噴水推進器推進性能優化研究*

曹玉良　王永生　靳栓寶

(海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

噴水推進器推進性能優化研究*

曹玉良王永生靳栓寶

(海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033)

摘要：為了提高某摩托艇用噴水推進器的推進性能，文中對其流道和導葉進行了優化，運用CFD方法對改進的效果進行分析.以某混流泵為例，對其軸功率進行了CFD計算，不同轉速時CFD計算誤差在1%以內.進而運用CFD方法分析了某摩托艇用SHS1100噴水推進器的水力性能，發現其流道和第二級導葉內存在漩渦、噴口出流存在較大的旋轉能量.從減小流道過流面積，以及流道背部曲率、改變第二級導葉形狀等方面對其進行了優化.使噴水推進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%，第二級導葉出流不均勻度降低了7.3%、出流周向動能降低了17%，并消除了流道和第二級導葉內的渦流.

關鍵詞：噴水推進器；進水流道；第二級導葉；優化；CFD

曹玉良(1988- )：男, 碩士，主要研究領域為噴水推進器設計

0引言

噴水推進技術近年來在國外得到飛速發展，被越來越廣泛地應用到高速性能艦船上.但國內噴水推進器的設計水平還不高，如何設計出滿足抗空化要求并且推進效率高的噴水推進器，越來越成為各噴水推進研究人員關注的焦點.

進水流道作為噴水推進泵從船底吸水的過流通道，進水流道水動力性能優越與否，不但影響到流道內的流動損失從而影響推進效率，也明顯影響出流的質量從而影響噴水推進泵的性能，提高進水流道流動性能對提高噴水推進器整體性能及推進效率具有重要意義.噴水推進器推力等于噴口和進水口的動量差，出流的速度及其分布對噴水推進器的推力具有重要影響，出流的好壞直接關系到噴水推進器的效率[1-3].隨著計算機的快算發展，CFD技術在噴水推進研究中的應用越來越廣泛，不僅用于噴水推進器的性能分析，而且用于噴水推進器的優化設計[4-6].本文運用CFD方法分析某摩托艇用SHS1100噴水推進器的推進性能，發現該噴水推進器的來流和出流存在問題，對該噴水推進器的進水流道和第二級導葉進行優化，運用CFD方法分析優化后的噴水推進器的水力性能，以多項指標對優化的效果加以檢驗.

1國外某混流泵軸功率的CFD計算

噴泵是噴水推進器核心做功部件，由葉輪和導葉組成.為驗證本文所用數值方法的可信性，文中先用CFD方法計算了國外某噴水推進混流泵不同轉速時的軸功率.該噴泵幾何模型見圖1，該泵進口直徑710mm，葉輪為6片，導葉為11片.

圖1　國外某噴泵幾何模型

在數值模擬過程中，葉輪采用J形網格, 導葉采用H形網格，葉輪單通道網格數保持在20萬左右，導葉單通道網格數保持在10萬左右，泵內流場網格總數約300萬，均為六面體網格，y+保持在200以下，數值計算時采用剪切應力模型(SST模型)，總壓進口、靜壓出口，葉輪和導葉表面網格見圖2.

圖2　葉輪和導葉表面網格

不同轉速時軸功率的CFD計算結果見表1(數據進行了單位化)，從表中可以看出，各轉速下混流泵軸功率的CFD計算值與廠家提供值誤差均在1%以內.

表1　混流泵功率計算值與廠家提供數據對比

2SHS1100推力性能分析

某摩托艇用SHS1100噴水推進器葉輪為3片葉片，導葉有6片葉片，噴泵進口直徑D為154.5mm，見圖3.

圖3　SHS1100噴水推進器

采用必須的控制域進行推進器推力性能的數值計算，控制域的長度、寬度和高度分別取噴水推進器進水口直徑的30倍、10倍和8倍[7]，(見圖4).

圖4　控制域示意圖

葉輪和導葉采用六面體網格，流道和控制水域采用四面體網格，在流道內壁、控制域的上壁面以及格柵和葉輪軸的表面采用棱柱層網格，第一層網格厚度為0.2mm，全計算域網格數約350萬，節點數約200萬，y+控制在200以下，對流動劇烈部位的網格進行加密，采用剪切應力湍流模型(SST模型)進行穩態計算，進口設為速度，出口設為opening.通過CFD方法計算出的該噴水推進器在設計轉速6 667r/min下的推力見表2.

表2　SHS1100在設計轉速下的推力

由表2可見,該型噴水推進器的推力效率在設計航速90km/h時僅有54.3%.經過分析，該型噴水推進器主要存在以下問題：(1)流道背部存在渦旋和流動分離；(2)噴泵第二級導葉內部存在渦流；(3)導葉整流效果不佳，噴口出流存在不小的周向旋轉能量.圖5為流線及出口速度分布圖.該噴水推進器流道背部存在渦流和嚴重的流動分離，導致來流動能大量損失在流道內，流道效率低下(見圖a)).在第二級導葉下部存在明顯的渦流(見圖5b)),其出流不均勻、存在周向速度(見圖5c)).

圖5　流線及出口速度分布圖

3SHS1100噴水推進器的優化

3.1流道和導葉的流動性能評價指標

1) 噴水推進器的推進效率部件的優化的最終結果都是為了提高噴水推進器整體的推進效率.如果僅是部件得到優化，而推進效率下降，那么這個優化就沒有意義.通常情況下都是部件越優化，推進效率也越高，但是也存在推進效率得到提高而部件的某個指標變差的情況.推進效率是否提高，以及提高多少，是評價部件優化的最終指標.在缺乏艇體阻力的情況下，本文引入推力效率的概念來評價推進器推進效率的高低，其計算式為

(2)

式中：T為噴水推進器推力；V為航速；P為推進器的收到功率.

2) 流道效率流道效率是衡量進水流道對來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流面總能量之比[8]

(2)

式中：E1，E2分別為流道進流面和出口面的總能量.本文采用長軸為進口寬度1.5～1.9倍的半橢圓形進流面，將進流面的位置取在離流道進口流面切點一個噴泵進口直徑的位置處[9].

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

(3)

4) 噴口出流周向動能噴口出流的周向分速度不產生推力，周向速度越大周向動能也就越大，沒有利用的能量就越多，推進效率也越低.因此，本文引入噴口出流周向動能這一指標來評價噴水推進器出流的好壞，噴口出流周向動能的定義：

(4)

式中：Vc為出口面上某點的周向速度值.單位時間內噴口出流動能越大，表明出流未利用的能量越多，對推進器的效率越不利.

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部的流線圖，能夠很清晰的看出流道和第二級導葉內部是否存在渦流.

3.2進水流道的優化

3.2.1進水流道幾何形狀的優化

流道的優化設計主要從以下幾個方面著手.

1) 將原不規則的進水口改為前端矩形后端橢圓形的進水口，進水口寬度由原來的最寬154.5mm改為130mm，見圖6.

圖6　優化前后流道進水口示意圖

2) 借鑒國外流道實例，為消除流道背部渦流，優化后的道靠近流道出口處有個“瓶頸”，在出口前約0.2D處的直徑設為140mm，小于流道出口直徑154.5mm，見圖7.

圖7　優化后流道中剖面示意圖

3) 為避免流道背部發生空化，將流道背部曲線的斜率減小50%，見圖8.

圖8　流道對比圖

3.2.2進水流道優化前后參數對比

用優化后的流道替代原流道，保持推進器的噴泵不變，進行數值計算，在設計航速90km/h時，通過噴水推進器的流量從201kg/s增加到205kg/s，噴水推進器的推力效率由原來的54.3%提高到59.9%，流道效率由原來的83.9%提高到89.6%，噴泵效率由75%提高到76.9%.

圖9為流道內部流線圖.由圖9可見，優化后流道背的渦流和流動分離已基本消除，流動狀態有了較大改善.

圖9　流道內部流線圖

3.3第二級導葉的優化

3.3.1第二級導葉幾何形狀的優化

保持第二級導葉出口面積不變、軸線投影長度不變和導流錐不變，多次優化第二級導葉形狀，得到一個較為理想的第二級導葉(見圖10b)).第二級導葉外殼改為旋轉體，為消除第二級導葉內的周向速度，將第二級導葉內導流格柵延伸至錐體.

圖10　第二級導葉幾何形狀圖

3.3.2第二級導優化后性能的變化

用優化后的第二級導葉替換原第二級導葉，保持噴泵和進水流道不變，在設計航速時，噴水推進器的推力效率由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%、單位時間內周向動能下降了10.6%.

3.4優化后噴水推進器性能的CFD分析

采用與前文相似的計算控制域進行推進器推力性能的數值計算，葉輪和導葉采用六面體網格，流道和控制水域采用四面體網格，在流道內壁、控制域上表面以及格柵和葉輪軸的表面采用棱柱層網格，第一層網格厚度為0.2mm，對流動劇烈的部位網格進行加密，全計算域網格數約360萬，節點數約210萬，y+控制在200以下，采用剪切應力湍流模型(SST模型),進口設為速度，出口設為opening.

用優化后的流道與第二級導葉同時替換原噴泵的流道和第二級導葉，在設計航速90km/h時，噴水推進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%，單位時間內噴口出流周向動能降低了17%.

圖11為推進器內部對比圖.噴水推進器經過優化，內部流線平順，流道背部的渦流基本消除.

圖11　推進器內部流線對比

圖12為流道中剖面壓力分布對比圖.由圖12可見，經過優化，噴水推進器流道背部的低壓區和流道唇部的低壓區基本消除，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，優化后第二級導葉內部流線更加平順，底部的渦流也基本消除.

4結論

1) 文中通過對流道和第二級導葉的優化，提高了流道效率、噴泵效率、噴水推進器的推力效率，降低了噴水推進器的出流不均勻度和周向動能，消除了流道背部和第二級導葉底部的渦流.

圖12　流道中剖面壓力分布圖對比

圖13　第二級導葉內部流線對比

2) 前端矩形后端橢圓形的進水口能比原不規則的進水口能更好地利用來流動能；適當的減小流道的過流面積，不會降低流道的過流能力；“瓶頸”形流道能夠較好地消除流道背部的渦流，改善流道的流動性能；減小流道背部曲率，能讓水流更平緩的進入流道，能避免流道背部壓力過低；導葉內導流格柵能夠有效地降低導葉出流的周向速度.

參 考 文 獻

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中圖法分類號：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”預研項目資助