【doc】喷水推进器推进性能曲线的两种表示方法
喷水推进器推进性能曲线的两种表示方法 第31卷第01期
2010年01月
哈尔滨工程大学
JournalofHarbinEngineeringUniversity V0l_31No.01
Jan.20l0
doi:10.3969/j.issn.1006—7043.2010.01.004
喷水推进器推进性能曲线的两种表示方法
丁江明,王永生
(海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033)
摘要:针对目前喷水推进器推进性能的表示方法较单一,指导船舶操纵不够便捷的现状,阐述了喷水推进器等功率线
形式和等转速线形式推进性能曲线以及这2种表示方法的特点和各自的适用场合,并基于喷水推进基本理论和喷水推
进泵外特性数据以原理框图的形式描述了2种形式性能曲线的求取方法.通过研究认为,等功率线形式的推进性能曲线
更适用于喷水推进器选型,而等转速线形式的推进性能曲线用于指导喷水推进船的操纵使用或用于描述采用计算流体
力学数值计算得到的推进性能时更加方便.
关键词:船舶;喷水推进;推进性能;表示方法
中图分类号:U664.34文献标识码:A文章编号:1006.7043(2010)01-0020-06
Twomethodsforexpressingthepropulsiveperformance
curvesofmarinewaterjets
DINGJiang-ming,WANGYong—sheng
(CollegeofNavalArchitectandPowerEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuha
n,430033,China)
Abstract:Atpresent,thereisonlyonemethodforexpressingthepropulsiveperformancecurvesofmarinewater
jetsanditdoesnotprovideusefulinputforthemaneuveringofships.Inthispapertwomethodsforexpressingper-
formanceareputforward:oneisintheformofaconstant-powercurveandtheotherintheformofaconstant.rota—
tional-speedcurve.Theirfeaturesandapplicabilityareaddressed.Theapproachusedtoformulatebothformsof
propulsiveperformancecurveswaselaboratedbymeansofschematicdiagramsbasedonwaterjetpropulsionprinci-
plesanddataonpumpcharacteristics.Analyticresultsshowedthattheconstant-powerpropulsiveperformance
curvesaremoreapplicabletoselectionofatypeofwaterjet,whiletheconstant—rotational—
speedpropulsiveper-
formancecurvesaremoreusefulforplanningshipmaneuveringmethodsorforcalculatingpropulsiveperformance.
Keywords:ship;waterjetpropulsion;propulsiveperformance;expressionmethod 喷水推进器装船后的推进性能综合地反映了推
力,功率,转速以及航速这4个主要性能参数之间的
相互关系.在工程应用中,喷水推进器的推进性能往
往采用曲线图谱的形式来描述.
目前,在关于喷水推进的各种文献中,描述推进
性能的曲线图谱有2种不同的表示形式:第1种形
式以多个等功率条件下的推力特性曲线和转速特性
曲线来描述推进性能;第2种形式以多个等转速条
件下的推力特性曲线和功率特性曲线来描述推进性
能.第1种形式较为常见,大多数文献以及各大喷水
-08. 收稿日期:2009-02
基金项目:国家十一五预研项目(401010602).
作者简介:丁江明(1976.),男,讲师,博士研究生,E—mail:goodluck—
djm@126.com;
王永生(1955-),男,教授,博士生导师.
推进器制造商的产品性能说明都以这一方式给 出第2种形式只在少数文献中出现过剖. 但文献都仅给出了性能图谱,没有具体解释这 2种表示形式各自的特点,适用场合以及这些性能 图谱的求取方法,也没有说明为什么喷水推进器的 推进性能大多以第1种形式而不采用第2种形式来 表示.本文对上述问题进行
分析
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.
1描述推进性能的2种表示方法
1.1等功率条件下的推进性能曲线
以等功率曲线组的形式来描述喷水推进器推进 性能是工程应用中最常用的表示方法,以下简称方 法一.该方法采用了2组性能曲线图,一组是多个等 功率条件下推力随航速的变化特性曲线,称为推力 第1期丁江明,等:喷水推进器推进性能曲线的2种表示方法 特性曲线,如图1所示;另一组是前一组各个等功率 条件下泵的转速随航速的变化特性曲线,称为转速 特性曲线,如图2所示.
航速/a.u.
图2等功率条件下的转速特性曲线图
Fig.2Rotationspeedeurvesatconstantpowerinput
图1所示的推力特性曲线图中,推力的大小等 于各个喷水推进器推力之和,并考虑了推力减额的 影响.图中有多条等功率曲线,从上到下各条曲线的 功率依次减小,每条曲线反映了某等功率条件下喷
水推进器产生的净推力随航速的变化,各条等功率线共同组成了喷水推进器在整个工况范围内的推力
特性.将船体阻力曲线叠加到该推力特性曲线图,可 便捷地进行快速性预报,来确定船舶达到指定航速 时喷水推进器的收到功率或给定喷水推进器收到功 率时船舶能够达到的最高航速.
图2所示的转速特性曲线图中,图中多条等功 率条件下的转速特性曲线反映了等功率条件下泵转 速随航速的变化.根据图1中的功率和航速值,在图 2中可找出该工况下的泵转速.图1和图2较全面 地描述了喷水推进器的推进特性.结合图1和图2, 只要给定推力,功率,转速和航速这4个参数中的任 意2个即可求取其他2个参数.
在图1和图2中还标有3条虚线,将喷水推进 器的整个面工况划分成3个工作区域:
工作区域1.最下面的虚线称为持续工作限制 线,该限制线下方的工作区域称为区域1.喷水推进 器处于区域1工作时,不会产生明显的空泡,因此可 长期工作.
工作区域2.中间的虚线称为空化限制线,该虚 线与持续工作限制线之问的区域称为区域2.在区 域2内工作,喷水推进器内的流动已出现一定程度 的空泡.这些空泡虽然对喷水推进器水力性能影响 不明显,但会对喷水推进器造成一定程度的空化剥 蚀作用.因此喷水推进器在区域2内的工作时数一 般应限制在总工作时数的10%以内J,主要用于船 舶机动过程以及海况不佳情况下的操纵. 工作区域3.空化限制线上方的区域称为区域 3.在该区域内工作时,喷水推进器内部的空泡程度 已较为严重,不仅水力性能明显下降,而且对喷水推 进器的空化剥蚀也较强烈,因此应将该区域内的工
作时数控制在1%以内J.最上面的虚线称为推力 崩溃限制线.在该限制线以外的区域,喷水推进器因 空化程度过于严重,空泡堵塞过流通道,造成水力性 能急剧下降,因而无法正常工作来产生所需推力.3 个工作区域的划分为喷水推进器的选型以及工作制 的制订提供了基本依据.
在船舶喷水推进装置初步设计阶段,根据船舶的 设计航速,阻力曲线以及类似船型大致的推进效率可 先初步确定主机的总功率,在此基础上来进行主机选 型,确定主机的类型,数量,型号等要素的多种组合方 案,然后根据所选的主机配置
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
对应的轴功率来确 定喷水推进器的型号.为了便于喷水推进器的选型, 大多数制造商为每一型产品提供了如图1所示的等 功率推力特性曲线图供用户参考.用户只要将船舶阻 力曲线叠加到该推力挣l生曲线图上,即可快速地确定 采用该型喷水推进器时在指定功率下的航速以及是 否满足空化和效率等方面的要求.
选型时要求喷水推进器在设计航速以及阻力曲 线驼峰点对应的工况满足空化性能要求,阻力曲线 应位于持续工作限制线下方(即区域1内).但阻力 曲线也不能低于持续工作限制线过多,否则喷水推 进器将偏离高效区工作.例如图3所示的KaMe. Wa71SII型喷水推进器推力性能曲线图中,2条虚线 哈尔滨工程大学第3l卷
之间的区域为高效区,上面的虚线是持续工作限制 线,高于该线将出现空化,低于下面虚线推进效率较 低.对于图中的A,B,c3条阻力曲线,曲线A的驼 峰点附近超出了持续工作限制线,采用该型喷水推 进器不满足空化性能要求,因此需选择更大型号的
产品;曲线C虽然远离了空化的影响,但处于高效 区之外,因此需选择更小型号的喷水推进器;而曲线 B则同时满足了空化和效率两方面的要求,因此选 用该喷水推进器是合理的.
图3KaMeWa71SII型喷水推进器推力性能曲线图 Fig.3ThrustcurvesofKaMeWa71SI1waterjet
初步选型后,制造商还将对喷水推进器的喷口 面积和叶片螺距角进行微调设计,以进一步优化推 进性能和降低油耗.选定了喷水推进器的型号后,根 据它的功率.转速特性曲线(如图4所示)可确定喷 水推进器的转速,并结合主机的额定转速来确定齿 轮箱的减速比.
1.2等转速条件下的推进性能曲线
等功率条件下的推进性能曲线在喷水推进器的 选型中非常实用,在进行船舶快速性预报时也比较 方便,这种描述形式用于指导喷水推进船操纵使用 时显得不够方便.在实船操纵时,操艇人员一般通过 调整主机转速以及转向倒车装置来控制船舶.而图 1和图2所示的推进特性曲线图中,转速需通过功 率和航速来换算,无法与船舶操纵时的转速控制直 接对应起来.如果将喷水推进器的推进性能采用等 转速线的形式来表示,则性能曲线图中的转速可与 船舶操纵时的转速一一对应起来.
图5和图6分别为以等转速形式表示的推力特 性曲线图和功率特性曲线图.图5的坐标与图1相 同,横坐标是航速,纵坐标是推力.但图6所示的功 率特性曲线图,多条等转速线描述了各自转速下泵 功率随航速的变化特性.与图1,2相似,图5,6所示 的推进性能曲线图也采用同样的原则被划分成3个
区域.
图4喷水推进器功率一转速特性曲线图
(源自KaMeWa)
Fig.4Power—rotationspeedcharacteristicsofwaterjets
(fromKaMeWa)
褂
IV2V35V6V7V8l0V
航速/a_u.
图5等转速条件下的推力特性曲线图
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图6等转速条件下的功率特性曲线图
Fig.6Powercurvesatconstantrotationspeed
在喷水推进船的一些特殊但常用的操纵过程 中,如快速启航,紧急加速,高速转弯,紧急倒车,部 ..
第1期丁江明,等:喷水推进器推进性能曲线的2种表示方法 分泵高速工作等,喷水推进器容易进入空化区工作. 采用等转速曲线组形式表示的推力特性图可指导操 纵人员在以上特殊工况下便捷而合理地进行操纵. 例如,在快速启航或紧急加速过程,为了缩短加
速时间并保证喷水推进器的空化性能,可采用分档 加转速的方法来进行.每次将转速增加至上,档转 速时需保持转速不变,等待一定的时间以使航速跟 随增加;然后,再进行下一档加转速过程,直到最终 航速.但加速档数,每次加速的时机,每次加速的转 速设成多少这些问题并没有现成的答案,却又是操 纵舰艇人员最为关心的.采用等功率形式的推进性 能图来指导上述加速过程显得十分不便,操纵舰艇 过程也没有足够的时间来保证.而采用等转速形式 的推力特性曲线,可按照图7中箭头所示的步骤很 方便地进行加速.箭头所指位置对应的转速和航速 一
目了然.操操舰艇人员可根据当时的工况和加速 要求,参考类似图7所示的推力性能图,自行决定分 几档加速,每档加速到什么转速,每次加速后等待航 速增加到多少节后再加速.只要每次加转速后喷水 推进器的工况不进入持续工作限制线以上区域,各 种加速方案都能满足喷水推进器的空化性能.在该 图中,每一个航速都对应持续工作限制线上的一个 转速,只要在该航速下泵转速不超过该转速值,各种 加速过程都不会使喷水推进器进入空化区. vtv2v4vsv61;7v8v9Vl0巧
航速/a_u_
图7用等转速形式的推力特性图指导船舶操纵的示意图 Fig.7Schematicdiagramofinstructingshipmaneuveringby
thethrustcurvesatconstant--rotation?-speedform
又如,船舶在部分喷水推进器推进时,为了保证 空化性能,喷水推进器应降转速工作.在图7中将部 分泵工作时的阻力曲线叠加进来,与持续工作限制
线之间的交点(图中的实心圆点)对应了允许的最 高转速以及能达到的航速.因此在部分泵工作时,只 要控制转速不超过圆点对应的转速值,喷水推进器 就能保证空化性能.
另外,在运用计算流体力学(CFD)程序数值预 报喷水推进器的推进性能时,用等转速线的形式来 表示计算结果也要比等功率线形式更加方便.CFD 程序预报推进性能时,功率和推力事先是未知的,需 通过设定航速和泵转速这2个参数后对流场控制方 程进行迭代计算来求取.将转速保持在某一值,通过 调整航速进行CFD计算,可得到该转速下喷水推进 器的推力和功率随航速的变化曲线.推力特性曲线 与船体阻力曲线的交点对应的航速即为该设定转速 所对应的航速.通过以上的方式,采用CFD程序数 值计算可进行船舶的快速性预报.该预报结果还可 与2.2节中通过喷水推进原理求取的等转速特性曲 线进行比较,来分析CFD预报精度.
2推进性能曲线的求取
2.1求取推进性能曲线的基本方程
喷水推进器的推进性能曲线描述了喷水推进器 的外特性,它是喷水推进原理的外在表现.推进性能 的求取可从以下3个描述喷水推进原理的基本方程 出发:
T=pQ(—),(1)
H=(1+砂)一(卢一K1)+,(2)
P.:世.
(3)
叼r/,r/p
式中:T,P,Q,,和分别代表喷水推进器的推
力(不考虑方向),水的密度,流量,喷口射流平均速 度,船体边界层对进流动量的影响系数以及航速; H,,卢,K,g和,分别代表喷水推进泵的扬程,喷 口流动损失系数,船体边界层对进流动能的影响系 数,进水流道的流动损失系数,重力加速度和喷口中 心线距水平面的高度;P.,叼和叼,分别代表泵 效率,主机输出功率,传动系统机械效率和泵的相对 旋转效率.
式(1)为喷水推进系统的推力方程,它反映了 流经喷水推进器的水流在喷口与进水口前之间的动 量变化.式(2)为以扬程形式表示的喷水推进系统 能量守恒方程,它反映了流经喷水推进器的水流的 动能,位能的增加量与流动损失之和等于喷水推进 泵提供给水流的能量.式(3)为喷水推进泵的效率 公式,在采用上述3个基本方程进行喷水推进系统 推进性能预报时,p,g和是已知的,,K,r/和 叼是假定的,叼,H,Q,,Ot和是计算过程的中间 ..R
?
24?哈尔滨工程大学第3l卷
变量,和P.(或泵转速n)是输入量,而以及泵 转速n(或P.)是待求量.,K,叼和t,7一般按照 经验值近似给出,常在0.02—0.03取值,K取值 范围为0.2—0.3区间内,叼取0.97左右,叼,取0. 98左右.和可根据船体尺寸,航速,喷水推进器 流量以及船体边界层速度公式来求取,计算结果再 反馈到推力和扬程公式进行迭代求解. 以上计算中,喷水推进泵的效率这一重要参 数有待确定.因为喷水推进器的工况并不仅在设计
点,要预报整个工况范围内的推进性能就需要确定 泵随工况变化的效率值.泵效率是通过泵的扬程和 功率推导而来,求取泵效率往往需要图8和图9所 示的泵水力性能试验数据.
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静
图8喷水推进泵的扬程特性曲线图
Fig.8Headcharacteristicsofwaterjetpump
流量/a.u.
图9喷水推进泵的功率特性曲线
Fig.9Powercharacteristicsofwaterjetpump
2.2等功率条件下推进性能曲线的求取
有了泵水力性能试验数据后,喷水推进器以等 功率曲线形式表示的推进性能可根据3个基本方程 编写计算机程序按照图1O所示的原理来进行预报. 图1O中,给定任一航速值和主机输出功率值,对应 的喷水推进器推力和泵转速即可求出.保持输人功 率不变,改变航速输入值即可得到等功率条件下推 力随航速的变化曲线以及转速随航速的变化曲线. 重新设置另一个输入功率,可类似地求取另一条等 功率推力曲线和转速曲线.在该计算过程中,泵转速 以功率和流量作为输人量根据图9所示的功率特性 图来求取,然后将求得的转速与流量作为输人量根 据图8所示的扬程特性图来计算泵的扬程. 图10求等功率条件下喷水推进器的推力和转速 随航速变化的原理图
Fig.10Schematicdiagramofacquiringthrustandrotation
speedcharacteristicsasafunctionofshipspeedat
constantpowerinput
推力性能图中3个区域以喷水推进泵的吸入比 转速为标准来进行划分.对于一般的喷水推进混流 泵,持续工作限制线对应的吸入比转速约为 1080(r?min,?m?s-0.5),空化限制线为
1190(r?min,?m?s-0.5),推力崩溃线为1300 (r?min..?m??sIo?),而类似于KaMeWa公
司的混流式喷水推进器的持续工作限制线对应的吸 入比转速约为1300(r?min,?m?s-0.5),空化 限制线约为1450(r?min,?m?s?..?)]. 2.3等转速条件下推进性能曲线的求取
等转速线形式的推进性能曲线图可与上述等功 率线形式的推进性能曲线图相似的方法来求取,计 算过程的原理如图11所示.不同之处在于,求等转 速线形式的推进性能图时,泵的功率和扬程的求取 是独立的,2个模块中分别输入流量和转速值即可 求取相应的功率和扬程.3个工作区域的划分准则 与2.2节中方法的划分准则相同.
第1期丁江明,等:喷水推进器推进性能曲线的2种表示方法 图11求等转速条件下喷水推进器的推力和功率 随航速变化的原理图
Fig.11Schematicdiagramofacquiringthrustandpower
characteristicsasafunctionofshipspeedatcon— stantrotationspeed 2.4推进性能曲线2种表示形式的相互转换 除了上述基于喷水推进的机理求取等转速形式 的推进性能曲线图外,还可采用数据变换的方法从 图1,2所示的等功率形式的推进性能图转换而来. 在图2所示的转速特性图上,对于某一转速,不同的 航速对应相应的功率,因此可通过图2求取各个等
转速条件下功率随航速的变化规律.在此基础上,将 每一等转速线上的航速及对应的功率代入图1所示 的推力特性曲线图上,求得该等转速条件下每一航 速所对应的推力.将各条等转速条件下的推力曲线 组合在一起构成了图5所示的推力特性曲线图,将 各条等转速条件下的功率曲线组合在一起构成了图 6所示的功率特性曲线图.这一转换过程可采用人 工取点的方式来完成,也可借助人工神经网络工具 快速地完成.
与此相类似,图1,2所示的等功率形式的推进 性能图也可以从图5,6所示的等转速形式的推进性 能图转换过来.
3结论
1)喷水推进器推进性能既可通过等功率线的 形式来描述,也可采用等转速线的形式来描述. 2)等功率线形式的推进性能曲线应用在喷水推进 器的选型过程比较方便,而等转速形式的推进性能曲 线在指导喷水推进船舶操纵使用时比较方便. 3)喷水推进器推进性能曲线图可通过喷水推 进的3个基本方程来求取,要保证性能预报精度还 需用到喷水推进泵的水力性能图谱.除了采用模型 试验手段来求取泵的水力性能外,利用计算流体力 学(CFD)程序数值求解喷水推进泵的三维湍流粘性 流场来得到泵的水力性能数据也是一种可行的途 径.
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