實尺度浸沒式噴水推進泵設計參數選擇與性能分析

彭云龍，王永生，曹玉良，靳栓寶，劉承江，易文彬

（海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033）

實尺度浸沒式噴水推進泵設計參數選擇與性能分析

彭云龍，王永生，曹玉良，靳栓寶，劉承江，易文彬

（海軍工程大學 動力工程學院，武漢 430033）

為設計某浸沒式噴水推進泵，以某小型軸流式噴水推進泵為對象建立浸沒式噴射模型，采用CFD方法模擬分析浸沒噴射對噴泵水力性能的影響。研究表明，浸沒式噴射對噴泵水力性能的影響變化不大。根據噴水推進和船體邊界層基本理論，考慮噴泵工作環境不同時的水力特性變化，基于Matlab/simulink仿真平臺建立浸沒式噴水推進泵水力設計參數選型程序，實現快速高效地得到噴泵基本設計參數為設計者提供設計依據。根據選型結果運用三元理論設計出所需噴泵，運用CFD方法獲取浸沒式噴泵的敞水水力性能，并安裝到實尺度船上預報推進性能，結果表明浸沒式推進系統具有較高的推進效率、滿足快速性要求，驗證了設計參數選型程序的適用性。

浸沒式；噴水推進；噴泵；選型；設計

0 引 言

關于浸沒式噴水推進國外早在上世紀九十年代就開始了相關研究，1994年德國JAFO公司在BMBF資助下研制了名為“線性噴泵（Liner-Jet）”的浸沒式噴水推進器來作為平底高速船舶的推進系統，并在德國波茨坦造船試驗研究所進行了試驗，后續經優化后推進效率達到70%[1]。2005年Rolls-Royce公司研制的完全水下噴射的Advance Waterjet21（AWJ-21TM）噴水推進器進行了模型試驗，并在美國先進電力演示艦上進行了評估，其研究表明浸沒式噴水推進器可進一步提高推進效率和降低推進器噪聲[2-4]。德國的Voith公司近年正在研發新型水下噴射大功率噴水推進器，主要用于航速在25-40節之間的船舶，具有推進效率高、高航速區域寬、振動噪聲性能好等優點[5]。

本文研究分析浸沒式噴水推進器水下噴射的工作特點，并借助噴水推進基本理論和船體邊界層基礎理論等基于Matlab/simulink仿真建模平臺建立了一套浸沒式噴水推進泵設計參數選型程序。此程序通過各相關參數之間的迭代運算可以快速得出一組滿足一定設計要求的噴水推進泵基本設計參數。根據選型參數，利用三元理論設計了一型浸沒式噴水推進泵，運用計算流體力學方法（CFD）進行裸泵水力性能（敞水性能）和“船體+流道+噴泵”推進性能分析，結果表明設計浸沒式噴泵滿足船舶快速性要求，同時校核了選型程序的適用性。

1 某噴水推進泵水力性能分析

以國外某噴水推進混流泵為對象進行水力性能分析，驗證數值計算方法的可信性。該泵進口直徑710 mm，葉輪6片，導葉11片。葉輪單通道網格數20萬，導葉單通道網格數10萬，泵內流場網格總數約300萬，均為六面體網格，葉輪扭曲度較大、采用J型拓撲結構，導葉采用H拓撲結構，葉片周圍采用O型網格，葉頂間隙用獨立的H型網格嵌入到周圍的O型網格之中[6]。

基于Ansys CFX 12.0軟件，采用工程上應用廣泛的雷諾時均法，選取SST湍流模型來封閉控制方程，利用隱式耦合求解技術同時求解動量方程和連續方程，來對泵內部流場進行數值模擬。SST模型結合了兩種模型的優點，在近壁面區域調用κ-ε模型模擬，收斂性好，而在湍流充分發展區域調用κω模型模擬，計算效率高[7]。動靜交界面的數據交換利用MFR[8]方法處理，Y+保持在185以下。邊界條件為總壓進口，靜壓出口。該泵幾何以及葉輪、導葉的網格如圖1所示。

圖1 噴水推進泵的幾何和網格Fig.1 Geometry and mesh of a waterjet pump

用CFD計算預報不同轉速下該混流泵軸功率值，與廠家提供的實測值比較差別均在1%以內，如表1所示，這間接證明了本文所用數值方法的可信性。

表1 混流泵功率的CFD計算值與廠家提供值對比Tab.1 Difference of power between CFD and company data

2 浸沒式噴水推進泵選型程序搭建

2.1 浸沒式與艉板式噴水推進器的結構差異

浸沒式噴水推進泵設計參數的選擇既依賴于工作環境，同時也受到噴水推進器其它部件的作用和影響，所以要研究浸沒式噴泵的工作特性首先要明確浸沒式與艉板式噴水推進器在結構、工作環境上的不同。

傳統尾板式噴水推進器水流是由安裝在艉板上的噴口噴出，而浸沒式是完全水下噴射，噴泵是以較大深度浸沒于水線以下的，這是兩者結構上的最大不同，見圖2。浸沒式噴水推進器結構如圖3所示，主要由進水流道、噴水推進泵、噴口和轉向倒車機構四部分組成。尾板式噴水推進器的流道是單獨設計，安裝在船體內部，船底邊界層在進入噴泵葉輪之前會經過進水流道的整流。而浸沒式噴水推進器的流道與船底槽道是結合為一體的，這使得噴泵可以充分利用船底邊界層，同時也對船體尾部型線優化和槽道的設計提出了更高要求。噴泵、噴口及轉向倒車機構布置在船底吊艙內，結構更緊湊。吊艙、流道和船體集成在一起，進水流道以進流能量損失最小、進流更均勻來構型，吊艙以整體阻力最小來構型，以達到浸沒式噴水推進器大功率、高航速的設計要求。

圖2 艉板式和浸沒式噴水推進器示意圖Fig.2 Comparison between stern and submerged waterjet

圖3 浸沒式噴水推進器結構圖Fig.3 Components of submerged waterjet propulsion

與常規艉板式噴水推進器相比，浸沒式的吊艙結構大大減少了推進器整體濕重重量，節省了船體內部占用空間。性能上浸沒式結構設計增加了進水口的進流壓頭，有效降低了進水流道唇部等部位空化的風險，也改善了泵的空化性能，同時避免流道內因位置提高和流向改變而造成的流動損失。水下噴射縮短了船舶水面尾跡；吊艙外殼對噴口水下射流噪聲有一定的屏蔽作用；推進器外形與船體整體設計使得軸系更短，減小了軸系在沖擊負載下的振動；這些都使浸沒式噴水推進器比艉板式的水下輻射噪聲更低。

2.2 浸沒式噴射對噴泵水力性能的影響

以某小型噴水推進軸流泵為對象，研究浸沒式噴射對噴泵水力性能的影響。噴泵葉輪進口直徑155.5 mm，噴口直徑87 mm，比轉速684，設計流量200 kg/s，葉輪3片，導葉5片，噴泵幾何見圖4。

在上述幾何的基礎上，采用六面體網格分別對葉輪、導葉、噴口進行網格劃分。在網格劃分時平衡數值模擬精度和計算速度之間的關系，考慮到網格無關性，根據經驗葉輪單通道節點數10萬，導葉單通道節點數7萬[9]。葉輪為旋轉區域，葉輪葉片和輪轂設為相對靜止壁面條件，葉輪外殼為絕對靜止壁面條件，導葉、噴口及進口直管為靜止區域。裸泵計算域見圖5。

圖4 某小型軸流泵幾何與網格Fig.4 Geometry of axial waterjet pump

圖5 水上裸泵性能計算域Fig.5 Control domain of pump

浸沒在水下的裸泵計算方法與螺旋槳敞水特性方法類似，將噴泵完全置于充滿水的控制域中，見圖6（a）。泵前長度1.5 m，泵體后長度3.5 m，控制域垂直深度2 m，泵軸線距水面高度1 m，以此來排除控制域壁面和水面對泵水力性能的影響。將噴泵置于水下時考慮到噴泵內外均有流場的實際情況，對泵外殼進行了加厚處理，見圖6（b）。湍流模型也選用SST模型，整個計算模型加載隨深度而產生的壓力變化及重力影響。

圖6 噴泵完全浸沒在水中Fig.6 Pump submerged in water

本文以流量Q、揚程H、功率P和效率η等主要水力參數指標來表征噴泵的水力性能，其中流量Q為單位時間內流經噴泵流體的質量流量；揚程H為噴泵噴口與進口流面流體總壓之差；力矩N為噴泵內所有旋轉部件產生的力矩；功率P為葉輪、輪轂等旋轉部件消耗軸功率：

式中：N為力矩（N·M），n為噴泵轉速（rev/min）；效率η為噴泵吸收軸功率對流體做功使其獲得能量增加值占軸功率的比例，效率越高表明噴泵做功過程中的水力損失越少：

式中：Q為質量流量（kg/s），g為重力加速度，H為揚程（m），P為軸功率（kW）。

利用水上水下兩種模型模擬了設計轉速不同流量下的水力性能，圖7為空氣中噴射與浸沒式噴射時噴泵效率對比，從圖中可以看出，浸沒式噴射時噴泵效率略高于空氣中噴射。圖8為空氣中噴射與浸沒式噴射噴泵軸功率對比圖，浸沒式噴射軸功率偏小，但相差幅度不是很大。計算結果表明在相同轉速下，無論是功率還是效率，浸沒式噴射時的變化趨勢都與空氣中噴射時的變化趨勢相同。初步認為這主要是由于泵在水下工作時周圍流體產生的背壓場是對泵整個工作場作用的，進流與噴射壓力作用相互抵消，所以噴泵水下和空氣中的工作特性沒有出現較大差異。

圖7 噴泵效率對比圖Fig.7 Difference of efficiency

圖8 噴泵軸功率對比圖Fig.8 Difference of power

2.3 浸沒式噴水推進泵選型程序化實現

浸沒式噴泵設計首要工作是選擇噴泵設計指標即噴泵選型，選型程序的目的即是實現此功能。

噴泵與船體是相互影響的，所以合理的“船—泵”匹配關系才能充分發揮推進器的效用。對噴泵進行選型我們首先要獲得船體的一些相關數據如船體阻力、邊界層特征、主機功率、額定轉速，齒輪箱減速比等，然后根據噴水推進基本理論和泵設計知識通過循環迭代計算得到泵的設計基本參數和條件限制，包括泵揚程、設計流量、汽蝕比轉速、泵比轉速和噴口直徑等。選型思路流程見圖9。

船體對噴泵的影響具體講需要考慮船體邊界層和進水流道對噴泵的影響。因為船體邊界層內流速是小于邊界層外流速的，而流道進流面全部或部分處于船底邊界層內，所以合理地確定噴泵工作流量必須要考慮船體和流道的影響。

根據上述選型程序設計思路，結合浸沒式與艉板式噴水推進器結構上和噴射環境上的差異，利用Matlab搭建仿真模塊實現程序化，見圖10。選型目標參數見表2。

圖9 浸沒式噴泵選型流程圖Fig.9 Flow chart of submerged waterjet pump parameters selection

圖10 浸沒式噴水推進泵選型程序Fig.10 Simulation model for calculating main design parameters of submerged waterjet

表2 選型結果部分參數Tab.2 Some design parameters of submerged waterjet pump selection

表2中推進效率定義為

式中：R為裸船阻力，VS為船舶航速，P為噴泵消耗功率；汽蝕比轉速為標志泵抗空化性能的無因次指標。

3 浸沒式噴水推進泵設計與船后泵性能分析

3.1 浸沒式噴水推進泵水力設計

根據以上選型程序得到泵的設計參數，基于泵的三元設計理論進行水力設計[7，10]。浸沒式軸流噴水推進泵進口直徑2 m，軸向長度3 m，葉輪6葉片，導葉11葉片。采用SST湍流模型，六面體結構化網格對各部件進行網格劃分，網格總量為300萬，壁面Y+值小于185，滿足湍流模型對壁面流動的模擬要求。噴泵葉輪及導葉網格如圖11所示。

利用有限元計算軟件Ansys CFX 12.0，計算得到均勻進流時該泵水流性能（簡稱為敞水泵水力性能）曲線如圖12。噴泵最高效率點達到92%，且葉輪葉片表面壓力處導邊處外大部分都低于空化壓力，即沒有大面積空化發生，見圖13，且水下工作背壓增大更有利于空化性能的改善。

圖11 浸沒式噴泵網格Fig.11 Mesh of the submerged waterjet pump

圖12 浸沒式噴泵水力性能Fig.12 Hydrodynamic performance of submerged waterjet pump

3.2 實尺度船后泵性能預報

得到裸泵性能后，將浸沒式噴泵安裝到120 m實尺度船數值模型上計算航速30節下船體的阻力、噴泵推力和軸功率，對“船+流道+泵”的推進性能進行數值模擬。整個計算域長度為5倍船長，船頭前部1倍船長，船艉后3倍船長，計算域寬度為2.5倍船長（圖14）。采用VOF的方法來追蹤自由液面，湍流模型選用SST模型，對流項離散選用二階離散格式。采用四面體和六面體網格劃分結合的方式進行網格劃分，船體周圍局部小區域用四面體網格劃分，外部區域用六面體網格劃分，整體計算區域網格量總數為2.2千萬。船體網格如圖15所示。由于兩臺浸沒式噴水推進器布置相對船體中心面對稱，為減小計算時間，計算時只對一半結構進行流場計算。

圖13 浸沒式噴泵空化驗證Fig.13 Cavitation validation of submerged pump

圖14 “船+泵+流道”計算控制域Fig.14 Whole computational domain of‘ship+pump+inlet’

圖15 船體網格Fig.15 Mesh of ship

裝船后計算結果見表3，噴泵流量略微偏離設計流量，效率91%，船體推進效率為65%，這說明按選型方法設計出的噴泵是滿足工程實際需要的，選型程序具有較強的適用性。圖16為船體30節航行周圍興波，由圖17可以看出葉輪導葉匹配良好，泵內部流動順暢無渦流損失。

表3 “實船+流道+噴泵”計算結果Tab.3 Result of whole propulsion system simulation

圖16 船體興波Fig.16 Wavemaking of ship

圖17 流經噴泵的整船流線Fig.17 Streamline through submerged pumps

表4是安裝于船艉的浸沒式噴水推進泵（簡稱船后泵）與敞水泵性能對比，受船體對噴水推進器的作用影響[11]，可以看出船后泵的軸功率、揚程略有增大，效率有所降低，但差別不超過3%。噴泵裝船后，由于船底邊界層的影響進流不均勻度增加，因此軸功率增加效率降低。

表4 浸沒式噴泵裝船后水力性能變化Tab.4 Comparison bewteen pump and after ship pump

4 結 論

（1）分析浸沒式噴水推進與艉板式噴水推進在結構和工作環境上的差別。采用CFD方法分析了浸沒式噴射對噴水推進泵水力性能的影響。在設計轉速下與常規噴射相比，浸沒式噴射的噴水推進軸功率和效率的變化都很小。

（2）借助MATLAB/simulink仿真平臺搭建浸沒式噴水推進泵水力設計參數選型程序，利用該程序可快速高效得到滿足一定條件要求的浸沒式噴泵設計參數，也可研究單一參數對泵選型結果的影響，有利于實現浸沒式噴水推進泵的系列化選型設計。借助某船型為例，按選型結果設計浸沒式噴水推進泵，并對其進行了實尺度“船+流道+噴泵”的數值模擬，推進效率達到65%，驗證了選型程序的適用性。

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Full scale submerged waterjet pump parameters selection and numerical evaluation of propulsive performance

PENG Yun-long,WANG Yong-sheng,CAO Yu-liang, JIN Shuan-bao,LIU Cheng-jiang,YI Wen-bin
(College of Marine Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

To design submerged waterjet pump,a submerged jet model of axial waterjet pump was established to analyze the difference between above water and under water using CFD method.Study shows that the change of hydraulic property is tiny.Based on theory of waterjet and ship boundary layers,considering pump’s working circumstance,a program was developed to choose main parameters of submerged pump by Matlab/simulink,which provided reference to pump designer.A submerged pump was designed by threedimension theroy according to the result of the program.The results show that the pump has good propulsive performance,and the program fits engineering requirement.

submerged;waterjet;pump;selection;design

U664.33

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.08.003

1007-7294（2016）08-0947-07

2016-03-01

國家自然科學基金青年基金（51209212，51309229）；國防科技“十二五”預研

彭云龍（1989-），男，博士研究生，E-mail:flydragonboys@163.com；王永生（1955-），男，教授，博士生導師。