噴水推進混流泵流道主參數確定方法與驗證

蔡佑林 夏立明 劉建國

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

噴水推進混流泵流道主參數確定方法與驗證

蔡佑林 夏立明 劉建國

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

針對當今高性能船舶對重負荷噴水推進混流泵的需求日益增長、而國內混流泵設計理論與方法尚不完善的現狀，提出噴水推進混流泵流道的設計方法。在分析噴水推進混流泵流道特點的基礎上，以提高裝船適配性、推進泵運行可靠性與水動力性能為目標，給出流道主要參數的確定方法；隨后給定設計參數，運用形成的設計方法完成了流道設計，并分析其水動力性能。與國際知名品牌商用混流泵流道比較結果表明，該流道的裝船適配性占有優勢，并且水動力性能相當，從而驗證了設計方法。

噴水推進混流泵；流道；設計；數值驗證

引 言

噴水推進是近幾十年急速發展起來的一種新的船舶推進方式。與螺旋槳推進相比，噴水推進具有卓越的動力定位性能和優良的低噪聲特性。當船舶航速超過30 kn時，噴水推進具有更高的推進效率。噴水推進的這些優點符合未來高性能船舶的發展方向，而噴水推進泵（簡稱噴泵）是噴水推進系統的核心部件，其水動力性能決定了噴水推進的技術水平。

高性能船舶通常具有高航速的特點，為提高推進效率，高航速必然要求高噴速，這意味著噴泵需要具備高揚程來克服以噴射速度頭為主的水力損失，這樣泵型就落入揚程較高的低比轉速混流泵范圍內。高性能船舶對其噴水推進裝置的體積與質量有嚴格的限制，噴水推進混流泵必須具有流量系數與揚程系數高的特點，其不僅需要有高的泵效率外，還必須使汽蝕比轉速大于1 300。由于高抗汽蝕能力與高效率是一對矛盾體，因此也決定了噴水推進混流泵設計的高難度。國際上應用于噴水推進混流泵的研究理論體系近十幾年才逐漸明確，僅有少數幾家掌握了一定的相關設計技術［1-3］，而國內至今未有十分成熟的設計方法。

混流泵流道設計是葉輪與導葉設計的基礎。從水動力性能角度看，流道形狀決定了葉輪與導葉的輪廓，流道設計的優劣對泵水動力性能與抗汽蝕性能影響重大；從結構角度看，流道外形是噴水推進泵軸向與徑向尺度的基礎，影響噴泵的裝船適配性（即噴泵的質量與布置安裝空間），因而性能優秀的流道是開發高性能噴水推進混流泵的基礎［4-6］。

1 噴水推進混流泵流道主要參數的確定

噴水推進混流泵流道的主要參數包括泵進口直徑D0、泵出口（噴口）直徑Dj、輪緣最大直徑Dsmax、輪轂最大直徑Dhmax，葉輪區流道外緣線傾角α與流道子午面變化規律（參見圖1）。其中進口直徑與噴口直徑由噴水推進主參數優化確定，輪緣最大直徑關系到推進裝置的裝船條件，輪轂最大直徑關系到軸系安裝與運行空間，這樣流道設計需要確定的主要參數為流道外緣線傾角、過流面積變化規律、輪轂與輪緣的最大直徑。

圖1 流道區域劃分及主要參數的定義示意圖

1.1 葉輪區流道外緣線傾角α

混流泵葉輪的子午流道是傾斜的，葉梢處流線稱外緣線，葉根處流線稱內轂線。外緣線一般為帶一定傾角的直線。從葉片泵歐拉方程的一種形式（式1）分析，當流道傾角α=0°時，子午流線無傾角， u1=u2，此時只有升力做功，揚程葉輪為軸流式。當α=90°時，主要是離心力做功，升力基本不做功，這時葉輪為離心式。當時，葉輪為混流式，α小則升力做功比值重，反之，離心力做功占比大。對于比轉速ns=400～500的噴水推進混流泵，從適裝性考慮對輪緣最大直徑Dsmax有限制，其傾角一般在10°～25°之間，比轉速低者宜取大值。

式中：H為泵揚程，m ；

u2為葉輪出口圓周速度，m/s；

u1為葉輪進口圓周速度，m/s；

u2為葉輪出口圓周速度，m/s；為葉輪出口與進口相對速度周向分量之差，m/s；

Vu1為葉輪進口絕對速度周向分量，m/s；

g為重力加速度，m/s。

1.2 最佳流道面積變化規律

流道從泵進口到葉輪出口（導葉進口）區域，在不考慮葉片排擠影響的前提下，如果采用收縮流道，則葉輪的過流能力受到限制；采用擴散流道，不僅增加擴散損失，增大導葉區域的收縮度，而且會增加泵體積與質量，因而葉輪段宜采用等速流道。從葉輪出口（導葉進口）至噴口段，因導葉前為等面積流道并且流道整體收縮，此段區域必須收縮，為減小收縮損失，應均勻收縮以提高效率。

主參數選擇中確定了泵進口直徑，間接確定了進口（0處）面積A0，根據面積變化規律，導葉進口（3處）面積A3= A0；對于導葉出口處面積，考慮到導葉區域流道的收縮，導葉出口處面積（4處）A4= （0.6～0.8）A0，視導葉片數確定（導葉片7葉時，面積取0.6 A0，11葉時取0.8 A0）。

圖2為最佳過流面積區域圖。

圖2 流道最佳過流面積區域圖

1.3 輪緣與輪轂最大直徑

前已述及，輪緣與輪轂最大直徑關系到軸系設計與裝船，這兩個參數均有最佳范圍。筆者設計實踐與國際知名噴水推進公司商用流道的統計結果表明，輪緣最大直徑Dsmax=（1.1～1.35） D0，過大裝船性能差、過小則做功能力不足。輪轂最大直徑Dhmax=（0.75～0.95） D0，輪轂直徑過大則過流面積小、影響水動力性能，過小則影響軸系設計。

2 流道設計案例

根據前述設計方法，以具有國際先進水平的典型噴水推進混流泵主參數為依據，設計水力模型泵流道，主要設計參數為：流量Q=0.45 m3/s，轉速n=1 450 r/min，汽蝕比轉速C≥1 300。經計算確定的流道主要參數與特征如下：進口特征直徑D0=270 mm，葉輪葉片輪緣傾斜度為19°，Dsmax=1.28 D0，Dhmax=0.85 D0。流道過流面積變化規律為：從泵進口到導葉進口流道面積相等，從導葉進口至噴口過流面積均勻收縮。導葉進口處的面積與泵進口面積相等，導葉出口處的面積為進口面積的0.8倍（導葉片數目11）。最后所形成的流道（為表達方便，簡稱為M流道）見圖3所示，圖4為其過流面積變化規律。在進口直徑相同條件下，M流道與兩家國際知名噴水推進公司商用流道1與流道2對比見圖5。

圖3 M流道圖

圖4 流道面積變化曲線圖

從圖5可見，流道2輪轂最小，并且其輪緣直徑略小于流道1的，流道轉彎較平緩，流道較寬，過流面積大，流量相同時流速低，因而其汽蝕性能好，但功率密度較小。流道1則相反，其流道輪轂和輪緣均最大，輪轂處流道轉彎較劇烈，過流面積比流道2的窄，汽蝕性能應該相對較差。M流道輪轂直徑在兩者之間，并且輪轂過渡平緩，輪緣直徑最小，并且確保了葉輪段過流面積大小一致，即為等速流道；從結構上看，M流道不但最大直徑小，而且長度短，因而裝置結構緊湊，此特點對于空間極為寶貴的船舶來說特別有利；從系統特性上看，吸收相同功率，以M流道為基礎的推進泵體積最小，因而功率密度更高，經濟性能最好，更適合噴水推進。

圖5 流道對比圖

3 流道水動力性能數值驗證

為了驗證設計的有效性，在相同條件下采用數值模擬的方法分別計算M流道與流道1的水動力性能，并進行比較，結果顯示兩者水動力性能相當。

3.1 M流道水動力性能數值分析

為了配合計算所需的邊界條件，在流道前后分別加上了一段直管，其中上游段長0.27 m（1個進口直徑），下游段長0.54 m（2個進口直徑）。在ICEM CFD中建立全六面體計算網格，并根據所仿真的流量條件，按照應用壁面函數的要求對近壁面網格進行加密，最終計算網格共約130萬。

選用商用軟件FLUENT的耦合求解器進行計算?？紤]到由于從進口到出口過流面積變化顯著且幾何存在較大曲率，流線必然經歷較大的曲率和正應力，同時邊界層也會因而承受正、反向壓力梯度作用，因此選用重組化群 k-ε湍流模型并搭配非穩態壁面函數作為計算模型。壓力采用FLUENT標準壓力離散格式，動量、湍流量均采用二階迎風離散格式。所有壁面（包括前、后直管段）均設置為無滑移邊界，進出口邊界條件分別為流量進口和靜壓出口，其中出口靜壓設置為1個大氣壓。 計算所得流道內速度矢量圖如圖6所示。

圖6 M流道速度矢量圖

從圖6可見，流道內流動沒有分離，整個流道區域流動比較均勻，另外CFD計算結果顯示，流道從進口到出口能量損失為0.87%，損失很少，效率高。

3.2 流道1 CFD分析

在與M流道采用相同規格設置與計算條件下，數值模擬了流道1的水動力性能，其速度矢量圖見圖7。CFD計算結果顯示，該流道的流場也很均勻，能量損失為0.96%，稍高于M流道。

圖7 商用流道速度矢量圖

4 結 論

本文根據高性能船舶噴水推進的特點，提出了噴水推進混流泵流道設計方法，確定了流道主要參數的優選途徑。按此方法所設計的流道，經與國際商用流道對比及CFD計算驗證，證明設計方法的有效性，為國內開發高性能噴水推進混流泵水力模型、提高噴水推進技術奠定了堅實基礎。

［1］ BONAIUTI D， ZANGENEH M， AARTOJARVI R， et al. Parametric design of a waterjet pump by means of inverse design，CFD calculations and experimental analyses［J］. ASME Journal of Fluids Engineering，2010，132（3）：1-15.

［2］ OH H W，YOON E S，KIM K S，et al. A Practical Approach to the Hydraulic Design and Performance Analysis of a Mixed-flow Pump for Marine Waterjet Propulsion［C］// Proc. Instn Mech. Engrs，［S.l.］. J. Power and Energy，2003: 659-665.

［3］ KIM J H，AHN H J，KIM K Y. High-efficiency design of a mixed-flow pump［J］. Science China Technology Sciences. 2010，53：24-27.

［4］ 盧金鈴，席光，祈大同. 三元葉輪子午流道和葉片的優化方法［J］. 西安：西安交通大學學報，2005，39（9）：1021-1025.

［5］ KIM S，CHOI Y S，LEE K Y. Design Optimization of Mixed-flow Pump Impellers and Diffusers in a Fixed Meridional Shape［C］//The 10th Asian International Conference on Fluid Machinery. Malaysia:Univ Teknologi Malaysia，Kuala Lumpur，2010：287－296.

［6］ 戴原星，王立祥.基于CFD的前置導葉軸流泵通用特性曲線預報［J］. 船舶，2013（5）：1-5.

Determination and veri fi cation of major parameters of fl ow channel for water-jet mixed- fl ow pumps

CAI You-lin XIA Li-ming LIU Jian-guo
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper proposes a design method of the flow channel for water-jet mixed-flow pumps according to the current status of the gradually increasing demand of high-power water-jet mixed-flow pumps for high performance ships and incomplete design theory and method at home. Based on the analysis of the characteristics of flow channel, its major parameters are determined aiming at the improving shipment suitability, operation reliability of water-jet pump and hydrodynamic performance. With the given design parameters, it finishes the design of the flow channel and analyzes its hydrodynamic performance. By comparison with the commercial mixed-flow pumps delivered by the well-known water-jet providers, the shipment suitability of the flow channel is at an advantage, however, with similar hydrodynamic performance. Thereby the feasibility of the proposed design method has been verified.

water-jet mixed-flow pump; flow channel; design; numerical verification

U664.34

A

1001-9855（2014）02-0058-04

2013-10-29；

2013-11-11

蔡佑林（1976-），男，碩士，高級工程師，研究方向：噴水推進。夏立明（1986-），男，碩士，助理工程師，研究方向：噴水推進。劉建國（1970-），男，研究員，研究方向：噴水推進。