实尺度浸没式喷水推进泵设计参数选择与性能分析

彭云龙，王永生，曹玉良，靳栓宝，刘承江，易文彬

（海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033）

实尺度浸没式喷水推进泵设计参数选择与性能分析

彭云龙，王永生，曹玉良，靳栓宝，刘承江，易文彬

（海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033）

为设计某浸没式喷水推进泵，以某小型轴流式喷水推进泵为对象建立浸没式喷射模型，采用CFD方法模拟分析浸没喷射对喷泵水力性能的影响。研究表明，浸没式喷射对喷泵水力性能的影响变化不大。根据喷水推进和船体边界层基本理论，考虑喷泵工作环境不同时的水力特性变化，基于Matlab/simulink仿真平台建立浸没式喷水推进泵水力设计参数选型程序，实现快速高效地得到喷泵基本设计参数为设计者提供设计依据。根据选型结果运用三元理论设计出所需喷泵，运用CFD方法获取浸没式喷泵的敞水水力性能，并安装到实尺度船上预报推进性能，结果表明浸没式推进系统具有较高的推进效率、满足快速性要求，验证了设计参数选型程序的适用性。

浸没式；喷水推进；喷泵；选型；设计

0 引 言

关于浸没式喷水推进国外早在上世纪九十年代就开始了相关研究，1994年德国JAFO公司在BMBF资助下研制了名为“线性喷泵（Liner-Jet）”的浸没式喷水推进器来作为平底高速船舶的推进系统，并在德国波茨坦造船试验研究所进行了试验，后续经优化后推进效率达到70%[1]。2005年Rolls-Royce公司研制的完全水下喷射的Advance Waterjet21（AWJ-21TM）喷水推进器进行了模型试验，并在美国先进电力演示舰上进行了评估，其研究表明浸没式喷水推进器可进一步提高推进效率和降低推进器噪声[2-4]。德国的Voith公司近年正在研发新型水下喷射大功率喷水推进器，主要用于航速在25-40节之间的船舶，具有推进效率高、高航速区域宽、振动噪声性能好等优点[5]。

本文研究分析浸没式喷水推进器水下喷射的工作特点，并借助喷水推进基本理论和船体边界层基础理论等基于Matlab/simulink仿真建模平台建立了一套浸没式喷水推进泵设计参数选型程序。此程序通过各相关参数之间的迭代运算可以快速得出一组满足一定设计要求的喷水推进泵基本设计参数。根据选型参数，利用三元理论设计了一型浸没式喷水推进泵，运用计算流体力学方法（CFD）进行裸泵水力性能（敞水性能）和“船体+流道+喷泵”推进性能分析，结果表明设计浸没式喷泵满足船舶快速性要求，同时校核了选型程序的适用性。

1 某喷水推进泵水力性能分析

以国外某喷水推进混流泵为对象进行水力性能分析，验证数值计算方法的可信性。该泵进口直径710 mm，叶轮6片，导叶11片。叶轮单通道网格数20万，导叶单通道网格数10万，泵内流场网格总数约300万，均为六面体网格，叶轮扭曲度较大、采用J型拓扑结构，导叶采用H拓扑结构，叶片周围采用O型网格，叶顶间隙用独立的H型网格嵌入到周围的O型网格之中[6]。

基于Ansys CFX 12.0软件，采用工程上应用广泛的雷诺时均法，选取SST湍流模型来封闭控制方程，利用隐式耦合求解技术同时求解动量方程和连续方程，来对泵内部流场进行数值模拟。SST模型结合了两种模型的优点，在近壁面区域调用κ-ε模型模拟，收敛性好，而在湍流充分发展区域调用κω模型模拟，计算效率高[7]。动静交界面的数据交换利用MFR[8]方法处理，Y+保持在185以下。边界条件为总压进口，静压出口。该泵几何以及叶轮、导叶的网格如图1所示。

图1 喷水推进泵的几何和网格Fig.1 Geometry and mesh of a waterjet pump

用CFD计算预报不同转速下该混流泵轴功率值，与厂家提供的实测值比较差别均在1%以内，如表1所示，这间接证明了本文所用数值方法的可信性。

表1 混流泵功率的CFD计算值与厂家提供值对比Tab.1 Difference of power between CFD and company data

2 浸没式喷水推进泵选型程序搭建

2.1 浸没式与艉板式喷水推进器的结构差异

浸没式喷水推进泵设计参数的选择既依赖于工作环境，同时也受到喷水推进器其它部件的作用和影响，所以要研究浸没式喷泵的工作特性首先要明确浸没式与艉板式喷水推进器在结构、工作环境上的不同。

传统尾板式喷水推进器水流是由安装在艉板上的喷口喷出，而浸没式是完全水下喷射，喷泵是以较大深度浸没于水线以下的，这是两者结构上的最大不同，见图2。浸没式喷水推进器结构如图3所示，主要由进水流道、喷水推进泵、喷口和转向倒车机构四部分组成。尾板式喷水推进器的流道是单独设计，安装在船体内部，船底边界层在进入喷泵叶轮之前会经过进水流道的整流。而浸没式喷水推进器的流道与船底槽道是结合为一体的，这使得喷泵可以充分利用船底边界层，同时也对船体尾部型线优化和槽道的设计提出了更高要求。喷泵、喷口及转向倒车机构布置在船底吊舱内，结构更紧凑。吊舱、流道和船体集成在一起，进水流道以进流能量损失最小、进流更均匀来构型，吊舱以整体阻力最小来构型，以达到浸没式喷水推进器大功率、高航速的设计要求。

图2 艉板式和浸没式喷水推进器示意图Fig.2 Comparison between stern and submerged waterjet

图3 浸没式喷水推进器结构图Fig.3 Components of submerged waterjet propulsion

与常规艉板式喷水推进器相比，浸没式的吊舱结构大大减少了推进器整体湿重重量，节省了船体内部占用空间。性能上浸没式结构设计增加了进水口的进流压头，有效降低了进水流道唇部等部位空化的风险，也改善了泵的空化性能，同时避免流道内因位置提高和流向改变而造成的流动损失。水下喷射缩短了船舶水面尾迹；吊舱外壳对喷口水下射流噪声有一定的屏蔽作用；推进器外形与船体整体设计使得轴系更短，减小了轴系在冲击负载下的振动；这些都使浸没式喷水推进器比艉板式的水下辐射噪声更低。

2.2 浸没式喷射对喷泵水力性能的影响

以某小型喷水推进轴流泵为对象，研究浸没式喷射对喷泵水力性能的影响。喷泵叶轮进口直径155.5 mm，喷口直径87 mm，比转速684，设计流量200 kg/s，叶轮3片，导叶5片，喷泵几何见图4。

在上述几何的基础上，采用六面体网格分别对叶轮、导叶、喷口进行网格划分。在网格划分时平衡数值模拟精度和计算速度之间的关系，考虑到网格无关性，根据经验叶轮单通道节点数10万，导叶单通道节点数7万[9]。叶轮为旋转区域，叶轮叶片和轮毂设为相对静止壁面条件，叶轮外壳为绝对静止壁面条件，导叶、喷口及进口直管为静止区域。裸泵计算域见图5。

图4 某小型轴流泵几何与网格Fig.4 Geometry of axial waterjet pump

图5 水上裸泵性能计算域Fig.5 Control domain of pump

浸没在水下的裸泵计算方法与螺旋桨敞水特性方法类似，将喷泵完全置于充满水的控制域中，见图6（a）。泵前长度1.5 m，泵体后长度3.5 m，控制域垂直深度2 m，泵轴线距水面高度1 m，以此来排除控制域壁面和水面对泵水力性能的影响。将喷泵置于水下时考虑到喷泵内外均有流场的实际情况，对泵外壳进行了加厚处理，见图6（b）。湍流模型也选用SST模型，整个计算模型加载随深度而产生的压力变化及重力影响。

图6 喷泵完全浸没在水中Fig.6 Pump submerged in water

本文以流量Q、扬程H、功率P和效率η等主要水力参数指标来表征喷泵的水力性能，其中流量Q为单位时间内流经喷泵流体的质量流量；扬程H为喷泵喷口与进口流面流体总压之差；力矩N为喷泵内所有旋转部件产生的力矩；功率P为叶轮、轮毂等旋转部件消耗轴功率：

式中：N为力矩（N·M），n为喷泵转速（rev/min）；效率η为喷泵吸收轴功率对流体做功使其获得能量增加值占轴功率的比例，效率越高表明喷泵做功过程中的水力损失越少：

式中：Q为质量流量（kg/s），g为重力加速度，H为扬程（m），P为轴功率（kW）。

利用水上水下两种模型模拟了设计转速不同流量下的水力性能，图7为空气中喷射与浸没式喷射时喷泵效率对比，从图中可以看出，浸没式喷射时喷泵效率略高于空气中喷射。图8为空气中喷射与浸没式喷射喷泵轴功率对比图，浸没式喷射轴功率偏小，但相差幅度不是很大。计算结果表明在相同转速下，无论是功率还是效率，浸没式喷射时的变化趋势都与空气中喷射时的变化趋势相同。初步认为这主要是由于泵在水下工作时周围流体产生的背压场是对泵整个工作场作用的，进流与喷射压力作用相互抵消，所以喷泵水下和空气中的工作特性没有出现较大差异。

图7 喷泵效率对比图Fig.7 Difference of efficiency

图8 喷泵轴功率对比图Fig.8 Difference of power

2.3 浸没式喷水推进泵选型程序化实现

浸没式喷泵设计首要工作是选择喷泵设计指标即喷泵选型，选型程序的目的即是实现此功能。

喷泵与船体是相互影响的，所以合理的“船—泵”匹配关系才能充分发挥推进器的效用。对喷泵进行选型我们首先要获得船体的一些相关数据如船体阻力、边界层特征、主机功率、额定转速，齿轮箱减速比等，然后根据喷水推进基本理论和泵设计知识通过循环迭代计算得到泵的设计基本参数和条件限制，包括泵扬程、设计流量、汽蚀比转速、泵比转速和喷口直径等。选型思路流程见图9。

船体对喷泵的影响具体讲需要考虑船体边界层和进水流道对喷泵的影响。因为船体边界层内流速是小于边界层外流速的，而流道进流面全部或部分处于船底边界层内，所以合理地确定喷泵工作流量必须要考虑船体和流道的影响。

根据上述选型程序设计思路，结合浸没式与艉板式喷水推进器结构上和喷射环境上的差异，利用Matlab搭建仿真模块实现程序化，见图10。选型目标参数见表2。

图9 浸没式喷泵选型流程图Fig.9 Flow chart of submerged waterjet pump parameters selection

图10 浸没式喷水推进泵选型程序Fig.10 Simulation model for calculating main design parameters of submerged waterjet

表2 选型结果部分参数Tab.2 Some design parameters of submerged waterjet pump selection

表2中推进效率定义为

式中：R为裸船阻力，VS为船舶航速，P为喷泵消耗功率；汽蚀比转速为标志泵抗空化性能的无因次指标。

3 浸没式喷水推进泵设计与船后泵性能分析

3.1 浸没式喷水推进泵水力设计

根据以上选型程序得到泵的设计参数，基于泵的三元设计理论进行水力设计[7，10]。浸没式轴流喷水推进泵进口直径2 m，轴向长度3 m，叶轮6叶片，导叶11叶片。采用SST湍流模型，六面体结构化网格对各部件进行网格划分，网格总量为300万，壁面Y+值小于185，满足湍流模型对壁面流动的模拟要求。喷泵叶轮及导叶网格如图11所示。

利用有限元计算软件Ansys CFX 12.0，计算得到均匀进流时该泵水流性能（简称为敞水泵水力性能）曲线如图12。喷泵最高效率点达到92%，且叶轮叶片表面压力处导边处外大部分都低于空化压力，即没有大面积空化发生，见图13，且水下工作背压增大更有利于空化性能的改善。

图11 浸没式喷泵网格Fig.11 Mesh of the submerged waterjet pump

图12 浸没式喷泵水力性能Fig.12 Hydrodynamic performance of submerged waterjet pump

3.2 实尺度船后泵性能预报

得到裸泵性能后，将浸没式喷泵安装到120 m实尺度船数值模型上计算航速30节下船体的阻力、喷泵推力和轴功率，对“船+流道+泵”的推进性能进行数值模拟。整个计算域长度为5倍船长，船头前部1倍船长，船艉后3倍船长，计算域宽度为2.5倍船长（图14）。采用VOF的方法来追踪自由液面，湍流模型选用SST模型，对流项离散选用二阶离散格式。采用四面体和六面体网格划分结合的方式进行网格划分，船体周围局部小区域用四面体网格划分，外部区域用六面体网格划分，整体计算区域网格量总数为2.2千万。船体网格如图15所示。由于两台浸没式喷水推进器布置相对船体中心面对称，为减小计算时间，计算时只对一半结构进行流场计算。

图13 浸没式喷泵空化验证Fig.13 Cavitation validation of submerged pump

图14 “船+泵+流道”计算控制域Fig.14 Whole computational domain of‘ship+pump+inlet’

图15 船体网格Fig.15 Mesh of ship

装船后计算结果见表3，喷泵流量略微偏离设计流量，效率91%，船体推进效率为65%，这说明按选型方法设计出的喷泵是满足工程实际需要的，选型程序具有较强的适用性。图16为船体30节航行周围兴波，由图17可以看出叶轮导叶匹配良好，泵内部流动顺畅无涡流损失。

表3 “实船+流道+喷泵”计算结果Tab.3 Result of whole propulsion system simulation

图16 船体兴波Fig.16 Wavemaking of ship

图17 流经喷泵的整船流线Fig.17 Streamline through submerged pumps

表4是安装于船艉的浸没式喷水推进泵（简称船后泵）与敞水泵性能对比，受船体对喷水推进器的作用影响[11]，可以看出船后泵的轴功率、扬程略有增大，效率有所降低，但差别不超过3%。喷泵装船后，由于船底边界层的影响进流不均匀度增加，因此轴功率增加效率降低。

表4 浸没式喷泵装船后水力性能变化Tab.4 Comparison bewteen pump and after ship pump

4 结 论

（1）分析浸没式喷水推进与艉板式喷水推进在结构和工作环境上的差别。采用CFD方法分析了浸没式喷射对喷水推进泵水力性能的影响。在设计转速下与常规喷射相比，浸没式喷射的喷水推进轴功率和效率的变化都很小。

（2）借助MATLAB/simulink仿真平台搭建浸没式喷水推进泵水力设计参数选型程序，利用该程序可快速高效得到满足一定条件要求的浸没式喷泵设计参数，也可研究单一参数对泵选型结果的影响，有利于实现浸没式喷水推进泵的系列化选型设计。借助某船型为例，按选型结果设计浸没式喷水推进泵，并对其进行了实尺度“船+流道+喷泵”的数值模拟，推进效率达到65%，验证了选型程序的适用性。

[1]Thieme C,Jürgen S,Delius K.Antriebssysteme fürflachgehende Hochgeschwindig-keitsfahrzeuge JAFO-Technologie[Z]. Hamburg,1994.

[2]Giles W,Dinham-Peren T.The advanced waterJet:Propulsor performance and effect on ship design[C].IMAREST’s 10th international Naval Engineering Conference and Exhibition entitled‘The Affordable Future Fleet’in May,2010.

[3]Dinham-Peren T.CFD and submerged waterjets[J].The Naval Architect,July/August 2010:34-35.

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[5]http://www.porttechnology.org/images/uploads/technical_paper/PT32-28.pdf[PIOL].

[6]常书平,王永生,丁江明,等.混流式喷水推进泵水力设计和性能预报[J].哈尔滨工程大学学报,2011,32(6):708-713. Chang Shuping,Wang Yongsheng,Ding Jiangming,et al.Hydraulic design and performance predictions of a waterjet mixed-flow pump[J].Journal of Harbin Engineering Univeristy,2011,32(6):708-713.

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Full scale submerged waterjet pump parameters selection and numerical evaluation of propulsive performance

PENG Yun-long,WANG Yong-sheng,CAO Yu-liang, JIN Shuan-bao,LIU Cheng-jiang,YI Wen-bin
(College of Marine Power Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

To design submerged waterjet pump,a submerged jet model of axial waterjet pump was established to analyze the difference between above water and under water using CFD method.Study shows that the change of hydraulic property is tiny.Based on theory of waterjet and ship boundary layers,considering pump’s working circumstance,a program was developed to choose main parameters of submerged pump by Matlab/simulink,which provided reference to pump designer.A submerged pump was designed by threedimension theroy according to the result of the program.The results show that the pump has good propulsive performance,and the program fits engineering requirement.

submerged;waterjet;pump;selection;design

U664.33

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.08.003

1007-7294（2016）08-0947-07

2016-03-01

国家自然科学基金青年基金（51209212，51309229）；国防科技“十二五”预研

彭云龙（1989-），男，博士研究生，E-mail:flydragonboys@163.com；王永生（1955-），男，教授，博士生导师。