泵喷水推进器研究进展

泵喷水推进器研究进展 第,,卷第,期 船海工程 ,,,(,, ,,(, ,,,,年,,月 ,,，,,,,,,, ,,,，,,,,，,, ,;,(,,,, ,,，:,,(,,,,,,(,,,,(,,,,,,,,,(,,,,(,,(,,, 泵喷水推进器研究进展 倪永燕。刘为民 (江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江,,,,,,) 摘要:分析泵喷水推进器的基本工作原理及其与系统的匹配;重点讨论泵喷水推进器高效率的实现所 涉及的设计问题、现代分析方法与结论以及推力计算领域的内容。介绍泵喷水推进器在转向和倒车领域的问 题及发展潜力。 关键词:泵喷水推进器;船舶;综述;设计;,,, 中图分类号:,,,,(,, 文献标志码:, 文章编号:,,,,,,,,,(,,,,),,,,,,,,,, 泵喷水推进器(,,,,,,,, ,,,,,,,,,,)又称为喷 的喷速比有关。要取得喷水推进的高效率，关键 水推进泵。随着,,世纪后期,,,(,,;,,, ,,,,, 在于取得推进水泵效率和系统效率的最佳综合效 ,,,,)船、水翼艇以及 ,,,,,)船、,,,(,,,,,;, ,,,,;, 果。对提高喷水推进效率的研究重点放在系统总 高速渡船等高性能船舶为代表的水上运输高速化 效率优化、推进水泵的研究及制造、减小进水管道 的发展，由于泵喷水推进器优越的抗空泡特性等 损失等三个方面。喷水推进的另一个关键技术是 水力性能以及结构特性的优势(机动性和操纵性 保证船在转弯时其推力不会丧失。目前可以通过 好、适合浅水航行、振动噪声小、水声信号低、高航 单片水平操舵变流装置来引导水流喷向左舷或右 速时效率高、抗空泡能力强等)使其适用及需求 舷，以此获得最大转弯力。喷水推进的第三个关 范围越来越广，发展势头迅猛。以泵喷水推进器 键技术是配备操作灵活、水动力性能优良的倒车 为动力装置的高性能船舶是现代新型船舶工业体 装置。通常采用由液压驱动的分隔式双瓣导管倒 系的重要内容，对泵喷水推进器的深入研究是我 车变流装置在船下改变水流方向，使船得到强有 国造船工业发展战略的一个核心课题。喷水推进 力的向后推力，随后控制系统允许可倒车变流装 技术大致经历了液泵喷水推进、间歇喷水推进、底 置在保持全舵力时置于零速度位置。 板式喷水推进、艉板式喷水推进和舷外喷水推进 本文主要以艉板式泵喷水推进器为例，介绍 ,个阶段…。从目前在船舶上的应用情况看，艉 喷水推进器在上述三个方面关键技术的研究进 板式喷水推进已成为喷水推进的首选形式。 展。 虽然喷水推进和螺旋桨推进的历史同样长 久，但是喷水推进技术的发展相当缓慢，直到近年 , 基本工作原理及基本方程式 来才得到一定的推广应用。造成这种状况的原因 图,所示为典型艉板式泵喷水推进器。 很多，主要是下述这,个关键问题还没有得到有 效解决，即高推进效率实现，转弯力保证以及倒车 装置控制。喷水推进的系统总效率取决于两个方 面，即水泵效率和系统效率。二者都与推进水泵 收稿日期:,,,,—,,—,, 修回日期:,,,,—,,—,, 图, 典型艉板式泵喷水推进器示意 基金项目:国家自然科学基金(青年基金)(,,,,,,,,) 第一作者简介:倪永燕(,,,,一)，女，博士，讲师 从泵喷水推进器的功率和效率需求、舰船布 研究方向:船舶流体力学、船舶(仿生)推进及深海结 置的需要以及传动机构的合理、方便、可靠等因素 构物涡激振动 出发，通常选用轴流式叶轮或斜流式叶轮，特殊情 ,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,(,,, 况下也会采用离一,,、”式叶轮。泵喷水推进器不是像 ,万方数据 第,期 船海工程 第,,卷 螺旋桨那样直接产生推力，而是利用其喷出水流 大小及其功率特性受航速的影响小。泵喷水推进 的反作用力推动船舶前进。 器功率和推力的调节通常通过变换转速来实现。 泵喷水推进器的推力计算基本方程式为 如前所述，泵喷水推进器的叶轮通常为轴流式和 (,) 斜流式，即高比转速叶轮，因此都具有无过载特 式中:卜轴向推力; ,,,,(;,—;。),,,;。(,一,) 性，基本不会出现主机过载现象。 ,——流体密度; 船舶阻力曲线通常由船舶设计方提出旧,。 ,——体积流量; 船舶阻力,随着航速,的增加而增大，?送獯 ?;;——喷嘴出口处射流速度; 阻力还受载重量的影响，满载和空载时的船舶阻 ;。——吸人管路平均速度; 力不同。 ,;——射流速度比，,,,;,,;。。 泵喷水推进器的性能曲线一般为多个功率条 在实际运行中，由于有能量损失的存在，水流 件(对应不同的转速)下推力丁随航速,的变化 的动量并不会全部转化为推进船舶前进的推力， 曲线, ,，见图,。将船舶阻力曲线与泵喷水推进 因此根据式(,)得到的泵喷水推进器的推力与实 器的推力曲线叠放在同一幅图上，就可以得到船 际值有差距。 舶阻力与泵喷水推进器推力的平衡点。泵喷 泵喷水推进器与系统的水推 进器的负载(船舶阻力)不能太大，也就是其推力 , 匹配 有工作上限。当推力过大(转速升高)时，根据方 喷水推进装置最常见的原动机及传动装置配 程(,)可以看出其流量或者流速会较大，这时候 置有燃气轮机与减速齿轮箱驱动、柴油机与减速 就会发生空化。船舶设计者在进行泵喷水推进器 齿轮箱驱动、燃气轮机或柴油机直接驱动等形式。 的选型或者设计时通常都会考虑空化的影响。图 在采用全电力综合推进的舰船上则一般采用电动 ,中，曲线?为空化初生曲线，曲线?是空化达到 机直接驱动泵喷水推进器的形式。泵喷水推进器 某种程度时的曲线。由上述两条曲线分割的区域 要满足主机、管道系统(包括泵)和船体三方面的 ，为无空化区，区域，，为轻度空化区，区域，，，为 平衡，即主机的功率和转矩要与泵喷水推进器吸 重度空化区。要求泵在无空化区内运行。船舶稳 收的功率和转矩相平衡，泵喷水推进器的扬程要 定航行工况(泵喷水推进最优效率工况)与空化 在系统效率较佳的前提下与管道系统及喷射损失 限制线?之间留有一定的裕度，通常喷水推进器 相平衡，泵喷水推进器的推力要和设计工况下的 在额定转速条件下运行时该裕度取为泵额定航速 船体阻力以及系统的附加阻力相平衡。 ,。的,,,。 ,(,扬程与管道损失的平衡 泵推进器的扬程等于其出口处单位重量液 体的能量减去进口处单位重量液体的能量以及进 出口之间的能量损失之和旧,，即 日,(,,，,丑,，乏)一(,,，面,,，考)，，(,) 式中:，——单位重量液体的损失，包括叶轮和管 图,泵喷水推进器性能 路中的水力损失、叶轮的轮缘泄漏损失(容 积损失)以及叶轮下游整流导叶和喷嘴的 对于主机的匹配，可以在船舶阻力以及所配 收缩损失。 备的泵喷水推进器设计完成后根据所需求的配备 根据式(,)和(,)，可根据推力需求得到泵推 功率和转矩选取或者设计合适的原动机。 进器的扬程。在计算得到扬程以后据其设计叶 ,水力设计及流动分析 轮。 ,(,推力与船舶阻力的平衡 ,(,水力设计理论与绘型方法 由于泵喷水推进器是由其进出口流速的不同 叶轮是泵喷水推进器的核心过流部件，泵喷 所形成的动量来实现船舶推进的，因此其推力的 水推进器的叶轮主要有斜流式和轴流式两种形 ,万方数据 泵喷水推进器研究进展—倪永燕，刘为民 式，见图,。到目前为止，叶轮的设计主要参考泵 就是叶轮较宽。因此通常是在不同的回转流面上 叶轮的设计方法。传统叶片泵中离心叶轮的设计 进行平面绘型， 然后再将平面绘型串联成为空间 已经有近百年的发展积累，主要采用模型换算法 叶片。基于一元设计理论的绘型方法存在下述两 和速度系数法。但是，这种基于经验积累的设计 个不足之处，一是现有的一元设计理论并不关心 方法虽然比较可靠，但却限制了设计的创新。同 叶片翼型进口边到出口边的过渡过程，但是已有 离心式叶轮不同，斜流式和轴流式叶轮的水力设 研究发现叶片形状的微小差别会对其运行的稳定 计方法多种多样，各有特点。 性产生关键性影响;二是由平面绘型串联成的空 间曲面往往不平滑。在手工制作模具的过程中， 模具制作工可以依据个人的丰富经验对这种不平 滑进行修整。但是在应用数控加工进行模具制作 的工艺中，这种绘型方法已经无法满足加工精度 的要求。 ,(,流场分析 近,,年来，现代,,,技术突飞猛进并在泵 喷水推进器领域也得到了广泛的应用。,,,计 算方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组 成了研究流体流动问题的完整体系。目前对泵喷 图,斜流式和轴流式叶轮示意 水推进器的,,,分析基本上都是采用雷诺时均 斜流泵在泵领域的应用优势也是近些年才被 法(,,,,方程)，应用,—,湍流模型封闭方程进 人重视的，斜流式叶轮的设计方法有传统的用于 行计算旧,。泵喷水推进器的工作环境非常复杂， 离心泵设计的一元设计理论、逆向求解设计法以 典型的问题是其吸入口和喷出口(喷人空气中还 及控制速度矩设计法等?,。轴流泵的设计主要 是喷射到水中或者二者之间)的?魈 际芑肪车?有圆弧法和升力法，这些方法借用了航天翼型的 影响很大，流动结构与叶轮内部流动完全不同。 叶栅理论。为了获得期望的叶轮出口速度分布， 因此应根据具体的流动结构和流态采用不同的湍 有自由旋涡法和强制旋涡法或者介于二者之间的 流模型。国内的相关研究没有根据这些不同于泵 出口速度控制方法【, ,。在泵喷水推进器的相关 的泵喷水推进器的具体特点进行研究，采用的计 文献中，虽然也有些论文提到了叶轮设计所采用 算模型变动不多、计算区域也基本局限于泵段，较 的方法【, ,，但是还没有具体的介绍叶轮水力设计 少考虑船舶伴流附加阻力，一般计算得到的外特 过程的资料。因此，针对泵喷水推进器的具体使 性曲线也基本上是描述泵特性的流量一扬程曲线， 用环境和推力需求，建立相应准确、可靠的水力设 而不是类似于图,所示的泵喷水推进器的推力特 计方法还有很大的潜力。 性曲线。此外，虽然有部分文献提供了试验数据， 需要说明的是，在借用泵叶轮设计的速度系 但是没有对试验的装置及试验手段进行介绍。 数法和模型换算法设计泵喷水推进器的叶轮时， 国外在相关领域的工作要多一些。首先进水 不能忽略叶轮下游整流导叶的影响:由于泵喷水 管道影响叶轮进口流态分布的均匀性，从而会产 推进器叶轮下游的整流导叶和喷嘴是收缩的，同 生影响舰船舒适性和可操纵性的径向力，荷兰埃 一叶轮应用在泵喷水推进器上以后，其最高效率 因霍温理工大学的,,,,以及,,,,,,等通过 点与泵相比会向小流量方向偏移，也就是其比转 ,,,技术对进水流道内的流动及其对叶轮内部 速会略微降低。 流动和径向力的影响进行了数值分析，并开发了 泵喷水推进器的其它过流部件，例如进水管 在试验台上测量径向力的专用仪器一,;对于斜流 道、叶轮下游的整流导叶以及喷嘴和倒车水斗等 式或者轴流式开式叶轮，叶轮轮缘(,,,,,,,, ,,,) 的水力设计资料还很少见。 与壳体之间的间隙存在泄漏流动。由于斜流式和 当前的水力设计方法都是一元设计。由于斜 轴流式叶轮轮缘处的做功能力强，因此必须考虑 流式和轴流式叶轮从轮毂到轮缘的距离较长，也 此处的泄流流动对主流的影响。美 国约翰?霍普 ,万方数据 第,期 船海工程 第,,卷 金斯大学的,, ,,,,,,,等在闭式回路试验台上 采用经验参数来确定。这种采用经验系数的方法 应用二维,，,技术对这种泄漏流动的流动结构及 需要有大量试验数据的统计结果作为基础。 泄漏涡的翻滚过程进行了展示?…。在流场可视 ,)采用试验测量的手段来求取喷水推进器 化处理中，,, ,,,,,,,采用了不同精度的显示分 的推力。推力可通过直接测量得到，也可通过测 辨率来分析轮缘泄漏旋涡图像，其所做的工作及 量进水口和出水口处的速度场后再应用动量定理 图像信息后处理的方法在泵喷水推进器等水力机 计算。 械内部流场的可视化研究领域是突破性的。此 ,)采用数值计算、即用计算流体力学(,,,) 外，海外学者对船舶运动与喷水推进器之间的相 方法来求取。船舶或者两栖战车在工作过程中会 互作用、自由液面对喷水推进器的进口流动以及 有转弯以及加速等非平衡工况，在这些非平衡工 泵喷水推进器的运行稳定性的相互作用也有初步 况下的推力特性，目前相关的研究还很少。敖晨 的研究?,,。另外韩国国立釜山大学的学者对某 阳等对船舶喷水推进系统的动态性能进行了仿真 喷水推进器的进水管、轮缘间隙等领域也做了系 分析，其所建立的泵喷水推进器各部分的模型可 统的研究工作?,。, ,‘，其中,，, ,,,,—,,,,设计 以为非平衡工况下的推力分析提供一种思路?引。 了一台可在浅水区行进的履带车，将所设计的泵 ,换向与倒车装置 喷水推进器作为该履带车的动力装置以研究泵喷 水推进器的推进能力，得到了类似图,所示的泵 由于本身的结构特点，采用泵喷水推进器的 喷水推进器性能曲线(输出功率一车速曲线)，其 船舶不能像螺旋桨那样靠主机的倒转来实现倒 研究为泵喷水推进器的非管路试验台试验提供了 航，一般是设法使喷射水流反折来实现倒车，使喷 一种有效的方法。 射水流偏转来实现船舶转向。常见的舵及倒航组 此外，转向和倒车是泵喷水推进器的重要工 合操纵设备有外部导流倒放斗、外接转管倒放罩 况，但目前还鲜有采用,,,技术对转向和倒车仿 等。 真所作的工作。 传统的倒车水斗的倒车效率低。而且在正常 由于,,,技术可以对设计的结果进行仿真 航行中，倒车水斗会有附加阻力。现有的转向结 分析以比较不同水力设计的优劣，因此水力设计 构在转向时会有推力消失现象。这些都是现代泵 方法自身越来越无法得到应有的重视。这也许可 喷水推进器所需要改进的内容。目前在航空领域 以看作是现代,,,计算方法以及流场可视化飞 新发展起来的射流推力矢量控制技术应该能够为 速发展所带来的负面作用。 泵喷水推进器的现代换向理论提供借鉴?孓,,,。 ,(,推力传递及分析 , 结论 公式(,)是泵喷水推进器理想推力计算的方 程式，而泵喷水推进器推力的实际计算所涉及的 ,)目前泵喷.