喷水推进装置在船上的配置数与布置研究

周加建，李贵斌，张志远，尹晓辉，刘雪琴

(1. 喷水推进技术重点实验室，上海 200011；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引 言

大功率喷水推进装置已在世界范围内得到广泛应用[1]，国内正在建造的铝合金高速客滚船“平潭之星”号装备的喷水推进装置单机已达到9.1 MW。但国内这些船很大一部分都是国外设计或整船进口的，因为国内很多船舶设计师对喷水推进装置了解还不多，喷水推进装置推力产生的原理和测试技术[2-3]，以及在船上的配置数与布置和常规螺旋桨存在较大的差异，因此带来诸多疑问。本文主要探讨并回答有关喷水推进装置选型与装船应用最常见的问题。

1 喷水推进装置的数量配置

相似的喷水推进装置的功率和空化余量应该满足以下公式：

式中：N1和N2为功率；n1和n2为转速；D1和D2为名义直径；NPSH1和NPSH2为空化余量。

相似的喷水推进装置若运行于相同的航速下，则它们应该具备相同的空化余量，那么：

把式（3）代入式（1），可以得到：

假设把1 台喷水推进装置的功率平均分配给满足上述要求的m台相似的喷水推进装置，即N1=mN2，代入式（4），可以得出：

那么m台喷水推进装置和1 台喷水推进装置的重量比为：

根据式（6），把1 台喷水推进装置功率平均分配给2、3、4 台喷水推进装置，喷水推进装置的总重将下降为原有的约71%，58%，50%。喷水推进装置著名生产商KaMeWa 公司的技术专家鲁尔夫·斯文森（Rolf Svensson）提到过典型的例子，对一艘40 kn 左右的渡船来说，如果在设计时采用4 台喷水推进装置代替2 台喷水推进装置的话，其总重量(包括喷水推进装置内的水)占全船排水量的比例将从6%下降到4.5%[4]。实际的工程经验和以上推导分析结果完全吻合。

根据式（4），不同数量喷水推进装置占据尾板面积相同，但是假如推进装置并排布置，那么根据式（5），喷水推进装置数量增加后，需要更大的尾板宽度。相同总功率的1，2，3，4 台喷水推进装置需要尾板宽度之比约为1∶1.4∶1.7∶2。

根据以上结论，尾板的面积决定了能安装多少台喷水推进装置，由于“品”字形等叠加的布置方式比较困难且罕见，所以尾板宽度是喷水推进装置布置数量的最大影响因素。在尾板宽度允许的条件下，应该尽量布置更多喷水推进装置以减轻重量。因为喷水推进装置位于船的最后端，对整船重量重心和纵倾的影响也比较大，所以喷水推进装置的数量对高速船的快速性有重大影响，需谨慎权衡抉择。

2 喷水推进装置的轴线高度

如图1 所示，喷水推进装置一般安装于船体尾部舱室，从船底进流，穿过尾板向船后喷射，所以喷水推进装置轴线是穿越尾板的，这和螺旋桨船存在较大的差异。

一般要求喷水推进装置的轴线不高于轻载静吃水线，否则可能影响该喷水推进装置的静止启动。柴油机的最低稳定转速一般为额定转速的30%左右，轴线不高于静吃水线时，可确保喷水推进装置在最低稳定转速时就可以完成自吸和喷水。在工作中，曾接到报告船在主机接排时不喷水的故障，经调查发现是船尾的设备装载临时撤除后导致轴线高于水线的原因。

如果喷水推进装置的轴线过高，就可能需要拉高发动机的转速才能实现静止启动，或在航行中借助航速的来流冲压来完成启动。后一种情况仅针对用于加速的喷水推进装置。由于提高水位需要额外做功，因此喷水推进装置的轴线若高于水线，将会降低推进效率。

为了在尾板上布置喷水推进装置，随着轴线淹没于水线下的深度增加，则要求尾板处的吃水要增加，如图1 中dA。但尾板吃水对喷水推进船的性能有较大影响，需权衡设计。

图1 喷水推进装置布置示意图Fig. 1 Waterjet propulsion unit layout

3 喷水推进船的尾板吃水

低速时，喷水推进船尾板后的水流无法随船体底部和两舷侧水流向后脱离船体，所以在船尾部形成大量漩涡。这些漩涡和喷射流相互作用，并和伸出尾板的喷水推进泵和操舵倒航机构碰撞摩擦，将产生附体阻力。喷水推进船如果仅开展阻力船模试验时，那么船体模型上一般不会制作出喷水推进泵和操舵倒航机构；即使开展自航船模试验，那么船体模型上会安装喷水推进泵，但一般也不会安装操舵倒航机构。目前按照这些试验方法，无法准确计入尾板脱水前的附体阻力，最终这些附体阻力可能会被计入推力减额中。

当航速提高到一定程度，船尾部的水流具有足够的速度惯性，沿着船体底部和两舷侧迅速脱离船体，在船尾形成一个空穴凹陷，这时喷口喷出的水柱将直接喷在空穴的空气中，如图1 所示。

一般认为，水线长弗汝德数Fr>0.4～0.5 以后，方尾船才会发生水流突离的尾板脱水现象[5-6]。但Doctors 通过一系列试验发现，以方尾处的吃水dA为长度参数的弗汝德数Frd是一个更为重要的衡量参数，认为方尾船完全脱水的Frd下限值为2.5[7]。尾板吃水弗汝德数公式为：

式中：Frd为尾板吃水弗劳德数，无量纲；Vs为船的航速，m/s；g 为重力加速度，m/s2；dA为尾板处的吃水，m。

减小尾板处的吃水dA有利于尾板尽早脱水，消除喷水推进船的附体阻力。

表1 为参与研制的2 艘喷水推进船试航时船尾板脱水情况的观察对比。

表1 两型船尾板脱水时的参数比较Tab. 1 Parameter comparison between two ships for transom un-wetting

2 艘船的排水量几乎相同，A 船的主船体比B 船略长。A 船安装4 台同型喷水推进装置，B 船安装2 台同型喷水推进装置。2 艘船的总装机功率相当，设计航速是B 船略高于A 船。A 船和B 船喷水推进装置尺度之比约为1∶1.5，接近所提的1∶1.4 的比例。由于A 船的喷水推进装置较小，所以它的船尾吃水dA也较小，该船尾板在18 kn 左右就脱水了，此时长度弗汝德数Fr还不到0.4，尚处于排水状态。其尾板吃水弗汝德数仅为2.6，逼近Doctors 所述的2.5 下限值。

B 船的主船体要窄很多，无法布置更多喷水推进装置，所以单台喷水推进装置的尺寸就比较大，导致船尾吃水较深，尾封板在航速27 kn 时才完全脱水，这时船已经从排水状态进入到过渡状态了。

分析可知，为使船尾板尽快脱水，喷水推进装置安装法兰下方的尾板区域应尽量减少。这样还会带来一个好处，喷水推进装置倒航时的喷射水流更少地喷溅到尾板造成倒航力损失，倒航喷射水流与船尾板、船底板的相对位置关系如图2 所示。

图2 喷水推进装置倒航喷射水流示意图Fig. 2 Waterjet reversing jet flow

但是喷水推进装置下方的尾板区域经常要考虑截流板的安装空间，如图3 所示。喷水推进船通常航速较高，高航速段易使船舶产生尾倾，通过截流板的伸出可在尾部产生足够的升力以有效降低尾倾、减少阻力。截流板的不同组合还可用于调节高速船的其他姿态，包括横倾、横摇和纵摇，甚至可用于操舵[8]。

图3 喷水推进装置和截流板的紧凑布置Fig. 3 Compact layout of waterjets and interceptors

喷水推进船和螺旋桨船相比，尾部取消了诸如尾轴架、舵等附体，从减阻的观点看是有利的，但船的航向稳定性也相应变差了。喷水推进装置下方尾板底部空间的减少，必然要减少船尾部的侧投影面积，这将会加剧船舶航向稳定性的负面效果。如果尾部侧投影面积确实损失比较多的话，可以通过在尾部布置分水锺、固定鳍等方式来改善，如图4 所示。在试验研究方面，目前国内在拖曳水池中开展了利用平面运动机构研究喷水推进船航向稳定性的试验和分析[9]。

图4 分水锺、尾鳍布置示意图Fig. 4 Deadwood or skeg layout

4 喷水推进装置轴线间距

4.1 进流宽度和最大法兰直径对喷水推进装置轴线间距的限制

船舶航行时，从前方沿船底流进喷水推进装置的水流宽度范围一般为进口流道宽度的1.6～2.0 倍。航速较低时，船底水流是加速进入喷水推进装置进口流道，表现为“吸水”，进流宽度较宽；航速增加后，进流宽度会逐渐减少，航速较高时，水流是自己冲入进口流道，而且是减速。为防止相邻2 台喷水推进装置发生“抢水”问题，工程设计上，轴线间的最小间距一般不推荐小于1.8D（D为喷水推进装置名义直径，通常等于进口流道宽度）。

喷水推进泵的最大法兰直径依据不同泵型(混流泵和轴流泵)，其变化范围在1.3D～1.7D，均小于进流限制的1.8D，正常情况下不是影响布置的主要因素。例如图3 舷侧2 台喷水推进装置的轴线间距已经逼近1.8D的下限，但其混流泵型的尾板处最大法兰之间仍有空档。

4.2 操舵倒航机构对喷水推进装置轴线间距的限制

喷水推进装置操舵倒航机构对轴线间距的限制更大。目前喷水推进装置的操舵倒航机构主要有蝶形和厢形2 种形式，如图5 和图6 所示。

图5 蝶形操舵倒航机构Fig. 5 Butterfly-type steering and reversing gear

厢形操舵倒航机构的倒航斗和方向舵是集成在一起的，操舵时倒航斗是和方向舵一起转动的，所以其相邻2 台喷水推进装置向内操满舵互不干涉才是布置的约束条件（见图6）。目前厢式操舵倒航机构要求喷水推进装置轴线间距一般为2.3D～2.5D，极限的能设计为2.1D。当然没有操舵倒航机构（加速型喷水推进装置）就不受这个限制，或者可以通过硬件或软件的方法实现相邻操舵倒航机构的同步动作，也可以解除这个限制。例如图3 中，该型操舵倒航机构异步操舵不干涉的最小轴间距为2.1D，中间2 台喷水推进装置轴间距为2.5D，不受限制；舷侧2 台喷水推进装置轴间距接近1.8D，通过控制系统的软件设置为同步运动。

图6 厢形操舵倒航机构Fig. 6 Box-type steering and reversing gear

5 其他布置相关问题

喷水推进装置在运行中吸气，将引起功率和推力瞬时下降[10]。因此喷水推进装置进口流道的进水口要布置在即使在航行中各种船体姿态下也不易吸气的区域（对于多体船尤需强调）。

喷水推进装置进水口的附近和前方获流区域的一定范围应避免布置船上其他设备的吸水口或排水口，以及可能引发涡流的附体。

单体船舷侧的喷水推进器更容易吸气和吸入异物，特别是横倾或横摇时，布置喷水推进装置和设计尾部线型时需考虑。

6 结 语

根据以上分析和讨论，针对喷水推进装置在船上的配置数以及布置问题可以得出以下结论：

1）在船上空间允许的条件下，应该尽量布置更多数量的喷水推进装置以减轻总重量。

2）一般要求喷水推进装置的轴线不高于轻载静吃水线，这样在各种装载情况下，都不会影响喷水推进装置的静态自吸启动。

3）在满足截流板布置空间的条件下，应尽量减少尾板吃水，让尾板尽早脱水，以缩小尾板后喷水推进装置在尾流中形成附体阻力的航速范围。

4）为避免进流相互干扰，各喷水推进装置轴线间的最小间距一般不推荐小于1.8D，如配置操舵倒航机构，最小间距可能还需增大。