影响某艇喷水推进器推进性能的若干因素

薛 亮，常书平

(1.常州玻璃钢造船厂有限公司，江苏 常州 213127；2.中国人民解放军63983部队，江苏 无锡 214035)

0 引 言

影响喷水推进器推进性能的因素较多。第一类因素与设计工况点的选定有关，如直径、转速和进速比等[1]；第二类因素与设计过程中的参数选定有关，如轴面轮廓、毂径比、负载分配和叶片数等[2]；第三类因素与工程应用有关，对保障船艇推进要求具有关键影响作用。针对叶轮叶顶间隙、流道格栅密度、艇底水底间距和双泵轴间距等第三类因素开展计算分析研究，为考察喷水推进器适装性和指导设计、安装与使用等提供有用依据。

1 计算模型

针对某艇阻力曲线、设计航速、主机功率与转速、齿轮箱减速比等参数，结合动力传动系统传递损失、喷泵水力效率和进水流道流动损失系数等参数的假设值，确定喷水推进器设计参数：喷泵进口直径为0.50 m，喷口直径为0.32 m，设计流量为2.66×103kg/s，扬程为40.33 m，设计转速为1 500 r/min，叶轮叶片数为6个，整流器叶片数为9个；进水流道总长为2.55 m；进水口由矩形和半椭圆形组成，进水口宽为0.53 m、长为2.10 m。

国内较多学者[3-5]开展喷水推进器推进性能的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究，取得良好可信度，关于数值方法不再赘述。喷泵网格划分如图1所示。基于ANSYS-CFX 19.2软件，采用剪切应力传输(Shear Stress Transfer，SST)湍流模型封闭雷诺平均纳维-斯托克斯方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations，RANS方程)求解喷水推进器内流场特性。计算域及边界条件设置如图2所示，泵转速为1 500 r/min，来流速度为80 km/h。

图1 喷泵网格划分

图2 喷水推进器推进性能CFD计算模型

2 影响因素分析

2.1 叶轮叶顶间隙

叶轮叶顶间隙一般只有叶轮半径的1‰～1%，对制造、装配及使用可靠性均提出较高要求。设计9种叶顶间隙，分别为0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、1.1、1.5、2.0和3.0(单位为mm)。不同叶顶间隙的流量和效率变化曲线如图3所示。不同叶顶间隙的功率、扬程和推力变化曲线如图4所示。由图3和图4可知：流量、扬程和效率随叶顶间隙增大而下降，这是由于叶顶处压力面与吸力面的压差造成泄漏流，在泄漏流由间隙流出后与通道内主流发生卷吸而形成间隙泄漏涡，因此损失增大；推力和功率随叶顶间隙增加均呈减小趋势，经局部单元积分量分析，叶顶间隙改变叶轮叶片受力是引起推力变化的主要原因。在叶顶间隙较小时，喷水推进器的效率和推力较大，但喷泵加工与装配更困难，叶轮轴弯曲变形、叶轮受力变形和艇体热应力变形等原因均可能造成叶轮与外壳刮擦。在叶顶间隙较大时，加工与装配过程更容易，但会降低喷水推进器的效率和做功能力。喷水推进器设计过程需要合理地考虑叶顶间隙大小的影响。

图3 不同叶顶间隙的流量和效率变化曲线

图4 不同叶顶间隙的功率、扬程和推力变化曲线

2.2 流道格栅密度

为防止艇底垃圾堵塞流道进水口和进入喷泵而造成部件损毁，通常需要在流道进水口安装格栅。设计7种流道格栅密度，格栅条数量分别为3、5、7、9、11、13和15(单位为根)，对应的格栅条间距分别为115、80、60、47、40、31和27(单位为mm)；每根格栅条宽为30 mm，厚为5 mm；格栅导边和随边采用半圆形导流。不同格栅条数量的流道进水口如图5所示。不同格栅条数量的流量和效率变化曲线如图6所示。不同格栅条数量的功率、扬程和推力变化曲线如图7所示。由图6和图7可知：随着格栅条数量增加，进流受阻挡作用增强，喷泵流量减小，15根格栅条的流量比无格栅减小0.80%；喷泵扬程随格栅条数量增加而略有增加，与无格栅相比，最大增加量为0.60%；喷泵效率变化呈现波动，5根和9根格栅条的效率较高，与无格栅相比，增加约0.20%；功率值略有变化，与无格栅相比，最大变化幅度为0.52%；推力随格栅条数量增加而逐渐下降，与其他参数相比，变化幅度相对较大，15根格栅条减小约2.64%，9根格栅条减小约1.12%。

图5 不同格栅条数量的流道进水口

图6 不同格栅条数量的流量和效率变化曲线

图7 不同格栅条数量的功率、扬程和推力变化曲线

2.3 艇底水底间距

设计11种艇底水底间距，分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0和2.5(单位为m)。不同艇底水底间距的流量和效率变化曲线如图8所示。不同艇底水底间距的功率、扬程和推力变化曲线如图9所示。由图8和图9可知：

图8 不同艇底水底间距的流量和效率变化曲线

图9 不同艇底水底间距的功率、扬程和推力变化曲线

随着艇底水底间距减小，阻塞效应逐渐显现，在艇底水底间距>1.0 m时流量减小幅度不大，在艇底水底间距<0.5 m时流量随艇底水底间距减小而快速下降，同时扬程和效率发生较明显变化；艇底水底间距变化对功率影响不明显，与2.5 m间距相比，在其他间距时功率变化幅度均在0.5%内；随着艇底水底间距减小，推力值逐渐减小，在间距减小至0.5 m后下降趋势加强，与2.5 m间距相比，在0.1 m间距时推力减小约3.1%。

2.4 双泵轴间距

受船体宽度限制，2套喷水推进器的最大横向间距为1.6 m。双泵轴间距为0.8 m时，2套喷水推进器的转向倒车机构横向间距接近0 m，已无法继续并拢。设计5种双泵轴间距，分别为0.8、1.0、1.2、1.4和1.6(单位为m)。不同双泵轴间距的流量和效率变化曲线如图10所示。不同双泵轴间距的功率、扬程和推力变化曲线如图11所示。

由图10和图11可知：双泵轴间距对水力性能影响不明显；在双泵轴间距>1.0 m时影响较小，与1.6 m间距相比，各参数变化均<0.16%；在双泵轴间距缩至0.8 m时影响有所增加，但幅值仍较小，与1.6 m间距相比，各参数变化均<0.93%。双泵轴间距为0.8 m的流线分布如图12所示，2套推进器间的相互干扰较小，“抢水”现象不明显。

图10 不同双泵轴间距的流量和效率变化曲线

图11 不同双泵轴间距的功率、扬程和推力变化曲线

图12 双泵轴间距为0.8 m的流线分布

3 结 论

以某艇设计工况为计算对象，研究多种因素对喷水推进器性能的影响，分析得出：

(1)在设计与制造喷水推进器时，需要保持较小叶顶间隙以保证推进性能，在日常使用和保养时应密切关注由磨损、汽蚀和腐蚀等引起的叶顶间隙改变情况。某艇的喷水推进器建议采用0.3 mm叶顶间隙方案，与国内设计和制造水平相适应。

(2)过密格栅条会增加流道进水口阻尼作用，影响流道对喷泵的供流能力。为兼顾格栅隔离垃圾能力和对喷水推进器性能影响，推荐采用9根格栅条方案。

(3)在艇底水底间距过小时阻塞效应明显，推力下降比例较大。建议在艇底水底间距<1.0 m时，某艇的喷水推进器不应长时工作。

(4)双泵轴间距对某艇的喷水推进器的水力性能和推进性能影响较小。