喷水推进器功率特性与航速相关性研究

喷水推进器功率特性与航速相关性研究 喷水推进器功率特性与航速相关性研究 第17卷第3期 2005年6月 海军工程大学 JOURNALOFNAVALUNIVERSITY0FENGINEERING V01.17No.3 Jun.2005 文章编号:1009—3486(2005)03—0022—05 喷水推进器功率特性与航速相关性研究 王永生,丁江明,敖晨阳.,陈华清.,张煜盛 (1.华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉430074;2.海军工程大学船舶与动力学院, 湖北武汉430033;3.海军装备研究院,北京100073) 摘要:通过对某船喷水推进系统的分析,研究了喷水推进器的功率特性(功率与转速的关系)与航速的关 系.先由喷水推进动力学方程引出喷水推进器功率特性在喷水推进系统稳态特性和动态性能研究中的作用. 然后分析了KaMeWa71S?喷水推进器的转速特性,将转速特性变换成力矩特性后,分析了该力矩特性,并将 其与螺旋桨相应特性作了对比.根据转速特性获得的3个不同航速下的喷水推进器功率与转速的关系曲线, 分析了航速对功率特性的影响,同时也将其与螺旋桨的相应特性曲线作了对比.研究所得出的结论是:喷水推 进器的功率特性不是唯一的.装船之后它的功率特性受航速影响,但这个影响不像螺旋桨那么显着.据此推 得,喷水推进系统在"船一泵一机"的匹配设计以及实际使用中,主机一般不会超负荷. 关键词:船舶;动力装置;喷水推进;工况; 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 模型;建模;仿真 中图分类号:U664文献标识码:A Researchofrelationshipbetweenwaterjetpowerabsorptionandshipspeed WANGYong—sheng,DINGJiang-ming,AOChen-yang.,CHENHua-qing.,ZHANGYu —sheng (1.CollegeofEnergy&PowerEngineering,HuazhongUniversityofScience&Technology, Wuhan430074,China;2.CollegeofNavalArchitectureandPower,NavalUniv. ofEngineering,Wuhan430033,China;3.NavalAcademyof Armament,Beijing100073,China) Abstract:Therelationshipbetweenthewaterjetpowerabsorptionandshipspeedisanalyzedbyacase studyaboutanewly-designedwate~etpropulsionsystem.Firstly,fromtheapplicationofthedyna— micequationsofwate~etpropulsionsystemthewate~etpowerabsorptioncharacteristicisintroduced intheresearchofsteady-stateanddynamicpropertiesofthewaterjetpropulsionsystem.Thenthe torquepropertyofthewaterjetisanalyzedaftertherotaryspeedcurvesofthewaterjet,i.e.therota— ryspeedversusabsorbedpower&boatspeeds,aretransformedtothetorquecurves,whichiscom— paredwiththescrewpropulsionsystemaswel1.Theeffectofshipspeedonthewate~etpowerab— sorptioncharacteristicisanalyzedafterthreepowerabsorptioncurvesatdifferentshipspeedsareob— tainedaccordingtotherotary-speedcurvesofwaterjet,andthesepowerabsorptioncurvesarealso comparedwiththoseofthescrewpropulsionsystem.Theconclusionsdrawnfromtheresearchare thatthecharacteristicofthewaterjetpowerabsorptiondoesnotpresentuniqueness,anditwillbeaf— feetedbytheshipspeedafterinstalledonboardavessel,butsuchaninfluenceonthecharacteristicof thewaterjetpowerabsorptionbyshipspeedisnotasremarkableasthatinthepropellerSpropul— sion.Aratiocinationfromtheconclusionsisgottenthattheprimemoverinwaterjetpropulsionwill notbeoverloadedinmatchingofhull—waterjet—engineandinservice. Keywords:ship&boat;marinepowerplant;waterjet;operatingcondition;mathematicalmodel; modeling;simulation 收稿日期:2005—01—15;修订日期:2005—02—27 作者简介:王永生(1955-),男.教授,博士生. 第3期王永生等:喷水推进器功率特性与航速相关性研究.23. 对于"主机+喷在喷水推进系统[1]稳态和动态特性研究时,先要建立其数学模型. 水推进器"直接传 动的推进方式,推进系统"机一泵"分系统转动动力学方程为: — Mf—Mp—J(1) 式中:Mo为主机力矩;Mr为轴系及传动装置的摩擦力矩;为喷水推进器力矩;J为转 动惯量;为角 速度,一n(n为泵的转速,单位:r/rain);t为时间. 推进系统"泵一船"分系统的平动动力学方程为: 丁一R一?R—(2) d 式中:丁为喷水推进器推力,丁一厂l(,);i为工作喷水推进器的台数;R为船直航时的 阻力,R一 (.);?R为不工作时喷水推进器的"拖泵"阻力,AR一(.);为船体及附连水质量;.为航速. (1)式所示数学模型中,喷水推进器力矩M口的计算是关键.这不仅是因为它决定了喷水推进器转 速变化的动态过程(见(1)式),而且它还主要影响着航速变化的动态过程(如(2)式).M口以及喷水推进 器所吸收的功率N的动力特性,即它们与转速的关系,以及航速对这些关系的影响,是喷水推进系统 稳态特性和动态特性研究中一个十分重要的内容,同时也是理解喷水推进系统"船一泵,机"匹配有别 于螺旋桨推进系统"船一桨,机"匹配的切人点.本文分析混流式喷水推进器动力特性以及航速.对这 些动力特性的影响. 1制造商提供的喷水推进器功率特性 喷水推进器本质上是一个泵,它通过吸水口和管道吸入水流,并将发动机的机械能通过叶轮转变成 水流的机械能(动能,压能和位能的总和,也称总水头,即速度头,压头,位头的总和).喷水推进器作为喷 水推进系统中的一个部件,根据制造厂商出厂前的台架试验,它所吸收的功率N与叶轮转速(即泵的 转速)之间的关系可用下式 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示LlqJ: N一c().(3) 式中:C为制造商提供的系数,表示该泵在叶轮转速1000r/rain时所吸收的功率(kw).(3)式所示的 关系即喷水推进器功率特性,也称水力测功器特性. 文献[1,3]认为,由于喷水推进器是一个泵,它的转速不直接与航速发生联系,不论船静止还是以 最高航速航行,喷水推进器吸收的功率不受航速影响.这就是说,不受.影响;叶轮转速一定时,根 据(3)式可以确定其吸收的功率N..换句话说,喷水推进器的水力测功器特性是唯一的. 2KaMeWa71S1I喷水推进器特性分析 图1为某船所选用的KaMeWa71SII喷水推进器的速度特性,它描述了该喷水推进器装船后在等 功率条件下不同航速所对应的泵转速(喷泵吸收的功率中已扣除了3%的传动损失).当然,也可将其看 成不同航速时工作在不同转速下所消耗的喷水推进器功率.从后者的角度,可将图1变换成喷水推进器 力矩特性,该特性表示不同航速时在等功率条件下喷水推进器叶轮所应克服的力矩(见图2). 图2揭示了喷水推进系统的一个重要特性(喷泵吸收的功率中已扣除了3%的传动损失),即:在喷 水推进器功率为定值时,其力矩在整个航速范围内(从造船工程师的角度来看)近似于一个常值.或者 说,等功率条件下喷水推进器力矩随航速的增高而减小的幅度较小即变化率很小.这与螺旋桨推进系统 相应特性形成了鲜明对照.在排水型船螺旋桨推进系统中,在等功率条件下螺旋桨力矩随航速的增高而 减小的变化幅度很大即变化率很大.在任意一个螺旋桨性能检查图上可以看到这点.这从一个侧面说 明:螺旋桨推进的船舶,螺旋桨力矩(进而也是主机应提供的驱动力矩)受航速影响很大;而喷水推进的 ? 24?海军工程大学第17卷 船舶,喷水推进器力矩(同时也是主机应提供的驱动力矩)受航速影响很小.原因在于,螺旋桨位于船后 水流(即来流)中,其工作特性受来流影响极大,而来流与航速成正比.航速的大小与 方向极大地影响着 螺旋桨桨叶的升力与阻力,进而影响螺旋桨的推力阻力矩的大小.喷水推进器多为内置式,叶轮工作特 性虽也受来流影响,但经进水口和内置流道导流后,来流对喷水推进器叶轮工作特性的影响变小.这是 喷水推进和螺旋桨推进的显着差别之一. 区域I:工作时数不受限 区域II:每年工作时数<500h . 量 g ? 瑙 馨 螫 图1KaMeWa喷水推进器71S?的转速特性图2KaMeWa喷水推进器71S?的力矩特性 考察图1中分别为0,20,43kn3种情况下喷水推进器功率与转速的关系.对于V.一0kn时的 泵功率与转速的取值,按以下方法外推确定:?用船体放样曲线板外延各等功率线所对应的一.曲 线至纵坐标轴;?读取泵功率N与泵转速值.现将N.为0,20,43kn3种情况下的N一画在同一 个坐标系中,并将图3所示的KaMeWa4种型号喷水推进器的N.一曲线L5中的71S11曲线也画入上 述坐标系,结果如图4所示. 1O 9 8 7 至 6 5 4 3 2 l O5007009001100 转速/r.min 莹 — 褂 g 螫 一来源于KaMeWa某高速渡船喷泵特位(=43kn时) — ) 一来源于KaMeWa某高速渡船喷泵特性(V~=20kn时 — B_来源于KaMeWa某高速渡船喷泵特性(=Okn时) 图 图3KaMeWa4种型号喷水推进器的功率一转速曲线图4.分别0,20,43kn3种情况下的喷泵功率特性曲线 图4从另一个侧面揭示了喷水推进系统的重要特性,即航速对喷水推进器功率的影响.航速等于0 时的喷水推进器功率特性曲线高于航速等于43kn时的功率特性曲线,但高出的幅值不大(在217, 227kw之间).但在螺旋桨推进中,航速为零(即系泊工况)时螺旋桨功率与转速的特性曲线与正常阻 力状态航行时螺旋桨功率与转速的特性曲线相差很大.图5给出了某船上述工况 时螺旋桨功率与转速 的特性曲线(已单位化).图6给出了图4单位化后的曲线,从图5,6可以看出2种不同推进器所耗功率 受航速影响的差别,即:航速对螺旋桨所耗功率影响很大,对喷水推进所耗功率影响较小. ?.至\螫 O3OOOOOOO—UnuD^a黜黜黜猫啪 第3期王永生等:喷水推进器功率特性与航速相关性研究 锝 窭 图5某船正常航行工况和系泊工况时 螺旋桨功率特性曲线 锝 g 螫 一来源于KaIIewa某高速渡船喷泵特性(=43kn时) — 一来源于KaIIewa某高速渡船喷泵特性(Vs=20kn时) — B.来源于KaMeWa某高速渡船喷泵特性(=0kn时) 图6单位化喷泵功率特性曲线 从图1可以看到,在等功率条件下喷水推进器的转速随航速的增高而增高,它不是一个常值.这就 是说,l't受,/r.影响.它的物理意义是:随着航速,/r.的增加,进入喷水推进器的水流速度头增加,喷水推 进器所需克服的水动力矩Mp减小;在等功率条件下,M口减小必然使得转速l't增加.从图4(或图6)还可 以看到,喷水推进系统中的喷水推进器"功率一转速"特性(N.一l't曲线)随航速的 不同而不同,换句话 说,喷水推进器"功率一转速"特性不是唯一的.这一现象的物理意义可解释如下:装在船上的喷水推进 器在某一转速下所消耗的功率,不仅与喷水推进器转速高低有关(这是主要因素),还跟进入喷水推进器 的水流速度——来流带人的附加动能有关(这是次要因素).航速高,来流带人的附加动能多,在同一转 速下喷水推进器所消耗的功率就少些;航速低,来流带人的附加动能少,在同一转速下喷水推进器所消 耗的功率就多些.航速为0即船不动时,没有来流,也就没有水的附加功能带人,在同一转速下,喷水推 进器所消耗的功率最多.这就是图4中低航速时喷水推进器功率特性曲线高于高航速时喷水推进器功 率特性曲线的原因所在. 笔者认为,航速等于0时的喷水推进器N一l't特性,就是本文第2节中的喷水推进器的水力测功 器特性.喷泵制造商只能提供"一条"N一特性线(也就是文献[1,3]所讲的喷水推进器的唯一的水力 测功器特性).当该喷泵装船后,由于N一l't特性线受航速的影响,即来流动能影响了喷泵在该转速下 所吸收的功率,因此就有无数条N一l't特性线(航速是参变量).换句话说,喷泵装船以后的N一l't特性 线与航速相关,与具体的船舶及其推进系统发生了联系.在此,我们可以看到,部件工程师(设备的设计 者)与系统工程师(即轮机工程师,推进系 统的设计者)对于同一个部件因看问题的 角度的不同而带来的结论上的差异了. 从图4我们还可以看到,KaMeWa 在其产品说明书提供的71S?"功率一转 速"曲线夹于某高速渡船零航速和最高航 速的"功率一转速"曲线之间,可以认为该 资料有一定的参考价值. 图7给出了来源于图1的某高速渡 船喷水推进器功率与转速,航速的三维立 体图(喷泵吸收的功率中已扣除了3的 传动损失). n. 一 \ 爵 g 聪 螫0 50 图7某高速渡船喷水推进器功率与 泵转速,船航速的三维立体图 ?26?海军工程大学第17卷 3结论 (1)喷水推进器的动力特性与航速是相关的.对部件来说,"功率一转速"动力特性曲 线(即水力测 功器特性)只有一条;对推进系统来说,喷水推进器的"功率一转速"动力特性与航 速有关,动力特性曲线 有多条;低航速所对应的"功率一转速"动力特性曲线高于高航速所对应的"功率一 转速"动力特性曲线, 航速为零时的"功率一转速"动力特性曲线(即为水力测功器特性曲线)位于最高位 置.这些特性之间的 差异不大且有近似的平移关系. (2)在喷水推进系统中,航速对喷水推进器功率,喷水推进器力矩有影响,但影响不大;而在螺旋桨 推进中航速对螺旋桨功率,螺旋桨力矩的影响巨大. (3)由于(1),(2)所述的喷泵"功率一转速","力矩一转速"动力特性受航速影响很小,故"船一泵一 机"推进系统的匹配设计要易于"船一桨一机"的匹配设计,且在推进系统的日常使用中,如加速过程中 和重载情况下,主机一般不会超负荷. (4)在推进系统设计与日常使用中,要关注"机一泵"匹配是否进入喷水推进器工作时数受限区(这 是喷水推进器工作低效区或空泡穴蚀区).喷水推进系统在加速过程中主机转速和功率很容易提升(这 是因为喷水推进器动力特性受航速影响很小的缘故),这样主机的转速和功率很容易进入喷水推进器低 效区和空泡穴蚀区.此外高航速,大舵角转弯时也要给予足够的关注.这是因航速降低较多,而主机又工 作在额定功率附近.在这种情况下喷水推进器也很容易进入喷水推进器的低效区和空泡穴蚀区. 参考文献: [13AlexanderK.Waterjetversuspropellerenginematchingcharacteristics[J].NavalEngin eeringJournal,1995, 107(3):129—139. [23AlexanderK.Thewaterjetasanenginedynamometer[A].InternationalSymposiumonW aterjetPropulsion--Lat— estDevelopment[C].London:RINA,1994. [3]吴梵,陈昕.喷水推进装置及其在舰艇上的应用[J].海军工程大学,2003,15(6):44—48. [4]JohnAllison.Marinewaterjetpropulsion[J].SNAMETransactions,1993,101:275—335. [5]KaMeWa.FactSheet,Waterjet,S-series[z].Sweden:KaMeWa,2003. (上接第2l页) 3结论 在结构几何尺寸基本确定的情况下,可以调整肋骨的偏心量以改变加筋壳结构内 部的受力和变形, 使之满足工程使用的需要;调整加强肋骨的布置方式也是改变加筋壳结构的强度 和刚度的有效方法. 参考文献: [13章向明,王安稳.复合 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 大变形任意加筋板单元[J].工程力学,2001,18(3):131—135. [2]章向明,王安稳.复合材料大变形偏心加筋板单元[J].船舶力学,2002,6(2):46—53. [3]章向明,王安稳.复合材料大变形偏心加筋壳单元[J].工程力学,2003,20(5):134—138. [4]AhmadSM,IronsB,ZienkiewieczOC.Analysisofthickandthinshellstructuresbycurve dfiniteelementsLJ]. InternationalJournalforNumericalMethodsinEngineering,1970,2:419—451. [5]FigueirasJA,OwenDRJ.Analysisofelasto-plasticandgeometricallynonlinearanisotop icplatesandshellsLA]. HintonE,OwenDRJ.FiniteElementSoftwareforPlatesandShells[C].PineridgePressLimit ed,1984. [6]王安稳.轴向冲击载荷下圆柱壳的塑性动力屈曲[J].海军工程大学,2004,16(6):1—7.