噴水推進泵選型設計時工作參數和幾何參數計算

聶建棟，朱朝峰

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噴水推進泵選型設計時工作參數和幾何參數計算

聶建棟，朱朝峰

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢 430061）

作為推進裝置中的一個主要部件，噴水推進泵在選型設計上與傳統的泵差別很大，其工作參數的確定必須建立在推進系統分析的基礎上，由設計航速下系統的最高噴射效率決定最佳噴速比，由額定轉速和駝峰阻力處航速對應的工況點的抗空化性能來設定泵設計轉速，并且要滿足主機功率的要求。在已知設計航速和船體阻力曲線的條件下，引入8個假定參數后，計算得到了泵的5個工作參數值；由比轉速和吸口比轉速建立工作參數和幾何參數之間的聯系，進而求得轉子進、出口直徑和噴口直徑等主要設計參數。

船舶 噴水推進泵 選型設計 工作參數 幾何參數

0 前言

當泵用作船舶推進器時，它應當滿足水動力推進器的一般要求：保證船舶推進的設計航速；推進裝置總的推進效率盡可能高；巡航航速到設計航速區間推進器效率較高且變化平緩。

與陸用水泵相比，噴水推進泵的效率和抗空化性能要求更嚴。并且，為了產生盡可能大的推力，泵流量相對較大，尺寸和重量也限制較嚴，從而使得推進泵比轉速較高、功率密度較大。與該要求相適應的現代船用噴水推進泵主要為單級混流泵或者是比轉速更高的軸流泵。噴水推進泵作為噴水推進裝置中的主要部件，其運轉參數必須匹配推進裝置的運轉參數，進而由運轉參數所決定的泵的主要設計參數也要兼顧推進裝置的結構和布置要求。

本文針對噴水推進泵在設計使用時上述考慮因素，選取計算初始設計階段泵的運轉參數和主要設計參數，為船用噴水推進泵的自主設計迭代程序開發奠定基礎。

1 噴水推進泵運轉參數確定

常見艉板式噴水推進器如圖1所示，由進水流道、噴水推進泵、噴口和操舵倒航機構四部分組成。通常在分析噴水推進器直航狀態下推進性能時不考慮操舵倒航裝置。常用的噴口形狀有收縮型噴口和平行喉部噴口兩種[2]。在噴水推進器性能分析時通常假定為平行喉部噴口，使射流收縮截面面積正好等于噴口出流面積[2,3]，如圖2所示，即認為截面⑦與⑥重合。

泵的設計任務就是在一定的轉速下，通過一定的能量頭的提升來產生特定的流量。噴水推進泵的設計目標進一步轉換為產生軸向推力。推進泵轉速、體積流量、軸向推力和泵進口能量頭的抗空化裕度（Net Positive Suction Head）組合描述了泵的運轉工況。

1.1設計時已知條件和假定條件

通常噴水推進器在選型設計時給出的已知條件有：

初始設計時，還需要假定以下幾個參數：

1.2工作參數計算

1）根據噴水推進系統的效率公式求取設計航速下的最佳噴速比

設計噴水推進器時，一個基本要求是滿足設計航速下的噴射效率在最佳噴射效率附近。噴射效率將噴水推進泵的運轉參數與“船-泵-機”組成的推進裝置運轉參數有機地結合起來。噴射比是決定噴射效率最重要的參數[3]，其定義為：

則噴水推進器噴射效率為：

根據動力裝置能量的傳遞關系[5]，考慮推力減額系數，得到噴水推進系統總的推進效率為：

由式（9）可初步確定考慮一定的速度滑差后的軸轉速，或者是決定多臺主機的功率分配及相應的軸轉速，作為下文選取泵轉速時的一個校核標準。

比轉速用來統一泵的各性能參數，通常以此來劃分泵的類型，其定義為：

高質量的噴水推進泵對應的比轉速值通常比較高。在泵揚程和流量一定時，高比轉速即對應為高的軸轉速，輸入功率一定時，對應的力矩小，意味著設計的泵更小、更輕，費用也更少。

在不考慮流體張力強度、泵工作時間和流體中未溶解氣體的影響時，泵內空化初生區域對應為壓力低于流體汽化壓力區域[12]。通常采用凈正吸頭（Net Positive Suction Head)參量來描述空化，用來表征進入泵流體的抗空化裕度，定義為：

其中，單位為m。泵空化初生時吸口比轉速對應一個特定的臨界值，直接反映了泵的抗空化性能。噴水推進器廠商（包括KaMeWa公司）通常采用等吸口比轉速值在推進性能圖譜上劃分噴水推進泵的工作區域，用以界定泵產生空化與否以及空化發生的程度[3]。運轉參數確定時，泵進口值為一常數，其值也為一定值。

進而由比轉速可以確定泵的類型。同時，由式（15）可求得泵轉速的上限值，結合本節第一步中對所需主機功率的分析，可初步確定泵設計轉速。

在一組假定參數下，把泵的運轉范圍用吸口比轉速對航速而以泵轉速為參變量的曲線表示，如圖7所示。這里假定值與設計值相同。由圖7可知：航速為零時，三種轉速下的泵吸口比轉速值均超過上限一定范圍，在設計時需要引起注意；在轉速為880 rpm、駝峰阻力處航速約為20 kn時，，空泡已經非常嚴重，設計時空化性能的上限點就應該取在設計轉速下駝峰阻力對應的航速處。若僅從抗空化能性講，該設計流量下轉速定為800 rpm最優。取圖7中同樣的3個假定參數值再加上，在設計航速50 kn下，由圖6-b查得最佳噴速比為，噴射效率為，則由（4）式得噴口速度，代入（11）式和（12）式，求得比轉速為2.82，屬于混流泵，此時轉速取為800 rpm，并且認為單臺泵功率滿足推進要求。最后根據式（15）求出泵吸口比轉速值，即確定了噴水推進泵的運轉參數。

2 噴水推進泵主要設計參數計算

2.1運轉參數和設計參數之間的關系

仍然取上面分析得到的混流泵進行設計參數計算。混流泵轉子和定子軸面輪廓參量定義如圖8所示。用于推進的混流泵在幾何尺寸上較陸用泵通常有一些額外的限制，比如：

根據圖8中定義參數，可得：

將式（17）分別代入式（12）和（15），建立運轉參數和設計參數之間的聯系：

式（18）反映了轉子進口形狀與出口外徑之間的關系，式（19）反映了轉子進口形狀與吸力面局部低壓區之間的聯系。若設計泵為軸流泵時，轉子進出口直徑相等，式（18）和（19）可進一步簡化。

2.2主要幾何參數計算

噴水推進泵轉子進口直徑與進水流道出口直徑相等。進水流道存在能量損失，分析時可將管道中流動的能量損失歸入到參數內，對應的范圍約為0.1～0.3，從屬于前文給出的分析范圍。則轉子進口平均速度為：

從而得到轉子進口直徑為：

噴口直徑會直接影響到泵最佳工作點的確定[3]。由流量和噴口速度即可求得噴口直徑：

其余轉子葉片設計參數和定子設計參數可參照文獻給出的采用速度系數法或者是相似換算法得到的計算程序進行迭代計算。最后在參數確定時還需要兼顧考慮噴水推進泵的額外限制因素。

3 結論

噴水推進泵的設計目標與傳統陸用泵差別很大。作為推進裝置中的一個主要部件，其運轉參數的選擇必須依賴于推進系統分析。由系統的最高推進效率決定最佳噴速比，由額定轉速和駝峰阻力航速對應的工況點的抗空化性能來設定泵設計轉速，同時要滿足主機功率的要求。

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Calculation of Operating Conditions and Geometry Parameters for Waterjet Pump Design

Nie Jiandong, Zhu Chaofeng

(Naval Representatives Office in No.438 Factory, Wuhan 430061, China)

As a main component of the propulsion system, there are significant differences in the selection and design of the waterjet pump from conventional pump, and its operating conditions must lay the foundations for performances in propulsion system. The optimum jet velocity ratio is selected on the basis of the maximum jet efficiency of the propulsion system under design vessel speed, and the rotating speed is determined after considering the cavitation characteristics under the hump-drag condition for which design rotational speed is required, and the engine power is mated at the same time. Given design speed required and ship’s resistance-speed curve, after 8 assumed non-dimensional parameters are introduced, and the pump operating conditions are determined with 5 parameters. The main geometry parameters of the pump can be rationally linked to the operating conditions by the specific speed and the suction specific speed, so that the rotor inlet and outlet diameter, nozzle diameter can be calculated, and additional geometric constraints for a waterjet pump and its power density and weight are all considered at last when the design parameters are determined.

ship waterjet pump; selection and design; operating conditions; geometry parameters

TQ04

A

1003-4862（2015）03-0059-07

2014-12-18

聶建棟（1981-），男，工程師。研究方向：船舶機械。