噴水推進裝置在船上的配置數與布置研究

周加建，李貴斌，張志遠，尹曉輝，劉雪琴

(1. 噴水推進技術重點實驗室，上海 200011；2. 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

大功率噴水推進裝置已在世界范圍內得到廣泛應用[1]，國內正在建造的鋁合金高速客滾船“平潭之星”號裝備的噴水推進裝置單機已達到9.1 MW。但國內這些船很大一部分都是國外設計或整船進口的，因為國內很多船舶設計師對噴水推進裝置了解還不多，噴水推進裝置推力產生的原理和測試技術[2-3]，以及在船上的配置數與布置和常規螺旋槳存在較大的差異，因此帶來諸多疑問。本文主要探討并回答有關噴水推進裝置選型與裝船應用最常見的問題。

1 噴水推進裝置的數量配置

相似的噴水推進裝置的功率和空化余量應該滿足以下公式：

式中：N1和N2為功率；n1和n2為轉速；D1和D2為名義直徑；NPSH1和NPSH2為空化余量。

相似的噴水推進裝置若運行于相同的航速下，則它們應該具備相同的空化余量，那么：

把式（3）代入式（1），可以得到：

假設把1 臺噴水推進裝置的功率平均分配給滿足上述要求的m臺相似的噴水推進裝置，即N1=mN2，代入式（4），可以得出：

那么m臺噴水推進裝置和1 臺噴水推進裝置的重量比為：

根據式（6），把1 臺噴水推進裝置功率平均分配給2、3、4 臺噴水推進裝置，噴水推進裝置的總重將下降為原有的約71%，58%，50%。噴水推進裝置著名生產商KaMeWa 公司的技術專家魯爾夫·斯文森（Rolf Svensson）提到過典型的例子，對一艘40 kn 左右的渡船來說，如果在設計時采用4 臺噴水推進裝置代替2 臺噴水推進裝置的話，其總重量(包括噴水推進裝置內的水)占全船排水量的比例將從6%下降到4.5%[4]。實際的工程經驗和以上推導分析結果完全吻合。

根據式（4），不同數量噴水推進裝置占據尾板面積相同，但是假如推進裝置并排布置，那么根據式（5），噴水推進裝置數量增加后，需要更大的尾板寬度。相同總功率的1，2，3，4 臺噴水推進裝置需要尾板寬度之比約為1∶1.4∶1.7∶2。

根據以上結論，尾板的面積決定了能安裝多少臺噴水推進裝置，由于“品”字形等疊加的布置方式比較困難且罕見，所以尾板寬度是噴水推進裝置布置數量的最大影響因素。在尾板寬度允許的條件下，應該盡量布置更多噴水推進裝置以減輕重量。因為噴水推進裝置位于船的最后端，對整船重量重心和縱傾的影響也比較大，所以噴水推進裝置的數量對高速船的快速性有重大影響，需謹慎權衡抉擇。

2 噴水推進裝置的軸線高度

如圖1 所示，噴水推進裝置一般安裝于船體尾部艙室，從船底進流，穿過尾板向船后噴射，所以噴水推進裝置軸線是穿越尾板的，這和螺旋槳船存在較大的差異。

一般要求噴水推進裝置的軸線不高于輕載靜吃水線，否則可能影響該噴水推進裝置的靜止啟動。柴油機的最低穩定轉速一般為額定轉速的30%左右，軸線不高于靜吃水線時，可確保噴水推進裝置在最低穩定轉速時就可以完成自吸和噴水。在工作中，曾接到報告船在主機接排時不噴水的故障，經調查發現是船尾的設備裝載臨時撤除后導致軸線高于水線的原因。

如果噴水推進裝置的軸線過高，就可能需要拉高發動機的轉速才能實現靜止啟動，或在航行中借助航速的來流沖壓來完成啟動。后一種情況僅針對用于加速的噴水推進裝置。由于提高水位需要額外做功，因此噴水推進裝置的軸線若高于水線，將會降低推進效率。

為了在尾板上布置噴水推進裝置，隨著軸線淹沒于水線下的深度增加，則要求尾板處的吃水要增加，如圖1 中dA。但尾板吃水對噴水推進船的性能有較大影響，需權衡設計。

圖1 噴水推進裝置布置示意圖Fig. 1 Waterjet propulsion unit layout

3 噴水推進船的尾板吃水

低速時，噴水推進船尾板后的水流無法隨船體底部和兩舷側水流向后脫離船體，所以在船尾部形成大量漩渦。這些漩渦和噴射流相互作用，并和伸出尾板的噴水推進泵和操舵倒航機構碰撞摩擦，將產生附體阻力。噴水推進船如果僅開展阻力船模試驗時，那么船體模型上一般不會制作出噴水推進泵和操舵倒航機構；即使開展自航船模試驗，那么船體模型上會安裝噴水推進泵，但一般也不會安裝操舵倒航機構。目前按照這些試驗方法，無法準確計入尾板脫水前的附體阻力，最終這些附體阻力可能會被計入推力減額中。

當航速提高到一定程度，船尾部的水流具有足夠的速度慣性，沿著船體底部和兩舷側迅速脫離船體，在船尾形成一個空穴凹陷，這時噴口噴出的水柱將直接噴在空穴的空氣中，如圖1 所示。

一般認為，水線長弗汝德數Fr>0.4～0.5 以后，方尾船才會發生水流突離的尾板脫水現象[5-6]。但Doctors 通過一系列試驗發現，以方尾處的吃水dA為長度參數的弗汝德數Frd是一個更為重要的衡量參數，認為方尾船完全脫水的Frd下限值為2.5[7]。尾板吃水弗汝德數公式為：

式中：Frd為尾板吃水弗勞德數，無量綱；Vs為船的航速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；dA為尾板處的吃水，m。

減小尾板處的吃水dA有利于尾板盡早脫水，消除噴水推進船的附體阻力。

表1 為參與研制的2 艘噴水推進船試航時船尾板脫水情況的觀察對比。

表1 兩型船尾板脫水時的參數比較Tab. 1 Parameter comparison between two ships for transom un-wetting

2 艘船的排水量幾乎相同，A 船的主船體比B 船略長。A 船安裝4 臺同型噴水推進裝置，B 船安裝2 臺同型噴水推進裝置。2 艘船的總裝機功率相當，設計航速是B 船略高于A 船。A 船和B 船噴水推進裝置尺度之比約為1∶1.5，接近所提的1∶1.4 的比例。由于A 船的噴水推進裝置較小，所以它的船尾吃水dA也較小，該船尾板在18 kn 左右就脫水了，此時長度弗汝德數Fr還不到0.4，尚處于排水狀態。其尾板吃水弗汝德數僅為2.6，逼近Doctors 所述的2.5 下限值。

B 船的主船體要窄很多，無法布置更多噴水推進裝置，所以單臺噴水推進裝置的尺寸就比較大，導致船尾吃水較深，尾封板在航速27 kn 時才完全脫水，這時船已經從排水狀態進入到過渡狀態了。

分析可知，為使船尾板盡快脫水，噴水推進裝置安裝法蘭下方的尾板區域應盡量減少。這樣還會帶來一個好處，噴水推進裝置倒航時的噴射水流更少地噴濺到尾板造成倒航力損失，倒航噴射水流與船尾板、船底板的相對位置關系如圖2 所示。

圖2 噴水推進裝置倒航噴射水流示意圖Fig. 2 Waterjet reversing jet flow

但是噴水推進裝置下方的尾板區域經常要考慮截流板的安裝空間，如圖3 所示。噴水推進船通常航速較高，高航速段易使船舶產生尾傾，通過截流板的伸出可在尾部產生足夠的升力以有效降低尾傾、減少阻力。截流板的不同組合還可用于調節高速船的其他姿態，包括橫傾、橫搖和縱搖，甚至可用于操舵[8]。

圖3 噴水推進裝置和截流板的緊湊布置Fig. 3 Compact layout of waterjets and interceptors

噴水推進船和螺旋槳船相比，尾部取消了諸如尾軸架、舵等附體，從減阻的觀點看是有利的，但船的航向穩定性也相應變差了。噴水推進裝置下方尾板底部空間的減少，必然要減少船尾部的側投影面積，這將會加劇船舶航向穩定性的負面效果。如果尾部側投影面積確實損失比較多的話，可以通過在尾部布置分水鍾、固定鰭等方式來改善，如圖4 所示。在試驗研究方面，目前國內在拖曳水池中開展了利用平面運動機構研究噴水推進船航向穩定性的試驗和分析[9]。

圖4 分水鍾、尾鰭布置示意圖Fig. 4 Deadwood or skeg layout

4 噴水推進裝置軸線間距

4.1 進流寬度和最大法蘭直徑對噴水推進裝置軸線間距的限制

船舶航行時，從前方沿船底流進噴水推進裝置的水流寬度范圍一般為進口流道寬度的1.6～2.0 倍。航速較低時，船底水流是加速進入噴水推進裝置進口流道，表現為“吸水”，進流寬度較寬；航速增加后，進流寬度會逐漸減少，航速較高時，水流是自己沖入進口流道，而且是減速。為防止相鄰2 臺噴水推進裝置發生“搶水”問題，工程設計上，軸線間的最小間距一般不推薦小于1.8D（D為噴水推進裝置名義直徑，通常等于進口流道寬度）。

噴水推進泵的最大法蘭直徑依據不同泵型(混流泵和軸流泵)，其變化范圍在1.3D～1.7D，均小于進流限制的1.8D，正常情況下不是影響布置的主要因素。例如圖3 舷側2 臺噴水推進裝置的軸線間距已經逼近1.8D的下限，但其混流泵型的尾板處最大法蘭之間仍有空檔。

4.2 操舵倒航機構對噴水推進裝置軸線間距的限制

噴水推進裝置操舵倒航機構對軸線間距的限制更大。目前噴水推進裝置的操舵倒航機構主要有蝶形和廂形2 種形式，如圖5 和圖6 所示。

圖5 蝶形操舵倒航機構Fig. 5 Butterfly-type steering and reversing gear

廂形操舵倒航機構的倒航斗和方向舵是集成在一起的，操舵時倒航斗是和方向舵一起轉動的，所以其相鄰2 臺噴水推進裝置向內操滿舵互不干涉才是布置的約束條件（見圖6）。目前廂式操舵倒航機構要求噴水推進裝置軸線間距一般為2.3D～2.5D，極限的能設計為2.1D。當然沒有操舵倒航機構（加速型噴水推進裝置）就不受這個限制，或者可以通過硬件或軟件的方法實現相鄰操舵倒航機構的同步動作，也可以解除這個限制。例如圖3 中，該型操舵倒航機構異步操舵不干涉的最小軸間距為2.1D，中間2 臺噴水推進裝置軸間距為2.5D，不受限制；舷側2 臺噴水推進裝置軸間距接近1.8D，通過控制系統的軟件設置為同步運動。

圖6 廂形操舵倒航機構Fig. 6 Box-type steering and reversing gear

5 其他布置相關問題

噴水推進裝置在運行中吸氣，將引起功率和推力瞬時下降[10]。因此噴水推進裝置進口流道的進水口要布置在即使在航行中各種船體姿態下也不易吸氣的區域（對于多體船尤需強調）。

噴水推進裝置進水口的附近和前方獲流區域的一定范圍應避免布置船上其他設備的吸水口或排水口，以及可能引發渦流的附體。

單體船舷側的噴水推進器更容易吸氣和吸入異物，特別是橫傾或橫搖時，布置噴水推進裝置和設計尾部線型時需考慮。

6 結 語

根據以上分析和討論，針對噴水推進裝置在船上的配置數以及布置問題可以得出以下結論：

1）在船上空間允許的條件下，應該盡量布置更多數量的噴水推進裝置以減輕總重量。

2）一般要求噴水推進裝置的軸線不高于輕載靜吃水線，這樣在各種裝載情況下，都不會影響噴水推進裝置的靜態自吸啟動。

3）在滿足截流板布置空間的條件下，應盡量減少尾板吃水，讓尾板盡早脫水，以縮小尾板后噴水推進裝置在尾流中形成附體阻力的航速范圍。

4）為避免進流相互干擾，各噴水推進裝置軸線間的最小間距一般不推薦小于1.8D，如配置操舵倒航機構，最小間距可能還需增大。