面向中低速船的浸沒式噴水推進(jìn)技術(shù)

蔡佑林 張 恒 陳 剛 邱繼濤 汲國瑞 王建強

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

噴水推進(jìn)是利用推進(jìn)泵噴產(chǎn)生的高速射流與進(jìn)流動量差形成推力，進(jìn)而驅(qū)動船舶航行的推進(jìn)方式，具有高航速時推進(jìn)效率高、水動力噪聲低及操縱性優(yōu)異等特點，廣泛應(yīng)用于新型高速船舶[1-2]。該類船舶尾部艙容較大，可以在艙內(nèi)布置多臺噴水推進(jìn)裝置。21 世紀(jì)以來，隨著中低速船舶對推進(jìn)裝置效率、操縱性與弱尾跡要求的日益提升，浸沒式噴水推進(jìn)裝置也隨之誕生。該類裝置對艉部艙容沒有要求，泵體可以露出于船體以外，噴口完全浸沒在水下。浸沒式噴水推進(jìn)裝置如圖1 所示。

圖1 浸沒式噴水推進(jìn)裝置

美國在著名的DDG1000 驅(qū)逐艦總尺度的1/4試驗艇海噴號上應(yīng)用了代號AWJ-21 的浸沒式噴水推進(jìn)裝置。公開資料表明，AWJ-21 是為提高船舶航速而設(shè)計的，應(yīng)用后可使船體更加光順，工作時沒有舵、軸系和螺旋槳支架。AWJ-21 推進(jìn)系統(tǒng)效率低于同等級的螺旋槳，但綜合考慮螺旋槳系統(tǒng)的附體阻力后，AWJ-21 優(yōu)于螺旋槳，不僅在相同航速下可減少4%功率，而且AWJ-21 在重負(fù)荷領(lǐng)域表現(xiàn)更佳[2]。德國福伊特（Voith）公司近年推出了布置于船底的推進(jìn)器，稱為線性推進(jìn)器，如圖2 所示。

圖2 福伊特公司的線性推進(jìn)器

福伊特公司稱該推進(jìn)器適用于20 ~ 40 kn 航速范圍，目前已經(jīng)應(yīng)用于1 艘21 m 的海上風(fēng)電場保障船[3]。由圖2 可見，該推進(jìn)器更像帶導(dǎo)葉的導(dǎo)管槳，操縱機構(gòu)為螺旋槳的平板舵。從導(dǎo)葉形狀看，該推進(jìn)器誘導(dǎo)的周向誘導(dǎo)速度不高，用泵的術(shù)語表達(dá)，即比轉(zhuǎn)速高。

盡管國外有浸沒式噴水推進(jìn)裝置相關(guān)產(chǎn)品及應(yīng)用的報道，但由于牽涉到商業(yè)技術(shù)保密的原因，報道均未涉及技術(shù)，而國內(nèi)尚處于研究階段。本文基于傳統(tǒng)噴水推進(jìn)理論，針對該型式，從概念、效率、裝置與船體的相互影響、泵型參數(shù)等方面開展分析論證，結(jié)合案例分析，建立水動力數(shù)學(xué)模型并掌握相關(guān)規(guī)律，為具體工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 浸沒式噴水推進(jìn)

傳統(tǒng)噴水推進(jìn)裝置整體布置于船艙內(nèi)部（如圖3 所示）。裝置軸線與船體水線平齊，通過裝置的進(jìn)口流道將水從船底吸入推進(jìn)泵。這種型式的噴水推進(jìn)裝置需要船體尾部線型足夠豐滿，能完全容納推進(jìn)裝置。當(dāng)船體尾部型深不足時，泵體下部必然露出船底板，浸沒式噴水推進(jìn)裝置便應(yīng)運而生。

圖3 典型尾板式噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖

圖4 是由本院設(shè)計的典型浸沒式噴水推進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見：浸沒式噴水推進(jìn)裝置上部包絡(luò)于船體內(nèi)，下部從船體露出，噴口完全位于船體水線以下。

圖4 典型浸沒式噴水推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖

與噴水推進(jìn)的水線噴射相比，該結(jié)構(gòu)水下噴射尾跡弱[4]，進(jìn)口流道型式為半沖壓式，長度與彎度小于尾板式，損失較小。

2 推進(jìn)效率

推進(jìn)效率為泵效率與管道系統(tǒng)效率的乘積，公式與推導(dǎo)過程如下：

根據(jù)噴水推進(jìn)推力方程，船體阻力與推力相等[5]，阻力R為：

按照目前技術(shù)水平，推進(jìn)泵效率可達(dá)到88%。提升推進(jìn)效率的關(guān)鍵是系統(tǒng)效率，根據(jù)推力與管道損失公式可得系統(tǒng)效率表達(dá)式，見式（6）。

其中，根據(jù)管道系統(tǒng)能量平衡方程，管道系統(tǒng)損失為推進(jìn)泵需要提供的揚程H可由下述算式獲得：

以上公式及推導(dǎo)過程中：T為推力，N；ρ為流體密度，kg/m3；Q為管道系統(tǒng)流量，m3/s；V0為船速，m/s；k為噴速比，k=Vj/V0；α為邊界層動量影響系數(shù)；β為邊界層動能影響系數(shù)，β≈α2；k1為進(jìn)口流道損失；kj為噴口損失系數(shù)。

由式（6）可見，系統(tǒng)效率與航速沒有顯性關(guān)系，只與噴速比、邊界層影響系數(shù)、進(jìn)口損失和噴口損失有關(guān)。當(dāng)噴速比k為1.4 ~ 1.5 時，系統(tǒng)兼具高效與小尺度。與此同時，浸沒式裝置的進(jìn)口流道為半沖壓型，長度短，進(jìn)口損失k1小于尾板式。

3 推進(jìn)裝置與船體相互影響

浸沒式噴水推進(jìn)也存在船與推進(jìn)裝置間的相互影響現(xiàn)象，船體伴流對推進(jìn)裝置的影響在式（6）中充分體現(xiàn)。傳統(tǒng)尾板式噴水推進(jìn)裝置的進(jìn)口流道采用平進(jìn)口，吸收的邊界層流體較多，船體伴流對推進(jìn)裝置進(jìn)口動量影響較大，α相對較小；浸沒式噴水推進(jìn)裝置的進(jìn)口流道為較短的半沖壓式，吸收船體邊界層低速流體較少，α較尾板式略大。

與螺旋槳相同，噴水推進(jìn)裝置對船體的影響也由推力減額體現(xiàn)。對于螺旋槳船舶而言，由于船后螺旋槳的抽吸作用，槳盤前方的水流速度增大而壓力降低，使螺旋槳抽水作用所及的船尾部壓力均下降，整個船體壓差阻力增大。對于噴水推進(jìn)船舶而言，其進(jìn)速比IVR一般小于1，即推進(jìn)裝置水流有減速增壓作用，同時船后噴射流也能增加船尾壓力，噴水推進(jìn)對船體的推力為推力增額，這也是噴水推進(jìn)裝置在高航速時效率高的原因之一。對于浸沒式噴水推進(jìn)裝置而言，由于推進(jìn)裝置有一部分在船體外，高航速時附體阻力顯著增加[6]，因而適用于25 kn 以下的中低速船舶。

4 泵型選擇

比轉(zhuǎn)速ns是水泵水動力特性的綜合判別數(shù)。離心泵的比轉(zhuǎn)速一般小于300，混流泵的比轉(zhuǎn)速為300 ~ 700，軸流泵的比轉(zhuǎn)速為500 ~ 2 000。[7-8]流量轉(zhuǎn)速相同的條件下，比轉(zhuǎn)速高則揚程低。對于噴水推進(jìn)而言，推力大小由泵的流量與揚程產(chǎn)生的高速噴射流決定。對于高速船，除較大的流量外，還需要較高揚程以提高噴射速度，泵型一般為轉(zhuǎn)速較低的混流泵；對于中低速船，因噴射速度相對低，故不需要過高揚程，泵型一般選擇比轉(zhuǎn)速較高的軸流泵。比轉(zhuǎn)速在2 000 以上時，揚程過低，周向誘導(dǎo)速度小，一般不需要設(shè)置回收能量的導(dǎo)葉，這時推進(jìn)泵型式便演化為導(dǎo)管槳或者螺旋槳。

根據(jù)水泵比轉(zhuǎn)速的定義：

水泵揚程為：

定義管道損失系數(shù)：

式中：進(jìn)速比IVR為泵進(jìn)口速度比船速，一般為0.6 ~ 1.0；KQ為水泵流量系數(shù)，一般為0.65 ~ 0.9；n為推進(jìn)泵轉(zhuǎn)速，r/min；D0為泵特征直徑，m。

由式（8）與式（9）可得，噴水推進(jìn)的進(jìn)速系數(shù)[9]：

將流量系數(shù)與進(jìn)速比代入式（8）可得，噴水推進(jìn)的進(jìn)速系數(shù)一般為0.83 ~ 1.9，高于螺旋槳船的進(jìn)速系數(shù)。等航速與轉(zhuǎn)速下，噴水推進(jìn)的規(guī)格尺度小于螺旋槳。

由式（6）、（7）、（10）與（11）可得，以船與推進(jìn)器特征參數(shù)描述的比轉(zhuǎn)速為：

式（13）表明：在船體阻力確定的條件下，航速低的船需要比轉(zhuǎn)速高的推進(jìn)泵，選擇比轉(zhuǎn)速高的推進(jìn)泵能相應(yīng)降低推進(jìn)裝置規(guī)格尺度；在給定航速的條件下，阻力大的船推進(jìn)泵比轉(zhuǎn)速高；噴速比k大，特征直徑D0小。因此，浸沒式噴水推進(jìn)適用于25 kn 以下中低速船舶，所應(yīng)用的推進(jìn)泵比轉(zhuǎn)速在1 000 以上。

5 案例分析

針對某船，根據(jù)其18 kn 時的阻力開展模型浸沒式噴水推進(jìn)方案論證。模型長約6 m，對應(yīng)航速2.66 m/s、阻力121 N，配2 臺推進(jìn)泵，考慮附體阻力后的單泵推力為62.9 N。取噴速比k=1.45，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，邊界層動量影響系數(shù)α=0.95，邊界層動能影響系數(shù)β=0.9，進(jìn)口損失系數(shù)k1=0.05，推力減額0.04，推進(jìn)泵效率88%。計算過程與結(jié)果分別見表1 與表2。

表1 不同噴速比下的管道系統(tǒng)計算表

表2 不同泵轉(zhuǎn)速下的推進(jìn)泵規(guī)格

表1 為管道系統(tǒng)水動力參數(shù)隨噴速比的變化，噴速比范圍為1.41 ~ 1.50，此區(qū)域兼具系統(tǒng)效率與規(guī)格尺度。由表1 可見，隨著噴速比增加，管道系統(tǒng)總損失增大、流量減小，在泵效不變的條件下，系統(tǒng)效率與推進(jìn)效率下降。以當(dāng)前的設(shè)計水平，推進(jìn)泵水力模型效率可達(dá)88%，按88%計算。管道系統(tǒng)參數(shù)隨噴速比的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 管道系統(tǒng)參數(shù)隨噴速比的變化趨勢

表2 為給定噴速比k=1.45 時，泵參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化。流量系數(shù)取0.78，給定兩參數(shù)的條件下，隨著轉(zhuǎn)速的降低，比轉(zhuǎn)速降低而直徑增大。進(jìn)速比在0.9 附近進(jìn)口流道效率較高，此時轉(zhuǎn)速920 r/min，比轉(zhuǎn)速1 274。換算至標(biāo)準(zhǔn)模型，流量0.51 m3/s、揚程4.26 m、功率24.14 kW。圖6 反映了泵特征參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢。

圖6 泵特征參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢

6 結(jié) 論

本文針對浸沒式噴水推進(jìn)裝置，從推進(jìn)效率、裝置與船體的相互影響、適用的泵型等方面開展機理分析，首次建立了以船體與推進(jìn)裝置主要參數(shù)描述的比轉(zhuǎn)速及噴水推進(jìn)船進(jìn)速系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，論證了其應(yīng)用的航速與推進(jìn)泵比轉(zhuǎn)速范圍，并通過案例進(jìn)行驗證，掌握了裝置主要參數(shù)隨噴速比與轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）船體航速對推進(jìn)泵管道系統(tǒng)效率影響不明顯，系統(tǒng)效率只與噴速比、管道進(jìn)口與噴口損失及船體伴流相關(guān)。在選擇合適的噴速比與高效的推進(jìn)泵情況下，低速船應(yīng)用浸沒式噴水推進(jìn)裝置能實現(xiàn)高效推進(jìn)。

（2）浸沒式噴水推進(jìn)裝置適用的航速范圍為10 ~25 kn。航速高于25 kn 時，推進(jìn)裝置露出于船體外的部分阻力過大，間接降低了推進(jìn)效率；航速低于10 kn時，比轉(zhuǎn)速過高，超出了泵的范圍，實為螺旋槳。

（3）推進(jìn)泵比轉(zhuǎn)速與航速的精確匹配是浸沒式噴水推進(jìn)裝置的關(guān)鍵，航速與比轉(zhuǎn)速成反比例關(guān)系。航速25 kn 時，推進(jìn)泵比轉(zhuǎn)速應(yīng)在1 000 左右；航速10 kn 時，比轉(zhuǎn)速約為1 800。通過增加比轉(zhuǎn)速，能降低推進(jìn)裝置的規(guī)格尺度。

（4）噴水推進(jìn)的進(jìn)速系數(shù)高于螺旋槳船的進(jìn)速系數(shù)，在相同航速與轉(zhuǎn)速下，噴水推進(jìn)的規(guī)格尺度小于螺旋槳。