 南通226002)

噴水推進是一種特殊的船舶推進方式，它利用推進泵噴出水流的反作用力推動船舶前進.與傳統的螺旋槳推進相比，噴水推進裝置有許多優勢，例如:推進效率高、抗空化性強、操縱性好、傳動軸系簡單、運行噪聲低、變工況范圍廣和利于環保等優點.這些優點符合未來高性能船舶的發展方向，而噴水推進泵是噴水推進系統的核心部件，其水動力性能決定了噴水推進的技術水平［1－3］，所以在噴水推進的發展歷程中，其實就是對于噴水推進泵的不斷認識和優化.

噴泵的設計中，對于給定的設計參數，確定進水口處的直徑大小、噴口直徑大小、葉輪和導葉體的設計、葉輪與噴泵的布局是設計的前提，這些要求確定之后，便可以設計出來符合要求的噴水推進器.由于和傳統的螺旋槳推進相比，噴水推進的結構更加緊湊、復雜，所以近年來對于噴泵的設計更多采用計算流體力學(computational fluid dynamics，CFD)來進行噴水推進器的設計、分析和優化，CFD為水泵的水動力性能設計的合理性驗證提供一個有效的途徑［4］.文中在給定的設計參數下，對噴水推進泵的主體尺寸進行了數值計算，得到了符合設計要求的噴水推進軸流泵的主體尺寸，然后根據葉輪和導葉體的最優化設計，進一步完善了葉輪和導葉體的結構;最后運用CAD建立幾何模型，導入CFD軟件完成噴泵的性能分析，得到噴泵的流場、速度場和應力分布，更加直觀地檢驗噴泵設計的合理性和可行性，為噴水推進裝置的整體化設計提供一種較為可靠的設計支持.

1 計算方法和設計過程

1.1 噴水推進軸流泵流道設計

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

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，最大輸出功率847.0kW.由船體、柴油機與噴水推進泵三者的平衡關系［5］，得出噴水推進軸流泵的設計參數為流量Q=0.875 m3/s，揚程 H=25.15 m，轉速 n=320 r/min，噴口直徑D1=0.167m.對于軸流泵的設計來說，揚程是最重要的指標之一，所以首先要確定噴泵的揚程H.在選擇噴水推進系統主要參數時，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計.只要噴口的面積A1一旦確定，則整個系統的流量、揚程H的參數也確定了［5］.揚程的關系表達式可以寫成:

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;Q為噴泵流量(m3/s);h1，h2和h0(m)分別為進口管道段、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，設主機功率為N主，則N=η1N主，η1為噴泵聯軸節處的傳送效率.

噴口形狀最重要的影響是使噴口的有效面積發生變化.合理的噴口設計應當在直徑過渡時采用雙紐曲線:

式中:m為橫坐標上最大值.流道后部的導葉體區域應當均勻收縮，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x的變化規律.

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

導葉體出口面積應是進口截面積的0.6～0.8，8片導葉時［6］，取值應為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 軸流泵葉輪和導葉體設計

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系，以保證最優的葉輪安放角度.按照下式的軸面速度，實踐證明最為合適［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.軸流泵比轉速經驗公式:

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

噴泵葉輪數目可根據比轉速C來確定，一般葉片數為3～6，比轉速越高，葉片負載越小的時候，葉片數可以少一些，文中選擇4片葉輪.

葉輪和導葉體之間的間距是為了提高效率和減少空間占用，應當為葉輪葉片隨邊和導葉體葉片導邊選擇合適的軸向距離.葉輪和導葉體處于同一流場中，它們之間的布局對流場產生干涉，距離偏大或者偏小，使葉輪的出流和導葉體進流產生紊亂，從而使動能產生不必要的喪失，并且會更加容易產生渦旋，使空泡現象發生范圍擴大，對于泵體的壽命產生不良影響.文中列舉了葉輪和導葉體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可以看出葉輪和導葉體間距x3為35mm時，噴泵的平均效率η3最高.當葉輪和導葉體的軸向間距達到葉輪直徑的5% ～7%時，噴泵的效率最合適，可以使噴泵效率穩定在92%以上.

圖4 不同葉輪和導葉體間距下的效率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，來設計葉頂間隙.文中假設葉頂間隙 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，處于不同流量時的平均效率η4進行對比(圖5)，得出了合適的葉頂間隙.認為在葉頂間隙達到2.5～3.5 mm之間時，噴泵效率較為合適.

最后采用流體性能較好的NACA66翼型參數，在葉輪和導葉體強度能夠滿足設計要求的前提下進行增厚，葉輪和導葉體如圖6.

圖6 葉輪和導葉體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

針對設計出來完整的噴泵主體參數，利用CAD軟件建立噴泵模型(圖7)，導入到CFD軟件當中進行驗證分析.

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

2.2 模型前處理

采用雷諾時均方法(RANS)求解軸流式噴水推進泵內的流場，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，μt為湍流動力粘性系數.

選擇SST剪切應力輸運模式來對湍流進行模擬，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模式中的低雷諾數公式，兩者之間通過混合函數來過渡.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)中的各個系數代表的意義在文獻［8］中有具體介紹.

計算區域包括進水口、葉輪、輪轂、導葉體、噴水口.葉輪區域的流動較為復雜，是噴泵性能的重要反映，所以計算網格布置較為緊密.流動較為穩定的區域設置網格，在能夠反映流動情況的前提下盡可能的稀疏一些，以便控制合理的網格數目.

采用四面體結構化對網格進行劃分如圖9，葉輪和導葉體分別采用J型和H型拓撲結構，為了真實的反映軸流泵內部流動，對各固體壁面進行了網格加密，葉片壁面的y+控制在80～100之間，在網格劃分的時候，考慮到數值模擬精度和計算機的計算能力.最后網格總數控制在1.35×106左右.圖8為噴泵在設計流量工況下揚程和網格數目的關系曲線.

圖8 不同網格數目下的揚程Fig.8 Pump head of different mesh

圖9 網格劃分Fig.9 Mesh of water-jet axial-flow pump

壁面條件設定為:葉輪和輪轂設為相對靜止壁面條件，其他設為絕對靜止壁面.計算域采用流量進口和壓力出口，如圖10.

圖10 邊界條件設置Fig.10 Boundary condition of numerical simulation

2.3 CFD性能分析

對設計完成的噴泵進行不同流量、轉速下的工作性能進行計算分析.由水力性能表1可知在設計的功率范圍內，揚程、效率在不同的流量下，揚程達到設計要求.根據葉輪進口和噴水口兩處在設計工況下的揚程，得出來的效率也能穩定在90%以上.

表1 設計噴泵的水力性能表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的流場情況，進流口處的水流較為均勻，葉輪段的流場，導葉段的流向由旋轉水流逐漸變為軸向流，說明導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 噴泵內速度截面(單位:m·s-1)Fig.12 Velocity section of water-jet pump(unit:m·s-1)

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

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

由葉輪的應力可以看出葉片背部有明顯的低壓區域，也是最易發生空泡的區域.葉輪段的應力是從進口到出口段逐漸升高，葉片的導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力為均勻過渡，所以說噴泵的設計是合理的.

3 結論

文中運用CAD，CFD軟件對于噴水推進軸流泵進行了較為全面的主體設計，方案行之有效.

1)根據噴水推進泵的系數設計方法先確定噴泵軸向截面的主要形狀，在結合流量、揚程、效率的相關性進行葉輪、導葉體、管道進行最優化的精細設計，在設計過程中提高了設計精度和效率.

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

3)在CFD分析中，采用雷諾時均方法(RANS)求解軸流式噴水推進泵內的流場，選擇SST剪切應力輸運模式來對湍流進行模擬，結果能夠較好地反應噴泵內部的流動細節和工作下的各部件情況.對于進一步的優化和再設計提供了很好的可行性手段.

References)

［1］ 王家新.高速雙體客輪Kamewa噴水推進器的操縱［J］.中國水運，2000，21(11):28 －29.Wang Jiaxin.The control of high-speed double volume ship Kamewa water-jet pump［J］.China Water Transport，2000，21(11):28 －29.(in Chinese)

［2］ 蔡佑林，夏立明，劉建國.噴水推進混流泵流道主參數確定方法與驗證［J］.船舶，2014，146(2):58－61.Cai Youlin，Xia Liming，Liu Jianguo.Determination and verification of major parameters of flow channel for waterjet mixed-flow pumps［J］.Ship，2014，146(2):58 －61.(in Chinese)

［3］ 彭云龍，王永生，靳栓寶.軸流式噴水推進泵的三元設計［J］.中南大學學報:自然科學版，2014，45(6):1812－1818.Peng Yunlong，Wang Yongsheng，Jin Shuanbao.Three －dimensional inverse design method applied to water-jet axial-flow pump［J］.Journal of Central South University:Science and Technology，2014，45(6):1812 － 1818.(in Chinese)

［4］ 施法佳.軸流泵內部流動CFD適用性的研究［D］.上海大學，2006.

［5］ 金平仲.船舶噴水推進［M］.北京:國防工業出版社，1986.

［6］ 吳大轉，王樂勤.高速混流泵汽蝕特性與汽蝕性能改善方法［J］.農業機械學報，2006，37(9):93－96.Wu Dazhuan，Wang Leqin.Study on cavitation behavior of high-speed mixed flow pump and cavitation performance improvement method［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery，2006，37(9):93 －96.(in Chinese)

［7］ 關醒凡.現代泵技術手冊［M］.北京:宇航出版社，1995.

［8］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.