蔡佑林 夏立明 劉建國

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

噴水推進(jìn)混流泵流道主參數(shù)確定方法與驗(yàn)證

蔡佑林 夏立明 劉建國

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

針對當(dāng)今高性能船舶對重負(fù)荷噴水推進(jìn)混流泵的需求日益增長、而國內(nèi)混流泵設(shè)計(jì)理論與方法尚不完善的現(xiàn)狀，提出噴水推進(jìn)混流泵流道的設(shè)計(jì)方法。在分析噴水推進(jìn)混流泵流道特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以提高裝船適配性、推進(jìn)泵運(yùn)行可靠性與水動(dòng)力性能為目標(biāo)，給出流道主要參數(shù)的確定方法；隨后給定設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用形成的設(shè)計(jì)方法完成了流道設(shè)計(jì)，并分析其水動(dòng)力性能。與國際知名品牌商用混流泵流道比較結(jié)果表明，該流道的裝船適配性占有優(yōu)勢，并且水動(dòng)力性能相當(dāng)，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法。

噴水推進(jìn)混流泵；流道；設(shè)計(jì)；數(shù)值驗(yàn)證

引 言

噴水推進(jìn)是近幾十年急速發(fā)展起來的一種新的船舶推進(jìn)方式。與螺旋槳推進(jìn)相比，噴水推進(jìn)具有卓越的動(dòng)力定位性能和優(yōu)良的低噪聲特性。當(dāng)船舶航速超過30 kn時(shí)，噴水推進(jìn)具有更高的推進(jìn)效率。噴水推進(jìn)的這些優(yōu)點(diǎn)符合未來高性能船舶的發(fā)展方向，而噴水推進(jìn)泵（簡稱噴泵）是噴水推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，其水動(dòng)力性能決定了噴水推進(jìn)的技術(shù)水平。

高性能船舶通常具有高航速的特點(diǎn)，為提高推進(jìn)效率，高航速必然要求高噴速，這意味著噴泵需要具備高揚(yáng)程來克服以噴射速度頭為主的水力損失，這樣泵型就落入揚(yáng)程較高的低比轉(zhuǎn)速混流泵范圍內(nèi)。高性能船舶對其噴水推進(jìn)裝置的體積與質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，噴水推進(jìn)混流泵必須具有流量系數(shù)與揚(yáng)程系數(shù)高的特點(diǎn)，其不僅需要有高的泵效率外，還必須使汽蝕比轉(zhuǎn)速大于1 300。由于高抗汽蝕能力與高效率是一對矛盾體，因此也決定了噴水推進(jìn)混流泵設(shè)計(jì)的高難度。國際上應(yīng)用于噴水推進(jìn)混流泵的研究理論體系近十幾年才逐漸明確，僅有少數(shù)幾家掌握了一定的相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)［1-3］，而國內(nèi)至今未有十分成熟的設(shè)計(jì)方法。

混流泵流道設(shè)計(jì)是葉輪與導(dǎo)葉設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。從水動(dòng)力性能角度看，流道形狀決定了葉輪與導(dǎo)葉的輪廓，流道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對泵水動(dòng)力性能與抗汽蝕性能影響重大；從結(jié)構(gòu)角度看，流道外形是噴水推進(jìn)泵軸向與徑向尺度的基礎(chǔ)，影響噴泵的裝船適配性（即噴泵的質(zhì)量與布置安裝空間），因而性能優(yōu)秀的流道是開發(fā)高性能噴水推進(jìn)混流泵的基礎(chǔ)［4-6］。

1 噴水推進(jìn)混流泵流道主要參數(shù)的確定

噴水推進(jìn)混流泵流道的主要參數(shù)包括泵進(jìn)口直徑D0、泵出口（噴口）直徑Dj、輪緣最大直徑Dsmax、輪轂最大直徑Dhmax，葉輪區(qū)流道外緣線傾角α與流道子午面變化規(guī)律（參見圖1）。其中進(jìn)口直徑與噴口直徑由噴水推進(jìn)主參數(shù)優(yōu)化確定，輪緣最大直徑關(guān)系到推進(jìn)裝置的裝船條件，輪轂最大直徑關(guān)系到軸系安裝與運(yùn)行空間，這樣流道設(shè)計(jì)需要確定的主要參數(shù)為流道外緣線傾角、過流面積變化規(guī)律、輪轂與輪緣的最大直徑。

圖1 流道區(qū)域劃分及主要參數(shù)的定義示意圖

1.1 葉輪區(qū)流道外緣線傾角α

混流泵葉輪的子午流道是傾斜的，葉梢處流線稱外緣線，葉根處流線稱內(nèi)轂線。外緣線一般為帶一定傾角的直線。從葉片泵歐拉方程的一種形式（式1）分析，當(dāng)流道傾角α=0°時(shí)，子午流線無傾角， u1=u2，此時(shí)只有升力做功，揚(yáng)程葉輪為軸流式。當(dāng)α=90°時(shí)，主要是離心力做功，升力基本不做功，這時(shí)葉輪為離心式。當(dāng)時(shí)，葉輪為混流式，α小則升力做功比值重，反之，離心力做功占比大。對于比轉(zhuǎn)速ns=400～500的噴水推進(jìn)混流泵，從適裝性考慮對輪緣最大直徑Dsmax有限制，其傾角一般在10°～25°之間，比轉(zhuǎn)速低者宜取大值。

式中：H為泵揚(yáng)程，m ；

u2為葉輪出口圓周速度，m/s；

u1為葉輪進(jìn)口圓周速度，m/s；

u2為葉輪出口圓周速度，m/s；為葉輪出口與進(jìn)口相對速度周向分量之差，m/s；

Vu1為葉輪進(jìn)口絕對速度周向分量，m/s；

g為重力加速度，m/s。

1.2 最佳流道面積變化規(guī)律

流道從泵進(jìn)口到葉輪出口（導(dǎo)葉進(jìn)口）區(qū)域，在不考慮葉片排擠影響的前提下，如果采用收縮流道，則葉輪的過流能力受到限制；采用擴(kuò)散流道，不僅增加擴(kuò)散損失，增大導(dǎo)葉區(qū)域的收縮度，而且會(huì)增加泵體積與質(zhì)量，因而葉輪段宜采用等速流道。從葉輪出口（導(dǎo)葉進(jìn)口）至噴口段，因?qū)~前為等面積流道并且流道整體收縮，此段區(qū)域必須收縮，為減小收縮損失，應(yīng)均勻收縮以提高效率。

主參數(shù)選擇中確定了泵進(jìn)口直徑，間接確定了進(jìn)口（0處）面積A0，根據(jù)面積變化規(guī)律，導(dǎo)葉進(jìn)口（3處）面積A3= A0；對于導(dǎo)葉出口處面積，考慮到導(dǎo)葉區(qū)域流道的收縮，導(dǎo)葉出口處面積（4處）A4= （0.6～0.8）A0，視導(dǎo)葉片數(shù)確定（導(dǎo)葉片7葉時(shí)，面積取0.6 A0，11葉時(shí)取0.8 A0）。

圖2為最佳過流面積區(qū)域圖。

圖2 流道最佳過流面積區(qū)域圖

1.3 輪緣與輪轂最大直徑

前已述及，輪緣與輪轂最大直徑關(guān)系到軸系設(shè)計(jì)與裝船，這兩個(gè)參數(shù)均有最佳范圍。筆者設(shè)計(jì)實(shí)踐與國際知名噴水推進(jìn)公司商用流道的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，輪緣最大直徑Dsmax=（1.1～1.35） D0，過大裝船性能差、過小則做功能力不足。輪轂最大直徑Dhmax=（0.75～0.95） D0，輪轂直徑過大則過流面積小、影響水動(dòng)力性能，過小則影響軸系設(shè)計(jì)。

2 流道設(shè)計(jì)案例

根據(jù)前述設(shè)計(jì)方法，以具有國際先進(jìn)水平的典型噴水推進(jìn)混流泵主參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)水力模型泵流道，主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=0.45 m3/s，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，汽蝕比轉(zhuǎn)速C≥1 300。經(jīng)計(jì)算確定的流道主要參數(shù)與特征如下：進(jìn)口特征直徑D0=270 mm，葉輪葉片輪緣傾斜度為19°，Dsmax=1.28 D0，Dhmax=0.85 D0。流道過流面積變化規(guī)律為：從泵進(jìn)口到導(dǎo)葉進(jìn)口流道面積相等，從導(dǎo)葉進(jìn)口至噴口過流面積均勻收縮。導(dǎo)葉進(jìn)口處的面積與泵進(jìn)口面積相等，導(dǎo)葉出口處的面積為進(jìn)口面積的0.8倍（導(dǎo)葉片數(shù)目11）。最后所形成的流道（為表達(dá)方便，簡稱為M流道）見圖3所示，圖4為其過流面積變化規(guī)律。在進(jìn)口直徑相同條件下，M流道與兩家國際知名噴水推進(jìn)公司商用流道1與流道2對比見圖5。

圖3 M流道圖

圖4 流道面積變化曲線圖

從圖5可見，流道2輪轂最小，并且其輪緣直徑略小于流道1的，流道轉(zhuǎn)彎較平緩，流道較寬，過流面積大，流量相同時(shí)流速低，因而其汽蝕性能好，但功率密度較小。流道1則相反，其流道輪轂和輪緣均最大，輪轂處流道轉(zhuǎn)彎較劇烈，過流面積比流道2的窄，汽蝕性能應(yīng)該相對較差。M流道輪轂直徑在兩者之間，并且輪轂過渡平緩，輪緣直徑最小，并且確保了葉輪段過流面積大小一致，即為等速流道；從結(jié)構(gòu)上看，M流道不但最大直徑小，而且長度短，因而裝置結(jié)構(gòu)緊湊，此特點(diǎn)對于空間極為寶貴的船舶來說特別有利；從系統(tǒng)特性上看，吸收相同功率，以M流道為基礎(chǔ)的推進(jìn)泵體積最小，因而功率密度更高，經(jīng)濟(jì)性能最好，更適合噴水推進(jìn)。

圖5 流道對比圖

3 流道水動(dòng)力性能數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，在相同條件下采用數(shù)值模擬的方法分別計(jì)算M流道與流道1的水動(dòng)力性能，并進(jìn)行比較，結(jié)果顯示兩者水動(dòng)力性能相當(dāng)。

3.1 M流道水動(dòng)力性能數(shù)值分析

為了配合計(jì)算所需的邊界條件，在流道前后分別加上了一段直管，其中上游段長0.27 m（1個(gè)進(jìn)口直徑），下游段長0.54 m（2個(gè)進(jìn)口直徑）。在ICEM CFD中建立全六面體計(jì)算網(wǎng)格，并根據(jù)所仿真的流量條件，按照應(yīng)用壁面函數(shù)的要求對近壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，最終計(jì)算網(wǎng)格共約130萬。

選用商用軟件FLUENT的耦合求解器進(jìn)行計(jì)算?？紤]到由于從進(jìn)口到出口過流面積變化顯著且?guī)缀未嬖谳^大曲率，流線必然經(jīng)歷較大的曲率和正應(yīng)力，同時(shí)邊界層也會(huì)因而承受正、反向壓力梯度作用，因此選用重組化群 k-ε湍流模型并搭配非穩(wěn)態(tài)壁面函數(shù)作為計(jì)算模型。壓力采用FLUENT標(biāo)準(zhǔn)壓力離散格式，動(dòng)量、湍流量均采用二階迎風(fēng)離散格式。所有壁面（包括前、后直管段）均設(shè)置為無滑移邊界，進(jìn)出口邊界條件分別為流量進(jìn)口和靜壓出口，其中出口靜壓設(shè)置為1個(gè)大氣壓。 計(jì)算所得流道內(nèi)速度矢量圖如圖6所示。

圖6 M流道速度矢量圖

從圖6可見，流道內(nèi)流動(dòng)沒有分離，整個(gè)流道區(qū)域流動(dòng)比較均勻，另外CFD計(jì)算結(jié)果顯示，流道從進(jìn)口到出口能量損失為0.87%，損失很少，效率高。

3.2 流道1 CFD分析

在與M流道采用相同規(guī)格設(shè)置與計(jì)算條件下，數(shù)值模擬了流道1的水動(dòng)力性能，其速度矢量圖見圖7。CFD計(jì)算結(jié)果顯示，該流道的流場也很均勻，能量損失為0.96%，稍高于M流道。

圖7 商用流道速度矢量圖

4 結(jié) 論

本文根據(jù)高性能船舶噴水推進(jìn)的特點(diǎn)，提出了噴水推進(jìn)混流泵流道設(shè)計(jì)方法，確定了流道主要參數(shù)的優(yōu)選途徑。按此方法所設(shè)計(jì)的流道，經(jīng)與國際商用流道對比及CFD計(jì)算驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)方法的有效性，為國內(nèi)開發(fā)高性能噴水推進(jìn)混流泵水力模型、提高噴水推進(jìn)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Determination and veri fi cation of major parameters of fl ow channel for water-jet mixed- fl ow pumps

CAI You-lin XIA Li-ming LIU Jian-guo
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

This paper proposes a design method of the flow channel for water-jet mixed-flow pumps according to the current status of the gradually increasing demand of high-power water-jet mixed-flow pumps for high performance ships and incomplete design theory and method at home. Based on the analysis of the characteristics of flow channel, its major parameters are determined aiming at the improving shipment suitability, operation reliability of water-jet pump and hydrodynamic performance. With the given design parameters, it finishes the design of the flow channel and analyzes its hydrodynamic performance. By comparison with the commercial mixed-flow pumps delivered by the well-known water-jet providers, the shipment suitability of the flow channel is at an advantage, however, with similar hydrodynamic performance. Thereby the feasibility of the proposed design method has been verified.

water-jet mixed-flow pump; flow channel; design; numerical verification

U664.34

A

1001-9855（2014）02-0058-04

2013-10-29；

2013-11-11

蔡佑林（1976-），男，碩士，高級工程師，研究方向：噴水推進(jìn)。夏立明（1986-），男，碩士，助理工程師，研究方向：噴水推進(jìn)。劉建國（1970-），男，研究員，研究方向：噴水推進(jìn)。