模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性能

模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性能 模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性 能 2002年第7期国外舰船 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 总第281期 模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性能 周轶美译何汉保校 摘要对于运行时可能吸气到推进器叶片系统的船舶(高速船,浅吃水运输船等),吸 气式喷 水推进器是很有前途的推进器.介绍在空泡水筒中测量吸气式喷水推进器水动力 性能的方法,并 给出基本试验结果. 关键词推进器水动力性能模型试验 1引言 吸气式喷水推进器(VwJ)最适合于推进器安装 于近水面的船舶.理论和试验数据表明,吸气式喷 水推进器的特点是推进效率高,结构简单,重量轻, 噪声低,操作性能优良,特别是在有波浪影响的近水 面航行时性能稳定. 吸气式喷水推进器由水导管和安装于导管出口 处的轴流式叶轮组成.因此可获得推进器喷流的水 上或半浸入水的喷射,而不需要传统的水流矫直系 统.当推进器工作时,与水导管出口接触的空气顺 着导管至叶轮叶片并在叶片上形成空泡,然后在喷 流边缘与大气汇合.这些空泡分隔,作用如同收敛 导管,从而减小推进器的水压力面.吸气式喷水推 进器示意图见图1. 图1吸气式喷水推进器布置图 吸气式喷水推进器水动力性能的理论计算 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 考虑水和空气两种介质的存在,推进器叶片上空泡 的形成条件等复杂问题.当前大量的问题通过简化 假设得到了解决,但是在某些情况下,这些结果没有 达到要求的精度.这就是讨论吸气式喷水推进器推 进引起的水动力时,试验是很重要的原因.我们可 以注意到,关于吸气式喷水推进器水动力性能的论 一 26一 文非常少,而且至今也没有发现国外有关的研究信 息. 2吸气式喷水推进器模型试验特性 必须指出,能进行吸气式喷水推进器模型试验 的设备,不仅要满足模型和实船的几何相似及水动 力相似,还要满足一些附加条件.附加条件如下: ? 提供推进器喷流与大气之间的接触; ? 在大气压力和真空条件下进行试验的可能 性. 提出后面一条要求的理由如下: 1)在某一给定进速系数.,下,对不同流动速 度,叶轮叶片上流动分离点(空化起始的地方)的位 置不是单一的,引起无因次水动力特性也不同.吸 气式喷水推进器模型试验和表面螺旋桨模型试验表 明,尽管可观测到叶片完全充满大气,但在相同进速 系数下,低空泡数的推力系数和扭矩系数比大气压 力条件下的小. 2)由于导管提供吸气式喷水推进器的部分推 力,导管空化时推进效率可能降低. 因此,在确定推进器水动力性能时,必须考虑叶 轮叶片上和其他一些细结构上空化开始的可能性, 以及空化程度对推进效率的影响等.试验设备应能 观测叶轮和导管区域的流动.为了确定吸气式喷水 推进器的水动力性能,建造了一台特殊的水动力试 验台,还设计了在空泡水筒中进行吸气式喷水推进 器模型(叶轮一轴一水导管)的试验方法. 水动力试验台应能进行大气压力和真空压力下 吸气式喷水推进器叶轮模型轴向流动的试验.安装 2002年第7期国外舰船工程总第281期 在试验台工作段出口的模型将来流推向蓄水池中水 面.在试验中,测量叶轮推力和扭矩q,转速n, 总压力P和静压力P..叶轮上的压力为P0.试验结 果表达为无因次推力系数K:r/(pnD),无因次 空泡数 扭矩系数=Q/(pnD)以及导管压力, = 2(p一Po)/(』D/嵋)与进速系数-,=v3/(nD)的 关系.这里,V3=~/r_二,D为叶轮直径. 到目前为止,在水动力试验台上已进行了一些 试验一理论研究和不同几何尺寸的推进器模型系列 试验.根据水动力试验台上得到的推力和扭矩曲线 图以及其他一些水动力特征,可以初步近似确定吸 气式喷水推进器水动力元件,计算船舶推进性能. 3在空泡水筒中进行吸气式喷水推进器模 型试验的方法及结果 在水动力试验台上进行模型试验时,吸气式喷 水推进器进口段壁面上产生的力并未计入,而且在 带有进口段一起工作时,叶轮的水动力特征还会发 生变化.为了确定吸气式喷水推进器的水动力特 性,特设计出包含"导管一轴一叶轮"的水动力测试 成套设备在空泡水筒中进行模型试验的方法.为保 证推进器喷流与空气的接触,可通过安装在空泡水 筒上部的气阀调节,使空泡水筒达到较低水位.吸 气式喷水推进模型在空泡水筒中的布置见图2. 试验将测量下列参数:叶轮推力,轴扭矩q; 6 作用在进口壁面上沿运动方向的力R;叶轮前的压 力P,由此确定实效空泡数.推进器的实际推力是叶 轮推力和进口阻力的差值.=一只.试验结果表 达为无因次叶轮推力系数K=r/(pnD),无因次 叶轮实效推力系数:/(D),无因次扭矩 系数=Q/(pnD),无因次阻力系数CR= 2R/(』D俨)与进速系数J=v/(nD)的关系.其中, 是用皮托管在工作段测量叶轮处的水流速度,17,为 轴转速,D为推进器直径.空泡水筒中模型试验分两 步进行: 1)研究阻力最小及在运动时无空泡的进口段 形状. 2)确定推进器组合体的水动力性能,其进口形 状由1)确定,其中叶轮几何形状利用由水动力试验 台确定的水动力特性图谱在设计第一阶段确定. 在第一阶段的试验中,分别观察大气压力及真 空下叶轮区域和导管区域的流场.导管形状和叶轮 叶片轮廓形状在空化起始时要进行修正.因此,每 次进行水动力测量都须完整重复一遍上述步骤. 根据试验第二步VwJ最终形式的试验结果,推 进器组合体水动力特征用,,关于-,的函数 来描述.对选定的进口,螺距比H/D=1.2的吸气 式喷水推进器的特征曲线见图3.在这种情况下,可 以设计进口形状使系数,在整个变化范围内吻 合,例如导管推力完全抵消轴和尾轴架的阻力及进 图2空泡水筒中进行吸气式喷水推进器模型试验的设备示意图 1空泡水筒轴 2吸气式喷水推进器叶轮模型 3吸气式喷水推进器导管模型 4船体模型7尾轴架 5测力计支架8轴承 6空泡水筒外壳9水密封装置 口壁的摩擦阻力等.因此,效率 仇=r,J/(2rrK0)达到0.64. 类似可得螺距比H/D=1.0, 1.8,1.9的吸气式喷水推进器 特征曲线. 值得注意的是上述所有吸 气式喷水推进器的特征曲线是 低压力条件下测得的,适用于 包括高速船在内的各类船舶. 由吸气式喷水推进器的水 动力特征可看到,对所有的吸 气式喷水推进器,叶轮推力与 进速比的关系都有明确的表 一 27— 2002年第7期国外舰船工程总第281期 征.对这些推进器,水动力特征曲线由两个分支组 成,一支对应低进速比(低航速),曲线随着J的减小 而减小.这部分曲线特点是存在由叶片导边分离的 空泡.曲线的右边部分对应全速,这时,在叶片吸力 面的部分或仅仅随边存在充气现象.推进效率的最 大值通常出现在曲线的一支与另一支相交区域(或 者说进速比稍大的区域). 03 hc ^ 0.2 0.1 0 l0R |,f. 』_, 0.3Il{ f,, ———- J/,__—— 0.2 // — , r , , , , 0.1,, ,? J 一 ' _ ' ..—— 1 I ,{, ,t, ——-. V- 一 01.0 ?一l,1l,tl ?一hf 图3吸气式喷水推进器性能曲线 应该注意到,在空泡水筒中进行吸气式喷水推 进器模型试验的方法,允许静水位与气阀下边缘重 合,水筒工作段上边平齐.通常,吸气式喷水推进器 的叶轮轴线与此水位平齐.因此,静水压力对流经 推进器的流速没有影响,对于不同航速,模型试验的 结果重合,即没必要满足傅汝德数相似. 对实船,水自由表面与尾封板处的船底是不重 合的,尾封板处相当于模型试验中气阀的下边缘.对 低速船,这个差别尤其大.这种情况下,由于静水压 力由尾封板相对于静水面的浸深决定,叶轮前面总 的水压头增加.为此,可在计算中引入与傅汝德数有 关的伴流系数来考虑,伴流由公式wh=l一 ~/l+2/F,计算. 一 28一 对于低速,系数可能为很大的负值,这导致 推力系数曲线在大进速比时减小,相应的低速时计 算的推力偏大.对于高速,系数为小的正值,计 算中可以不予考虑.图4示出叶轮轴线在不同浸深 时,螺距比H/D=1.2的吸气式喷水推进器模型的 特征曲线. _——?-—- J_._一—— —— ,????…- 02.;3.曷—_?2. //,/-',:lm.:1I.?-——'j—^- 0|3, ,/l0{,tl ?_————? ? ,?——_—— ?——-——?—— 0.2 ?—— 錾?',__一/l}—?:Ill l .3.如.?一1Jn1. 51.2/02.! 垂豸/0.1垂??? ?——_?_ .?一.—— -_——?_一 0. },,// 图4吸气式喷水推进器性能曲线与傅汝德数的关系曲线 4结论 由上述讨论可以得出结论:水动力试验台上进 行的吸气式喷水推进器叶轮的模型试验,以及在空 泡水筒中进行的吸气式喷水推进器试验结果,可以 用来确定推进器的尺寸和水动力要素,还可确定装 备了吸气式喷水推进器的船舶推进性能. 参考文献 1LipisVB.Aboutdynamicscaleeffectofpropelleratmosphericcavitation. ProceedingsofTsNIIMF.1972,153 2IbragimovaTB.KortunovaEL.Experimentalinvestigationofhydrody? namiecharacteristicsofventilatedwater—jetimpellers.Proceedingsof KrylovShipbuildlngResearchInstitute.1996,286(2) (收稿13期2002—02—08)