影響某艇噴水推進器推進性能的若干因素

2022-08-09 10:09:34常書平

造船技術 2022年3期

薛亮，常書平

(1.常州玻璃鋼造船廠有限公司，江蘇常州 213127；2.中國人民解放軍63983部隊，江蘇無錫 214035)

0 引言

影響噴水推進器推進性能的因素較多。第一類因素與設計工況點的選定有關，如直徑、轉速和進速比等[1]；第二類因素與設計過程中的參數選定有關，如軸面輪廓、轂徑比、負載分配和葉片數等[2]；第三類因素與工程應用有關，對保障船艇推進要求具有關鍵影響作用。針對葉輪葉頂間隙、流道格柵密度、艇底水底間距和雙泵軸間距等第三類因素開展計算分析研究，為考察噴水推進器適裝性和指導設計、安裝與使用等提供有用依據。

1 計算模型

針對某艇阻力曲線、設計航速、主機功率與轉速、齒輪箱減速比等參數，結合動力傳動系統傳遞損失、噴泵水力效率和進水流道流動損失系數等參數的假設值，確定噴水推進器設計參數：噴泵進口直徑為0.50 m，噴口直徑為0.32 m，設計流量為2.66×103kg/s，揚程為40.33 m，設計轉速為1 500 r/min，葉輪葉片數為6個，整流器葉片數為9個；進水流道總長為2.55 m；進水口由矩形和半橢圓形組成，進水口寬為0.53 m、長為2.10 m。

國內較多學者[3-5]開展噴水推進器推進性能的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究，取得良好可信度，關于數值方法不再贅述。噴泵網格劃分如圖1所示。基于ANSYS-CFX 19.2軟件，采用剪切應力傳輸(Shear Stress Transfer，SST)湍流模型封閉雷諾平均納維-斯托克斯方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations，RANS方程)求解噴水推進器內流場特性。計算域及邊界條件設置如圖2所示，泵轉速為1 500 r/min，來流速度為80 km/h。

圖1 噴泵網格劃分

圖2 噴水推進器推進性能CFD計算模型

2 影響因素分析

2.1 葉輪葉頂間隙

葉輪葉頂間隙一般只有葉輪半徑的1‰～1%，對制造、裝配及使用可靠性均提出較高要求。設計9種葉頂間隙，分別為0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、1.1、1.5、2.0和3.0(單位為mm)。不同葉頂間隙的流量和效率變化曲線如圖3所示。不同葉頂間隙的功率、揚程和推力變化曲線如圖4所示。由圖3和圖4可知：流量、揚程和效率隨葉頂間隙增大而下降，這是由于葉頂處壓力面與吸力面的壓差造成泄漏流，在泄漏流由間隙流出后與通道內主流發生卷吸而形成間隙泄漏渦，因此損失增大；推力和功率隨葉頂間隙增加均呈減小趨勢，經局部單元積分量分析，葉頂間隙改變葉輪葉片受力是引起推力變化的主要原因。在葉頂間隙較小時，噴水推進器的效率和推力較大，但噴泵加工與裝配更困難，葉輪軸彎曲變形、葉輪受力變形和艇體熱應力變形等原因均可能造成葉輪與外殼刮擦。在葉頂間隙較大時，加工與裝配過程更容易，但會降低噴水推進器的效率和做功能力。噴水推進器設計過程需要合理地考慮葉頂間隙大小的影響。

圖3 不同葉頂間隙的流量和效率變化曲線

圖4 不同葉頂間隙的功率、揚程和推力變化曲線

2.2 流道格柵密度

為防止艇底垃圾堵塞流道進水口和進入噴泵而造成部件損毀，通常需要在流道進水口安裝格柵。設計7種流道格柵密度，格柵條數量分別為3、5、7、9、11、13和15(單位為根)，對應的格柵條間距分別為115、80、60、47、40、31和27(單位為mm)；每根格柵條寬為30 mm，厚為5 mm；格柵導邊和隨邊采用半圓形導流。不同格柵條數量的流道進水口如圖5所示。不同格柵條數量的流量和效率變化曲線如圖6所示。不同格柵條數量的功率、揚程和推力變化曲線如圖7所示。由圖6和圖7可知：隨著格柵條數量增加，進流受阻擋作用增強，噴泵流量減小，15根格柵條的流量比無格柵減小0.80%；噴泵揚程隨格柵條數量增加而略有增加，與無格柵相比，最大增加量為0.60%；噴泵效率變化呈現波動，5根和9根格柵條的效率較高，與無格柵相比，增加約0.20%；功率值略有變化，與無格柵相比，最大變化幅度為0.52%；推力隨格柵條數量增加而逐漸下降，與其他參數相比，變化幅度相對較大，15根格柵條減小約2.64%，9根格柵條減小約1.12%。

圖5 不同格柵條數量的流道進水口

圖6 不同格柵條數量的流量和效率變化曲線

圖7 不同格柵條數量的功率、揚程和推力變化曲線

2.3 艇底水底間距

設計11種艇底水底間距，分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0和2.5(單位為m)。不同艇底水底間距的流量和效率變化曲線如圖8所示。不同艇底水底間距的功率、揚程和推力變化曲線如圖9所示。由圖8和圖9可知：

圖8 不同艇底水底間距的流量和效率變化曲線

圖9 不同艇底水底間距的功率、揚程和推力變化曲線

隨著艇底水底間距減小，阻塞效應逐漸顯現，在艇底水底間距>1.0 m時流量減小幅度不大，在艇底水底間距<0.5 m時流量隨艇底水底間距減小而快速下降，同時揚程和效率發生較明顯變化；艇底水底間距變化對功率影響不明顯，與2.5 m間距相比，在其他間距時功率變化幅度均在0.5%內；隨著艇底水底間距減小，推力值逐漸減小，在間距減小至0.5 m后下降趨勢加強，與2.5 m間距相比，在0.1 m間距時推力減小約3.1%。

2.4 雙泵軸間距

受船體寬度限制，2套噴水推進器的最大橫向間距為1.6 m。雙泵軸間距為0.8 m時，2套噴水推進器的轉向倒車機構橫向間距接近0 m，已無法繼續并攏。設計5種雙泵軸間距，分別為0.8、1.0、1.2、1.4和1.6(單位為m)。不同雙泵軸間距的流量和效率變化曲線如圖10所示。不同雙泵軸間距的功率、揚程和推力變化曲線如圖11所示。

由圖10和圖11可知：雙泵軸間距對水力性能影響不明顯；在雙泵軸間距>1.0 m時影響較小，與1.6 m間距相比，各參數變化均<0.16%；在雙泵軸間距縮至0.8 m時影響有所增加，但幅值仍較小，與1.6 m間距相比，各參數變化均<0.93%。雙泵軸間距為0.8 m的流線分布如圖12所示，2套推進器間的相互干擾較小，“搶水”現象不明顯。