泵噴水推進(jìn)器分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

，

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

泵噴水推進(jìn)器(waterjet propulsion)作為船用推進(jìn)裝置，早期人們認(rèn)為其應(yīng)用范圍僅限于淺水和小型船舶推進(jìn)。但是隨著20世紀(jì)后期TSL(techno super liner)船、 SES(surface effect ship)船、水翼艇以及高速渡輪等高性能船舶為代表的海上輸運(yùn)高速化的發(fā)展，泵噴水推進(jìn)器的適用及需求范圍越來(lái)越廣[1]。

泵噴水推進(jìn)器的主要優(yōu)勢(shì)為通常航速下具有低能耗、高效率、小型化以及船在低速區(qū)域運(yùn)行時(shí)具有良好的加速性能(推力性能)和吸入性能。與一般水力機(jī)械的運(yùn)行相比，泵噴水推進(jìn)器運(yùn)行工況范圍大、平穩(wěn)性要求更高[2]。泵噴水推進(jìn)器的水力部件見(jiàn)圖1。

圖1 泵噴水推進(jìn)器水力結(jié)構(gòu)

本文以經(jīng)典能量轉(zhuǎn)換理論為依據(jù)，分析某型快艇原噴水推進(jìn)器動(dòng)力不足的原因。考慮該快艇的阻力特性、動(dòng)力配備以及安裝尺寸的限制，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新的噴水推進(jìn)器。

1 推進(jìn)器基本能量關(guān)系式

泵噴水推進(jìn)器的相關(guān)參數(shù)及各參數(shù)間的基本計(jì)算關(guān)系式如下[3]。

T=ρQ(Vj-Vm)=ρQVm(α-1)

(1)

P=ρgQH/(1 000ηp)

(2)

(3)

式中：T——推力，N；

ρ——流體密度，kg/m3；

Q——流量，m3/s；

H——揚(yáng)程，m；

Vj——噴嘴出口處射流速度，m/s；

Vm——吸入管路平均流速，m/s；

α——射流速度比vj/vm；

ηp——泵效率；

P——噴水推進(jìn)泵軸功率，kW；

K1——能量損失系數(shù)，最優(yōu)值K1=(α-1)2。

2 Ja500-80能量分析

某快艇載原動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，最大輸出功率約為65 kW，巡航阻力為2 000 N左右。該艇初始裝備噴水推進(jìn)器Ja500-80為軸流式，見(jiàn)圖2。試水后發(fā)現(xiàn)推進(jìn)動(dòng)力不足，無(wú)法達(dá)到期望的運(yùn)行船速。

圖2 Ja500-80泵噴水推進(jìn)器

泵噴水推進(jìn)器Ja500-80的進(jìn)口直徑和噴嘴直徑分別為156和80 mm，傳動(dòng)軸直徑為43 mm，因此α=3.51。則根據(jù)式(1)得到推力與流量間的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 泵噴水推進(jìn)器推力與流量關(guān)系

由表1可見(jiàn)，當(dāng)需要推力為1 500～2 500 N時(shí)，泵噴水推進(jìn)器的流量在366～473 m3/h之間。為了分析該軸流式泵噴水推進(jìn)器的性能范圍，采用CFD技術(shù)對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)仿真。有關(guān)CFD技術(shù)在噴水推進(jìn)器中的應(yīng)用及其精確度，已經(jīng)有很多相關(guān)文獻(xiàn)做過(guò)分析[4-5]，這里只給出仿真的結(jié)果。圖3所示為CFD仿真得到的泵噴水推進(jìn)器Ja500-80的能量特性曲線。

由圖3可以看出，Ja500-80最高效率點(diǎn)流量為500 m3/h，高于上述要求的流量范圍，揚(yáng)程為17.3 m, 效率為60%，比轉(zhuǎn)速ns=721，軸功率為39.3 kW，滿足船載功率的要求。圖4為泵噴水推進(jìn)器Ja500-80在最優(yōu)效率點(diǎn)的流場(chǎng)特性。

此外，Ja500-80的比直徑為

圖3 泵噴水推進(jìn)器能量特性曲線

圖4 最優(yōu)效率點(diǎn)軸流式泵噴水推進(jìn)器Ja500-80的流場(chǎng)

(4)

計(jì)算得Dsp=0.854 m，接近軸流式泵噴水推進(jìn)器的比直徑設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2。

表2 比直徑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由式(3)計(jì)算得到泵的揚(yáng)程應(yīng)當(dāng)為H=57 m，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泵實(shí)際具有的揚(yáng)程，該泵無(wú)法在最優(yōu)工況點(diǎn)工作。這就是為什么快艇無(wú)法達(dá)到期望船速的原因。同時(shí)，由圖4可見(jiàn)，葉輪出口到導(dǎo)葉進(jìn)口間的流態(tài)不太理想，這也是設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)所要注意的細(xì)節(jié)。

3 泵噴水推進(jìn)器改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)Ja500-80的計(jì)算分析，可以看出，其揚(yáng)程不能滿足要求，因此無(wú)法使快艇達(dá)到期望的船速。為了提高噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程，主要從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是增加噴嘴的口徑，從而減小噴水推進(jìn)器的噴射速度頭；二是將軸流式葉輪設(shè)計(jì)為斜流式葉輪，提高葉輪自身所具有的揚(yáng)程。

首先將噴嘴口徑改為90 mm。由于快艇已經(jīng)成型，噴水推進(jìn)器的進(jìn)水管道不變，受快艇結(jié)構(gòu)條件限制，泵噴水推進(jìn)器進(jìn)口區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸限定在170 mm以下，新的泵噴水推進(jìn)器葉輪進(jìn)口直徑仍然為156 mm。射流速度比α=2.78。將新泵噴水推進(jìn)器命名為Jm500-90，根據(jù)方程(1)得到其流量與推力的關(guān)系見(jiàn)表1。

從表1可看出，當(dāng)需要推力1 500～2 500 N，噴水推進(jìn)器的流量應(yīng)該在435～562 m3/h之間。據(jù)此確定噴水推進(jìn)器Jm500-90的額定流量仍然為500 m3/h。由式(3)計(jì)算泵的揚(yáng)程H=31.8 m。以額定參數(shù)Q=500 m3/h，H=32 m,ns=455設(shè)計(jì)新的斜流式噴水推進(jìn)器，見(jiàn)圖5。

圖5 Jm500-90泵噴水推進(jìn)器

圖5所示的斜流式泵噴水推進(jìn)器Jm500-90的外特性數(shù)值仿真結(jié)果參見(jiàn)圖3，其最高效率點(diǎn)流量為500 m3/h，揚(yáng)程為32.36 m，效率為74%，與軸流式泵噴水推進(jìn)器相比效率提高了14個(gè)百分點(diǎn)，軸功率為59 kW, 滿足船載功率的要求。圖6為Jm500-90在最優(yōu)工況點(diǎn)的流場(chǎng)特性，從圖6中可以看出，其導(dǎo)葉與葉輪間的流態(tài)要好于Ja500-80的分布。

圖6 最優(yōu)效率點(diǎn)斜流式泵噴水推進(jìn)器Jm500-90的流場(chǎng)

Jm500-90出口處的外徑D2=182 mm, ，因此其比直徑Dsp=1.162 m，該值大于表2中的相應(yīng)值，即可以設(shè)計(jì)口徑更小的斜流式泵噴水推進(jìn)器。但在本項(xiàng)目中安裝尺寸滿足該泵噴水推進(jìn)器的需要，因此不再設(shè)計(jì)更小的方案，而且略大的比直徑對(duì)加速性能和吸入性能有利。

假定吸入比轉(zhuǎn)速C=1 200,校核吸入性為

(5)

式中：NPSHr——正吸頭。

計(jì)算得到NPSHr=8.5 m，通常即要求有效正吸頭NPSHα>NPSHr+0.3，本項(xiàng)中快艇的運(yùn)行環(huán)境滿足該要求。經(jīng)更換噴水推進(jìn)器試水后，快艇的速度和舒適性都達(dá)到了期望的要求。

4 結(jié)論

到目前為止，泵噴水推進(jìn)器尚無(wú)相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)驗(yàn)考核主要是參考葉片泵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。泵噴水推進(jìn)器含有葉輪、導(dǎo)葉和噴嘴等多個(gè)水力部件，各水力部件主導(dǎo)作用力不同，因此其各自的分析側(cè)重點(diǎn)也不一樣。本文針對(duì)某快艇運(yùn)行不能滿足期望要求這一問(wèn)題，依據(jù)經(jīng)典理論對(duì)原有泵噴水推進(jìn)器進(jìn)行了分析計(jì)算并通過(guò)現(xiàn)代CFD分析技術(shù)對(duì)經(jīng)典計(jì)算及設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值仿真。在改型設(shè)計(jì)中分別通過(guò)增大噴嘴出口口徑以及將軸流式葉輪改為斜流式葉輪兩種方式；即一方面通過(guò)提高泵噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程提高其自身的動(dòng)力，通過(guò)調(diào)整噴嘴特性使推進(jìn)器在最優(yōu)工況點(diǎn)工作，改進(jìn)了泵噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)和性能。試水試驗(yàn)表明改進(jìn)設(shè)計(jì)使快艇的運(yùn)行達(dá)到了期望的要求。

[1] 川上孝，上出修博，前田學(xué)，等.ウォータージェット推進(jìn)裝置の開(kāi)発[J].ターボ機(jī)械，1996，26(2)：94-100.

[2] 倪永燕.基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的泵外特性預(yù)測(cè)方法分析及應(yīng)用[J].水泵技術(shù)，2011(1)：6-11.

[3] 金平仲.船舶噴水推進(jìn)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1986.

[4] 聶沛軍，王永生，李 翔.125SII型噴水推進(jìn)泵水動(dòng)力性能的CFD預(yù)報(bào)研究[J].中國(guó)艦船研究，2010,5(6):70-74.

[5] 韓小林.用數(shù)值模擬研究轉(zhuǎn)速變化對(duì)噴水推進(jìn)軸流泵性能的影響[J].船海工程，2008,37(2):134-137.