泵喷水推进器分析与设计改进

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(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003;2.江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

泵喷水推进器(waterjet propulsion)作为船用推进装置，早期人们认为其应用范围仅限于浅水和小型船舶推进。但是随着20世纪后期TSL(techno super liner)船、 SES(surface effect ship)船、水翼艇以及高速渡轮等高性能船舶为代表的海上输运高速化的发展，泵喷水推进器的适用及需求范围越来越广[1]。

泵喷水推进器的主要优势为通常航速下具有低能耗、高效率、小型化以及船在低速区域运行时具有良好的加速性能(推力性能)和吸入性能。与一般水力机械的运行相比，泵喷水推进器运行工况范围大、平稳性要求更高[2]。泵喷水推进器的水力部件见图1。

图1 泵喷水推进器水力结构

本文以经典能量转换理论为依据，分析某型快艇原喷水推进器动力不足的原因。考虑该快艇的阻力特性、动力配备以及安装尺寸的限制，设计开发新的喷水推进器。

1 推进器基本能量关系式

泵喷水推进器的相关参数及各参数间的基本计算关系式如下[3]。

T=ρQ(Vj-Vm)=ρQVm(α-1)

(1)

P=ρgQH/(1 000ηp)

(2)

(3)

式中：T——推力，N；

ρ——流体密度，kg/m3；

Q——流量，m3/s；

H——扬程，m；

Vj——喷嘴出口处射流速度，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——喷水推进泵轴功率，kW；

K1——能量损失系数，最优值K1=(α-1)2。

2 Ja500-80能量分析

某快艇载原动机额定转速为4 500 r/min，最大输出功率约为65 kW，巡航阻力为2 000 N左右。该艇初始装备喷水推进器Ja500-80为轴流式，见图2。试水后发现推进动力不足，无法达到期望的运行船速。

图2 Ja500-80泵喷水推进器

泵喷水推进器Ja500-80的进口直径和喷嘴直径分别为156和80 mm，传动轴直径为43 mm，因此α=3.51。则根据式(1)得到推力与流量间的关系，见表1。

表1 泵喷水推进器推力与流量关系

由表1可见，当需要推力为1 500～2 500 N时，泵喷水推进器的流量在366～473 m3/h之间。为了分析该轴流式泵喷水推进器的性能范围，采用CFD技术对其进行流场仿真。有关CFD技术在喷水推进器中的应用及其精确度，已经有很多相关文献做过分析[4-5]，这里只给出仿真的结果。图3所示为CFD仿真得到的泵喷水推进器Ja500-80的能量特性曲线。

由图3可以看出，Ja500-80最高效率点流量为500 m3/h，高于上述要求的流量范围，扬程为17.3 m, 效率为60%，比转速ns=721，轴功率为39.3 kW，满足船载功率的要求。图4为泵喷水推进器Ja500-80在最优效率点的流场特性。

此外，Ja500-80的比直径为

图3 泵喷水推进器能量特性曲线

图4 最优效率点轴流式泵喷水推进器Ja500-80的流场

(4)

计算得Dsp=0.854 m，接近轴流式泵喷水推进器的比直径设计要求，见表2。

表2 比直径统计数据

由式(3)计算得到泵的扬程应当为H=57 m，该值远远大于泵实际具有的扬程，该泵无法在最优工况点工作。这就是为什么快艇无法达到期望船速的原因。同时，由图4可见，叶轮出口到导叶进口间的流态不太理想，这也是设计改进时所要注意的细节。

3 泵喷水推进器改进设计

根据对Ja500-80的计算分析，可以看出，其扬程不能满足要求，因此无法使快艇达到期望的船速。为了提高喷水推进器的扬程，主要从两方面进行改进：一是增加喷嘴的口径，从而减小喷水推进器的喷射速度头；二是将轴流式叶轮设计为斜流式叶轮，提高叶轮自身所具有的扬程。

首先将喷嘴口径改为90 mm。由于快艇已经成型，喷水推进器的进水管道不变，受快艇结构条件限制，泵喷水推进器进口区域的结构尺寸限定在170 mm以下，新的泵喷水推进器叶轮进口直径仍然为156 mm。射流速度比α=2.78。将新泵喷水推进器命名为Jm500-90，根据方程(1)得到其流量与推力的关系见表1。

从表1可看出，当需要推力1 500～2 500 N，喷水推进器的流量应该在435～562 m3/h之间。据此确定喷水推进器Jm500-90的额定流量仍然为500 m3/h。由式(3)计算泵的扬程H=31.8 m。以额定参数Q=500 m3/h，H=32 m,ns=455设计新的斜流式喷水推进器，见图5。

图5 Jm500-90泵喷水推进器

图5所示的斜流式泵喷水推进器Jm500-90的外特性数值仿真结果参见图3，其最高效率点流量为500 m3/h，扬程为32.36 m，效率为74%，与轴流式泵喷水推进器相比效率提高了14个百分点，轴功率为59 kW, 满足船载功率的要求。图6为Jm500-90在最优工况点的流场特性，从图6中可以看出，其导叶与叶轮间的流态要好于Ja500-80的分布。

图6 最优效率点斜流式泵喷水推进器Jm500-90的流场

Jm500-90出口处的外径D2=182 mm, ，因此其比直径Dsp=1.162 m，该值大于表2中的相应值，即可以设计口径更小的斜流式泵喷水推进器。但在本项目中安装尺寸满足该泵喷水推进器的需要，因此不再设计更小的方案，而且略大的比直径对加速性能和吸入性能有利。

假定吸入比转速C=1 200,校核吸入性为

(5)

式中：NPSHr——正吸头。

计算得到NPSHr=8.5 m，通常即要求有效正吸头NPSHα>NPSHr+0.3，本项中快艇的运行环境满足该要求。经更换喷水推进器试水后，快艇的速度和舒适性都达到了期望的要求。

4 结论

到目前为止，泵喷水推进器尚无相应的国家标准，其实验考核主要是参考叶片泵的行业标准。泵喷水推进器含有叶轮、导叶和喷嘴等多个水力部件，各水力部件主导作用力不同，因此其各自的分析侧重点也不一样。本文针对某快艇运行不能满足期望要求这一问题，依据经典理论对原有泵喷水推进器进行了分析计算并通过现代CFD分析技术对经典计算及设计进行了数值仿真。在改型设计中分别通过增大喷嘴出口口径以及将轴流式叶轮改为斜流式叶轮两种方式；即一方面通过提高泵喷水推进器的扬程提高其自身的动力，通过调整喷嘴特性使推进器在最优工况点工作，改进了泵喷水推进器设计和性能。试水试验表明改进设计使快艇的运行达到了期望的要求。

[1] 川上孝，上出修博，前田学，等.ウォータージェット推進装置の開発[J].ターボ機械，1996，26(2)：94-100.

[2] 倪永燕.基于统计数据的泵外特性预测方法分析及应用[J].水泵技术，2011(1)：6-11.

[3] 金平仲.船舶喷水推进[M].北京：国防工业出版社，1986.

[4] 聂沛军，王永生，李 翔.125SII型喷水推进泵水动力性能的CFD预报研究[J].中国舰船研究，2010,5(6):70-74.

[5] 韩小林.用数值模拟研究转速变化对喷水推进轴流泵性能的影响[J].船海工程，2008,37(2):134-137.