高比轉(zhuǎn)速軸流式和斜流式泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)特性分析

倪永燕，潘中永

(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)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

高比轉(zhuǎn)速軸流式和斜流式泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)特性分析

倪永燕1，潘中永2

(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)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

對比比轉(zhuǎn)速同為ns=769的兩個軸流式葉輪和斜流式葉輪的水力性能和推進(jìn)性能，分析其做為泵噴水推進(jìn)器葉輪的適用性。分析結(jié)果表明，就所研究的兩個葉輪而言，斜流式葉輪的高效區(qū)更寬，當(dāng)做為泵噴水推進(jìn)器葉輪使用時，軸流式葉輪的結(jié)構(gòu)更緊湊、最大推力更大、最大推功比也更大。因此軸流式葉輪比斜流式葉輪更適合于用做泵噴水推進(jìn)器的工作葉輪。

泵噴水推進(jìn)器;軸流式;斜流式;高比轉(zhuǎn)速;推力

與高性能船吃水淺、航速高的優(yōu)勢相對應(yīng)，泵噴水推進(jìn)器近年來越來越多地替代螺旋槳為表面效應(yīng)船等各類高性能船舶提供推進(jìn)動力。與泵噴水推進(jìn)器相關(guān)的研究已經(jīng)涉及到渦擾動等流動不穩(wěn)定性以及泵噴水推進(jìn)器與船體的相互干涉等領(lǐng)域［1-2］。不過，做為泵噴水推進(jìn)器核心部件的葉輪是采用軸流式還是斜流式一直沒有明確的結(jié)論。實際上即使是泵領(lǐng)域，斜流泵也只是在21世紀(jì)以來才逐步進(jìn)入傳統(tǒng)的軸流泵應(yīng)用領(lǐng)域［3］。軸流式葉輪的缺點明顯，就是高效區(qū)窄，在小流量區(qū)域有駝峰［4］。但是近年來的研究和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，高比轉(zhuǎn)速斜流式葉輪雖然高效區(qū)寬，但是小流量區(qū)域有駝峰的缺點并未改變，此外，最近有試驗研究發(fā)現(xiàn)斜流泵在其設(shè)計點附近會出現(xiàn)小范圍的流動不穩(wěn)定現(xiàn)象［5］。文中以兩個比轉(zhuǎn)速相同的軸流式葉輪和斜流式葉輪為例，計算并分析比較其推力和推功比特性。

1 葉輪結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)

圖1 兩種葉輪外觀對比

表1 軸流式葉輪和斜流式葉輪的額定點性能參數(shù)

所研究的軸流式葉輪和斜流式葉輪的外觀對性能參數(shù)參見文獻(xiàn)［6］。可以看出二者的比轉(zhuǎn)速ns=769相等，斜流式葉輪屬于高比轉(zhuǎn)速葉輪，其超出了斜流泵葉輪的傳統(tǒng)比轉(zhuǎn)速范圍ns=300～500。為了便于比較，將斜流式葉輪的參數(shù)相似換算到與軸流式葉輪的額定點性能參數(shù)相同。換算后的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖2和圖3。

圖2中虛線是軸流式葉輪的水力性能，實線是換算后的斜流式葉輪的水力性能，兩個葉輪在小流量區(qū)都有馬鞍形不穩(wěn)定段，圖中沒有繪出。斜流式葉輪的最高效率略低于軸流式葉輪，這與二者的流量和轉(zhuǎn)速差別有關(guān)。在斜流式葉輪性能參數(shù)的換算中沒有換算效率，不過由于是向大流量、高轉(zhuǎn)速方向換算，換算后的斜流式葉輪效率會大于83.5%，也就是說，與軸流式葉輪的效率差別會更小甚至有可能超過軸流式葉輪的效率。

圖2 水力性能對比

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)對比示意

由圖2可以看出，相比于軸流式葉輪，斜流式葉輪的優(yōu)點是高效區(qū)寬，特別是在大流量區(qū)域，例如在1.2Q點，斜流式葉輪效率比軸流式葉輪效率高12個百分點。

但斜流式葉輪結(jié)構(gòu)弱點很明顯。由圖3可見，斜流式葉輪的出口輪緣直徑為309 mm，其下游導(dǎo)葉的最大外徑為430 mm，而相應(yīng)的軸流式葉輪及下游導(dǎo)葉的最大外徑都是300 mm。

因此，從結(jié)構(gòu)上而言，軸流式葉輪比斜流式葉輪在高性能船用泵噴水推進(jìn)器中的應(yīng)用更有優(yōu)勢。

2 泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)機理

對于圖4所示的泵噴水推進(jìn)器，建立圖中虛線環(huán)繞的控制體CV，對于該控制體中的流體，其受力在水平方向上有葉輪對其推力Ti以及控制體邊界上對其施加的力控制體中流體的動量變化為，因此有

圖4 泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)機理示意

式中:ρ——密度;

u——單位控制體速度矢量;

u——u在水平方向的分量;

dV——單位控制體體積;

dA——控制體邊界的單位元面積;

n——控制體邊界的外法線方向。

對于不可壓縮流體，式(1)左側(cè)第一項為0，右側(cè)就是泵噴水推進(jìn)器作用在控制體上的力，那么流體(控制體)作用在流體上的力就是泵噴水推進(jìn)器的推力T，即

式中:Q——流量;

cj——噴嘴內(nèi)的射流速度;

cm——葉輪前的來流速度，a=cj/cm為射流比。

從式(2)可見，推力T隨流量Q發(fā)生變化。泵噴水推進(jìn)器在運行中，由噴嘴限制其工作流量進(jìn)而得到需求的推力。噴嘴的作用就是做為一個系統(tǒng)部件使系統(tǒng)阻力Hs與泵噴水推進(jìn)器葉輪提供的動力H相平衡，即

式中:K1的最優(yōu)值為K1=(a－1)2［7］。

因此式(3)可以改寫為

由此得到

因此，泵噴水推進(jìn)器在實際運行中，噴嘴直徑與葉輪的水力特性曲線共同確定了泵噴水推進(jìn)器的工作流量，也就是其推力。

3 推力特性

根據(jù)式(2)、(5)，以及圖2計算得到軸流式葉輪和斜流式葉輪的推力特性曲線以及推功比特性曲線，見圖5。

圖5 軸流式葉輪和斜流式葉輪的推進(jìn)特性

圖中橫坐標(biāo)是噴嘴的出口直徑，軸流式葉輪工作時的最大推力出現(xiàn)在Dj=192 mm(a=2.4)附近，斜流式葉輪工作時的最大推力出現(xiàn)在Dj= 196 mm(a=2.3)附近，二者都略低于最優(yōu)效率點的流量。軸流式葉輪工作時的最大推力更大，斜流式葉輪工作時大推力區(qū)更寬，此結(jié)論似乎與先前的研究有沖突［8］。實際上二者并不矛盾，文獻(xiàn)［8］所改進(jìn)的斜流式葉輪主要是提高了其揚程從而使比轉(zhuǎn)速降低，其與原始葉輪的比轉(zhuǎn)速并不相同。因此，對于確定流量點和確定比轉(zhuǎn)速工作的泵噴水推進(jìn)器而言，只要設(shè)計和選型合理，選用軸流式葉輪能得到更高的推力。另外，對于所研究的軸流式葉輪，在Dj=174 mm(a=3.0)附近出現(xiàn)推力突升現(xiàn)象，目前尚不了解其原因。

同樣，軸流式葉輪的最大推功比大于斜流式葉輪值，軸流式葉輪的最大推功比出現(xiàn)在噴嘴直徑Dj=215 mm(a=1.94)附近，斜流式葉輪的最大推功比出現(xiàn)在噴嘴直徑Dj=212 mm(a=2.01)附近，二者都略高于葉輪的最高效率點流量。即軸流式和斜流式葉輪的最優(yōu)效率點在最大推力流量點和最大推功比流量點之間。因此，為了既有效應(yīng)用電機功率，又能得到盡可能大的推力，通常設(shè)計泵噴水推進(jìn)器在接近但又略低于最優(yōu)效率點流量的工況下運行。此外，在最大推力點附近，斜流式葉輪的推功比特性出現(xiàn)異常變化的原因還需進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

1)比轉(zhuǎn)速同為ns=769的軸流式葉輪高效區(qū)窄，斜流式葉輪高效區(qū)寬，在1.2倍最優(yōu)效率點流量工況處，斜流式葉輪的效率比軸流式葉輪效率高12個百分點。

2)以往的研究大多認(rèn)為斜流式泵噴水推進(jìn)器的推力更高，這是因為通常在相同流量下，斜流式葉輪的比轉(zhuǎn)速要小，也就是揚程更高引起的。根據(jù)文中的研究，對于比轉(zhuǎn)速相同的葉輪，不論是結(jié)構(gòu)還是推力和推功比特性，軸流式葉輪都比斜流式葉輪更適合用于泵噴水推進(jìn)器。

3)對于文中所研究的葉輪，軸流式葉輪在小流量區(qū)域出現(xiàn)推力突增現(xiàn)象，斜流式葉輪在最大推力點附近出現(xiàn)不平穩(wěn)變化，這些變動是個體現(xiàn)象還是總體特征以及出現(xiàn)這類變化的原因還不清楚，尚需進(jìn)一步研究。

4)根據(jù)文中的研究結(jié)果，當(dāng)泵噴水推進(jìn)器需要設(shè)計ns＞500的高比轉(zhuǎn)速葉輪時，建議優(yōu)先采用軸流式葉輪。

［1］BRANDNER P A，DAWSON E C，WALKER G J.An experimental investigation into the influence of rampmounted vortex generators on the performance of a flush waterjet inlet［J］.Journal of Ship Research，2010，54 (3):209-223.

［2］TAKAI T，KANDASAMY M，STERN F.Verification and validation study of URANS simulations for an axial waterjet propelled large high-speed ship［J］.Journal of Marine Science and Technology，2011(16):434-447.

［3］潘中永，倪永燕，袁壽其，等.斜流泵研究進(jìn)展［J］.流體機械，2009，37(9):37-40.

［4］關(guān)醒凡.軸流泵和斜流泵:水力模型設(shè)計試驗及工程應(yīng)用［M］.北京:中國宇航出版社，2009.

［5］張大慶.高比轉(zhuǎn)速蝸殼混流泵內(nèi)流數(shù)值模擬與試驗研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2014.

［6］豊倉富太郎，太田秀之.高比速度斜流ポンプについて［J］.ターボ機械，1999，27(8):451-455.

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

［8］倪永燕，吳濤濤.泵噴水推進(jìn)器分析與設(shè)計改進(jìn)［J］.船海工程，2012，41(5):61-63.

Thrust Characteristics Analysis of Water Jet Propulsion with High Specific Speed Axial Flow Impeller or Mixed Flow Impeller

NI Yong-yan1，PAN Zhong-yong2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China;2.National Research Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

An axial flow impeller and a mixed flow impeller with the same specific speed of ns=769 are investigated by comparing their hydraulic characteristics and thrust performance to analyze the suitability for using in a water jet propulsion.The results show that the mixed flow impeller studied here has a wider high efficiency zone.Nevertheless，the axial flow impeller has a more compact configuration，higher maximum thrust and higher maximum thrust-power ratio than the mixed flow one.Therefore，the axial flow impeller is more reasonable to be a part of a water jet propulsion.

water jet propulsion;axial flow impeller;mixed flow impeller;high specific speed;thrust

U664.34

A

1671-7953(2015)02-0071-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.019

2014-11-03

修回日期:2014-11-12

國家自然科學(xué)基金(青年基金)(51209108)

倪永燕(1975-)，女，博士，講師

研究方向:流體力學(xué)、船舶(仿生)推進(jìn)及深海結(jié)構(gòu)物渦激振動

E-mail:njyy@just.edu.cn.