高速巡邏艇噴水推進泵三元優化設計研究*

王小二 張振山 靳栓寶

(海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

高速巡邏艇噴水推進泵三元優化設計研究*

王小二 張振山 靳栓寶

(海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

針對某新設計高速巡邏艇選型國外某噴泵達不到設計航速的問題，運用CFD方法對該被選噴泵和進水流道內流場進行了數值模擬.結果發現，該噴泵在設計工況下敞水效率較低，導葉處有一定程度的漩渦和流動分離，進水流道背部也存在渦旋.運用泵的三元設計理論，為該巡邏艇的噴水推進泵進行了重新選型和三元設計，在軸面線的繪制過程中使用了貝賽爾曲線，保證了整個軸面線的光滑過渡.同時為了提高抗空化性，增加了葉輪葉片數.數值模擬結果顯示，新設計的噴泵效率有了明顯提高，設計工況效率可達91.2%，同時泵的低壓區較小，保證了泵的抗空化性能，也消除了導葉中的二次流.“噴泵+流道+平板船”數值自航結果表明，該巡邏艇在設計工況下達到了設計航速.

巡邏艇； 噴水推進器； CFD； 三元理論； 優化設計

0 引 言

近年來，噴水推進器以其優越的性能在越來越多的船舶上得到了應用，對于救生艇、巡邏艇、摩托艇等高速船舶，噴水推進更是擁有螺旋槳不能比擬的優勢.正是這樣的需求,對噴水推進泵的設計提出了越來越高的要求，傳統的二元技術已經很難滿足高效率噴水推進泵的設計.20世紀90年代，計算機技術和計算流體力學得到了很大發展，這使得噴水推進泵的設計和優化技術也得到了很大提高，設計者得以借助計算機對噴水推進泵進行快速的三元設計.世界知名的噴水推進廠商Kamewa公司、Hamilton公司、MJP公司最近幾年也借助三元設計方法，相繼推出了多款大型噴水推進器[1-2].Akira等[3-4]運用CFD對混流泵的內流場進行了數值模擬，并用試驗的方法驗證了數值計算中的二次流問題，通過對三元設計中葉片負載分布的研究，成功的減小了葉輪和導葉中的二次流.運用CFD和三元設計方法對一款離心泵進行了優化設計，經過對比，發現二次流基本消失.Duccio等[5]又對混流泵設計中的導邊包角、堆疊條件等幾個重要參數進行了研究，運用三元設計理論成功設計出了高效的噴水推進用混流泵.三元設計對流動的假設減少了，但因為考慮了流動的三維性而更具優越性.因此在國內也得到了越來越多的重視和應用.常書平等[6]對三元設計中三種葉輪出口環量形式進行了研究，得出了遞增型環量分布泵的效率較高但容易空化的結論.靳栓寶等[7]則通過對緊湊型水泵的軸面形狀分析，成功運用三元理論對某高比轉數混流泵進行了軸流式設計，噴泵敞水效率達到了92.7%.

針對某巡邏艇選型國外某噴泵達不到設計航速這一問題，首先對該艇所選噴水推進泵進行了建模，運用CFD方法對其進行了水力性能計算，找到了該艇未達到設計航速的原因；然后運用三元設計理論在考慮粘性情況下重新設計了一款噴泵.計算后發現，無論效率還是流動狀態都有較大提高，設計工況下，航速也達到了預定航速.

1 控制方程和方法驗證

1.1 控制方程

運用基于有限體積法和中心節點控制的計算機程序來求解雷諾-時均方程，湍流模型選用SST模式，該模式既保證了近壁面處湍流耗散小，收斂性好的特點，同時，在湍流充分發展的區域，對復雜流場的流動狀況捕捉的也比較好.

不可壓粘性流體的控制方程如下.

(1)

(2)

式(1)和式(2)分別為質量方程和動量方程，fi為質量力；μ為流體動力粘性系數；μi為湍流動力粘性系數.

1.2 方法驗證

在對該艇所選用的國外某噴水推進器水力性能計算之前，先選擇國外某廠家提供比對數據的另一型噴水推進器進行數值模擬，以驗證所用數值模型和計算方法的可信性.

該泵葉輪進口直徑為710 mm,有6個葉片和11個導葉，其幾何模型見圖1.

圖1 幾何模型圖

泵的噴口和流道采用ICEM進行六面體網格化分，近壁面處進行網格加密，保證邊界層流動模擬y+在200以內.葉輪和導葉的六面體網格采用turbo-grid進行網格劃分，葉片周圍采用O型網格，葉輪頂端間隙處設置10層網格，保證間隙處流動的詳細捕捉，見圖2.各部件最終網格數見表1.

圖2 葉輪導葉網格圖

萬個

邊界條件設為總壓進口、靜壓出口，不考慮流體重力影響，葉輪和流道、導葉交界面采用穩態多參考系方法進行數據傳遞，計算步長設為物理時間1/ω，其中ω為葉輪每秒轉過的角度.

計算6個不同轉速下泵的水力性能，以泵的軸功率為對象，求取數值模擬結果同試驗數據的比值，結果見表2.由表2可知，計算值和試驗值相對誤差在2%以內，滿足工程需要，同時也證明了該文中所用數值計算方法的可信性.

表2 某混流泵軸功率計算結果

2 巡邏艇所選國外噴泵性能的CFD計算

研究的對象為某巡邏艇所選國外某噴水推進泵，該泵為一個單級軸流泵.在設計工況下，該巡邏艇未達到設計航速，現用計算流體力學方法對該泵的敞水性能進行計算分析以查找原因.

2.1 幾何建模

根據國外某廠家提供的數據，運用三維幾何建模軟件UG對原噴泵進行幾何建模，該泵直徑為560 mm，其中，葉輪的葉片數為5片，導葉葉片數為7片.幾何模型見圖3.

圖3 艇用軸流泵幾何模型

2.2 網格劃分

采用與驗證計算中相同的網格劃分方法，對該軸流泵進行網格劃分，噴水推進器各部件近壁面處考慮流體邊界層，對近壁面處網格進行加密，保證y+在200以內.為了對該軸流泵全通道進行網格無關性分析，在設計轉速下，使用SST湍流模型對該泵在不同網格數目下的葉輪功率進行計算，計算結果見圖4.由圖4可知，軸流泵的整體網格在 110萬～200萬時，軸流泵的葉輪功率基本沒有變化，在實際計算過程中，網格節點數采用216萬，從而確保了計算精度.

圖4 艇用軸流泵網格無關性分析圖

2.3 邊界條件設置

該泵邊界條件設置見圖5，其中葉輪中葉片和輪轂設為相對靜止壁面條件，葉輪外殼設為絕對靜止壁面條件，葉輪轉速為 1 329 r/min，計算裸泵水力性能時采用額定轉速工況下流量作為進流條件，即2 460 kg/s，泵的出口設為靜壓出口.其他邊界條件同驗證試驗中的相同.

圖5 邊界條件設置圖

2.4 裸泵計算結果分析

分別在5個不同流量情況下，計算泵的功率、揚程和效率.計算結果見圖6.由圖6可知，在設計工況下，泵的效率為88.8%，同時當流量在80%設計流量時，泵的效率下降較大，只有82.8%，這說明泵的高效區比較窄，在實際航行過程中經濟性會比較差.同時在導葉處也發現存在一定程度的漩渦，導葉輪轂處有比較嚴重的二次流產生，見圖7～8.

圖6 所選泵的水力性能圖

圖7 導葉中的漩渦圖

圖8 導葉中的二次流圖

2.5 “泵+流道+平板船”推進性能分析

在對裸泵進行水力性能計算后，需要進一步對“泵+流道+平板船”組成的系統進行數值計算，以預報該泵裝船后船的航速.其中，平板船的長寬高根據文獻[8]，分別取為葉輪進口直徑的30倍，10倍，8倍.對于來流給定不同的航速作為邊界條件，葉輪轉速設為額定轉速1 329 r/min，計算噴水推進器裝船后的效率和推力性能.經過后處理發現，該泵在45 kn航速下，推力遠小于廠家提供的阻力.改變航速后，重新計算.最終的航速預報結果見圖10.由圖10可見，推力曲線和阻力曲線相交在39.7 kn左右，遠低于設計航速.通過線性插值，可得此時泵的效率在87%.對流道的內流場進行觀察，發現流道背部存在大量渦旋，這對推進器的進流產生了很大影響，同時渦旋也損耗了來流的部分能量.

圖9 流道背部流線圖

圖10 原泵航速預報圖

3 三元優化設計與性能分析

3.1 三元設計理論

三元設計理論的基本思想就是將三維的流場分解為周向的平均流場和周期性脈動流場來求解.在求解2個流場過程中為了簡化葉輪中水流的流動狀態，對水進行無粘、不可壓縮、定常假設.用葉片中心的渦面代替葉片對水的作用，渦的強度由周向環量2πrVθ控制.在完成2個流場求解之后，再通過有限差分法和貼體坐標系求解整個流場的速度分布[10-14]；葉切面通過葉片表面流線的一階雙曲型偏微分方程求得，根據輸入的堆疊條件生成葉片，對比新舊葉片包角，當前后葉片包角的差別小于10-5rad時，認為該葉片已完成設計.否則，對流場和葉片進行重新計算，直到滿足條件為止.

需要在設計之前需要的參數有：葉輪或導葉軸面線；葉輪的轉速n；流量Q；葉片數B；葉片負載在軸向上的分布規律?rVθ/?m；葉片厚度.其中葉片厚度由葉片的結構強度確定.負載分布規律用來控制流場需要特別給出，其他參數由選型決定.

3.2 新泵軸面線設計

根據該船所要求的航速，原所選噴泵已無法滿足要求，因此對該艇所需噴水推進器進行重新選型和設計，具體選型結果見表3.重新選型后，進口流量增大到原來流量的1.2倍，葉輪進口直徑縮小為原來直徑的89%，考慮高航速下泵的抗空化性能，根據文獻[9]，葉輪選取6個葉片，導葉取為11葉.

表3 新泵選型結果

運用三維幾何建模軟件對選型后泵的軸面線進行設計，原泵中葉輪輪轂直徑為165 mm，轂徑比為0.59，過流通道橫截面115 mm,有些偏小.新的軸面線同時減小了葉輪直徑和輪轂比，葉輪直徑選為500 mm, 轂徑比選為0.5，過流通道橫截面增大為125 mm.葉輪直徑減小后，葉稍的速度減小，水泵的抗空化性能會進一步提高.同時，葉輪和導葉的輪轂段使用貝賽爾曲線畫出，保證在實際使用過程中葉輪和導葉中的水能平滑流動，葉輪導葉連接處同水平線相切.圖11顯示了新設計泵的軸面形狀.

圖11 新泵軸面形狀

3.3 葉片負載分布

根據文獻[5]，在三元設計中，葉片的負載分布對泵的效率和空化有重要影響，也是本設計的關鍵.采用文獻[5]中推薦的負載分布規律，對葉片負載采用前重載分布，即在20%的弦長處負載達到最大，之后保證平穩，在40%弦長處開始下降，這樣在保證泵效率的同時，不容易出現流動分離.同時合理分配葉輪輪轂和外殼截面處的負載，整個軸面負載通過線性插值得到，具體分布規律見圖12.運用三元反問題設計方法求取葉片中心面，進而采用流體動力性能較好的NACA型厚度分布規律為葉片加厚，導邊和隨邊處進行修圓處理，提高葉片的抗空化性能.經過計算發現，在設計點裸泵的效率較高，空化情況也滿足條件，需要進一步分析新泵的全工況水力性能.圖13顯示的是新設計的葉輪和導葉幾何模型.

圖12 負載分布圖

圖13 新設計泵的幾何模型

3.4 新泵的水力性能分析

采用同第1節驗證中相同的網格劃分和水力性能計算方法對新設計的泵進行數值計算，葉輪和導葉全通道網格數為166萬.新設計泵的性能曲線見圖14，由圖14可知，新設計的噴水推進泵在很大的流量范圍內具有85%以上的高效率，在設計流量3 010 kg/s時效率達到91.25%.新設計泵導葉中的流動情況見圖15.由圖15可知，代表水流的速度矢量圖光滑平順，這表明導葉處的漩渦和二次流得到了很好的解決.葉輪表面壓力情況見圖16，其中深色區域代表低壓區，可以看到只有葉輪導邊處有一非常小的深色窄帶，這是由于非均勻進流條件引起的，對泵的水力性能和使用壽命影響不大.

圖14 新泵水力性能曲線圖

圖15 導葉中流體矢量圖

圖16 葉輪表面壓力云圖

3.5 “新泵+新流道+平板船”計算分析

新的推進泵設計出來之后，對“新泵+新流道+平板船”系統進行計算分析，新的流道由作者所在團隊其他成員設計提供，其幾何見圖17.航速45 kn時，其流道效率達到95.7%.加上流道和平板船之后，設定泵的轉速為1 315 r/min，來流速度設為45 kn，計算噴水推進器的推力，計算后，發現推力大于阻力，調整來流速度，重新計算.將推力曲線與阻力曲線相交，結果見圖18，可以看到航速預報在46 kn左右，滿足選型設計要求，此時船后泵效率在89%.

圖17 新設計流道圖

圖18 新泵航速預報圖

因此，從總體上來說，新設計的泵各項性能合格，同原來選型泵相比，新設計的泵幾何尺寸較小，所以質量更輕；流動分離得到了較好的解決，設計工況下未見空化.

4 結 論

1) 針對原來噴泵的轂徑比偏大，導葉中有漩渦的問題，采用三元設計方法重新設計了一款噴泵，新泵的效率達到了91.25%，體現了三元設計方法較傳統一元、二元方法的優越性.

2) 三元設計過程中，負載分布對泵的效率和抗空化性能有較大影響，選擇合適的負載分布，是三元設計過程中的關鍵.

3) 設計過程中，泵的軸面線采用四階貝賽爾曲線繪出，能夠保證葉輪和導葉連接的平滑過渡，比用多段圓弧連接要更光順，同時，可根據需要調節控制點以改變軸面線形狀.

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Optimization Design of Water Jet Propulsion Equipped on High Speed Patrol Boat

WANG Xiao’er ZHANG Zhenshan JIN Shuanbao

(DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

In order to investigate the reason why a patrol boat could not reach its design speed when abroad waterjet propulsion is chosen, CFD method is used to calculate hydrodynamic and cavitation performance of the axial water jet pump. Through analysis of the flow in the pump, it’s found that the pump’s efficiency is low at the design condition and there are some vortexes and flow separations at the guide vanes and duct. A new pump type is selected and designed through three-dimensional inverse design theory. During the draw of the pump meridional channel, the Bezier curve is used to guarantee the meridional channel smooth. At the same time, the number of rotor blades was increased to suppress the area of low pressure. It’s shown that the efficiency of the new pump has been improved to 91.2% after optimization. The new pump has a good resistance to cavitations and the secondary flow behavior in the diffuser is completely eliminated. Based on numerical self propulsion of “hull+duct+pump”, the patrol boat reaches its design speed successfully.

patrol boat; water jet propulsion; CFD; 3-D inverse design theory; optimization

2016-11-15

*國家自然科學基金項目資助(51309229)

U664.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.013

王小二(1988—)：男，博士生，主要研究領域為水下推進技術