倪永燕，潘中永

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

高比轉(zhuǎn)速軸流式和斜流式泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)特性分析

倪永燕1，潘中永2

(1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.江蘇大學(xué)國(guó)家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

對(duì)比比轉(zhuǎn)速同為ns=769的兩個(gè)軸流式葉輪和斜流式葉輪的水力性能和推進(jìn)性能，分析其做為泵噴水推進(jìn)器葉輪的適用性。分析結(jié)果表明，就所研究的兩個(gè)葉輪而言，斜流式葉輪的高效區(qū)更寬，當(dāng)做為泵噴水推進(jìn)器葉輪使用時(shí)，軸流式葉輪的結(jié)構(gòu)更緊湊、最大推力更大、最大推功比也更大。因此軸流式葉輪比斜流式葉輪更適合于用做泵噴水推進(jìn)器的工作葉輪。

泵噴水推進(jìn)器;軸流式;斜流式;高比轉(zhuǎn)速;推力

與高性能船吃水淺、航速高的優(yōu)勢(shì)相對(duì)應(yīng)，泵噴水推進(jìn)器近年來(lái)越來(lái)越多地替代螺旋槳為表面效應(yīng)船等各類(lèi)高性能船舶提供推進(jìn)動(dòng)力。與泵噴水推進(jìn)器相關(guān)的研究已經(jīng)涉及到渦擾動(dòng)等流動(dòng)不穩(wěn)定性以及泵噴水推進(jìn)器與船體的相互干涉等領(lǐng)域［1-2］。不過(guò)，做為泵噴水推進(jìn)器核心部件的葉輪是采用軸流式還是斜流式一直沒(méi)有明確的結(jié)論。實(shí)際上即使是泵領(lǐng)域，斜流泵也只是在21世紀(jì)以來(lái)才逐步進(jìn)入傳統(tǒng)的軸流泵應(yīng)用領(lǐng)域［3］。軸流式葉輪的缺點(diǎn)明顯，就是高效區(qū)窄，在小流量區(qū)域有駝峰［4］。但是近年來(lái)的研究和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，高比轉(zhuǎn)速斜流式葉輪雖然高效區(qū)寬，但是小流量區(qū)域有駝峰的缺點(diǎn)并未改變，此外，最近有試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)斜流泵在其設(shè)計(jì)點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)小范圍的流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象［5］。文中以?xún)蓚€(gè)比轉(zhuǎn)速相同的軸流式葉輪和斜流式葉輪為例，計(jì)算并分析比較其推力和推功比特性。

1 葉輪結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)

圖1 兩種葉輪外觀對(duì)比

表1 軸流式葉輪和斜流式葉輪的額定點(diǎn)性能參數(shù)

所研究的軸流式葉輪和斜流式葉輪的外觀對(duì)性能參數(shù)參見(jiàn)文獻(xiàn)［6］?？梢钥闯龆叩谋绒D(zhuǎn)速ns=769相等，斜流式葉輪屬于高比轉(zhuǎn)速葉輪，其超出了斜流泵葉輪的傳統(tǒng)比轉(zhuǎn)速范圍ns=300～500。為了便于比較，將斜流式葉輪的參數(shù)相似換算到與軸流式葉輪的額定點(diǎn)性能參數(shù)相同。換算后的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖2和圖3。

圖2中虛線(xiàn)是軸流式葉輪的水力性能，實(shí)線(xiàn)是換算后的斜流式葉輪的水力性能，兩個(gè)葉輪在小流量區(qū)都有馬鞍形不穩(wěn)定段，圖中沒(méi)有繪出。斜流式葉輪的最高效率略低于軸流式葉輪，這與二者的流量和轉(zhuǎn)速差別有關(guān)。在斜流式葉輪性能參數(shù)的換算中沒(méi)有換算效率，不過(guò)由于是向大流量、高轉(zhuǎn)速方向換算，換算后的斜流式葉輪效率會(huì)大于83.5%，也就是說(shuō)，與軸流式葉輪的效率差別會(huì)更小甚至有可能超過(guò)軸流式葉輪的效率。

圖2 水力性能對(duì)比

圖3 葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)比示意

由圖2可以看出，相比于軸流式葉輪，斜流式葉輪的優(yōu)點(diǎn)是高效區(qū)寬，特別是在大流量區(qū)域，例如在1.2Q點(diǎn)，斜流式葉輪效率比軸流式葉輪效率高12個(gè)百分點(diǎn)。

但斜流式葉輪結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)很明顯。由圖3可見(jiàn)，斜流式葉輪的出口輪緣直徑為309 mm，其下游導(dǎo)葉的最大外徑為430 mm，而相應(yīng)的軸流式葉輪及下游導(dǎo)葉的最大外徑都是300 mm。

因此，從結(jié)構(gòu)上而言，軸流式葉輪比斜流式葉輪在高性能船用泵噴水推進(jìn)器中的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。

2 泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)機(jī)理

對(duì)于圖4所示的泵噴水推進(jìn)器，建立圖中虛線(xiàn)環(huán)繞的控制體CV，對(duì)于該控制體中的流體，其受力在水平方向上有葉輪對(duì)其推力Ti以及控制體邊界上對(duì)其施加的力控制體中流體的動(dòng)量變化為，因此有

圖4 泵噴水推進(jìn)器推進(jìn)機(jī)理示意

式中:ρ——密度;

u——單位控制體速度矢量;

u——u在水平方向的分量;

dV——單位控制體體積;

dA——控制體邊界的單位元面積;

n——控制體邊界的外法線(xiàn)方向。

對(duì)于不可壓縮流體，式(1)左側(cè)第一項(xiàng)為0，右側(cè)就是泵噴水推進(jìn)器作用在控制體上的力，那么流體(控制體)作用在流體上的力就是泵噴水推進(jìn)器的推力T，即

式中:Q——流量;

cj——噴嘴內(nèi)的射流速度;

cm——葉輪前的來(lái)流速度，a=cj/cm為射流比。

從式(2)可見(jiàn)，推力T隨流量Q發(fā)生變化。泵噴水推進(jìn)器在運(yùn)行中，由噴嘴限制其工作流量進(jìn)而得到需求的推力。噴嘴的作用就是做為一個(gè)系統(tǒng)部件使系統(tǒng)阻力Hs與泵噴水推進(jìn)器葉輪提供的動(dòng)力H相平衡，即

式中:K1的最優(yōu)值為K1=(a－1)2［7］。

因此式(3)可以改寫(xiě)為

由此得到

因此，泵噴水推進(jìn)器在實(shí)際運(yùn)行中，噴嘴直徑與葉輪的水力特性曲線(xiàn)共同確定了泵噴水推進(jìn)器的工作流量，也就是其推力。

3 推力特性

根據(jù)式(2)、(5)，以及圖2計(jì)算得到軸流式葉輪和斜流式葉輪的推力特性曲線(xiàn)以及推功比特性曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 軸流式葉輪和斜流式葉輪的推進(jìn)特性

圖中橫坐標(biāo)是噴嘴的出口直徑，軸流式葉輪工作時(shí)的最大推力出現(xiàn)在Dj=192 mm(a=2.4)附近，斜流式葉輪工作時(shí)的最大推力出現(xiàn)在Dj= 196 mm(a=2.3)附近，二者都略低于最優(yōu)效率點(diǎn)的流量。軸流式葉輪工作時(shí)的最大推力更大，斜流式葉輪工作時(shí)大推力區(qū)更寬，此結(jié)論似乎與先前的研究有沖突［8］。實(shí)際上二者并不矛盾，文獻(xiàn)［8］所改進(jìn)的斜流式葉輪主要是提高了其揚(yáng)程從而使比轉(zhuǎn)速降低，其與原始葉輪的比轉(zhuǎn)速并不相同。因此，對(duì)于確定流量點(diǎn)和確定比轉(zhuǎn)速工作的泵噴水推進(jìn)器而言，只要設(shè)計(jì)和選型合理，選用軸流式葉輪能得到更高的推力。另外，對(duì)于所研究的軸流式葉輪，在Dj=174 mm(a=3.0)附近出現(xiàn)推力突升現(xiàn)象，目前尚不了解其原因。

同樣，軸流式葉輪的最大推功比大于斜流式葉輪值，軸流式葉輪的最大推功比出現(xiàn)在噴嘴直徑Dj=215 mm(a=1.94)附近，斜流式葉輪的最大推功比出現(xiàn)在噴嘴直徑Dj=212 mm(a=2.01)附近，二者都略高于葉輪的最高效率點(diǎn)流量。即軸流式和斜流式葉輪的最優(yōu)效率點(diǎn)在最大推力流量點(diǎn)和最大推功比流量點(diǎn)之間。因此，為了既有效應(yīng)用電機(jī)功率，又能得到盡可能大的推力，通常設(shè)計(jì)泵噴水推進(jìn)器在接近但又略低于最優(yōu)效率點(diǎn)流量的工況下運(yùn)行。此外，在最大推力點(diǎn)附近，斜流式葉輪的推功比特性出現(xiàn)異常變化的原因還需進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

1)比轉(zhuǎn)速同為ns=769的軸流式葉輪高效區(qū)窄，斜流式葉輪高效區(qū)寬，在1.2倍最優(yōu)效率點(diǎn)流量工況處，斜流式葉輪的效率比軸流式葉輪效率高12個(gè)百分點(diǎn)。

2)以往的研究大多認(rèn)為斜流式泵噴水推進(jìn)器的推力更高，這是因?yàn)橥ǔＴ谙嗤髁肯拢绷魇饺~輪的比轉(zhuǎn)速要小，也就是揚(yáng)程更高引起的。根據(jù)文中的研究，對(duì)于比轉(zhuǎn)速相同的葉輪，不論是結(jié)構(gòu)還是推力和推功比特性，軸流式葉輪都比斜流式葉輪更適合用于泵噴水推進(jìn)器。

3)對(duì)于文中所研究的葉輪，軸流式葉輪在小流量區(qū)域出現(xiàn)推力突增現(xiàn)象，斜流式葉輪在最大推力點(diǎn)附近出現(xiàn)不平穩(wěn)變化，這些變動(dòng)是個(gè)體現(xiàn)象還是總體特征以及出現(xiàn)這類(lèi)變化的原因還不清楚，尚需進(jìn)一步研究。

4)根據(jù)文中的研究結(jié)果，當(dāng)泵噴水推進(jìn)器需要設(shè)計(jì)ns＞500的高比轉(zhuǎn)速葉輪時(shí)，建議優(yōu)先采用軸流式葉輪。

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［5］張大慶.高比轉(zhuǎn)速蝸殼混流泵內(nèi)流數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2014.

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Thrust Characteristics Analysis of Water Jet Propulsion with High Specific Speed Axial Flow Impeller or Mixed Flow Impeller

NI Yong-yan1，PAN Zhong-yong2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China;2.National Research Center of Pumps，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China)

An axial flow impeller and a mixed flow impeller with the same specific speed of ns=769 are investigated by comparing their hydraulic characteristics and thrust performance to analyze the suitability for using in a water jet propulsion.The results show that the mixed flow impeller studied here has a wider high efficiency zone.Nevertheless，the axial flow impeller has a more compact configuration，higher maximum thrust and higher maximum thrust-power ratio than the mixed flow one.Therefore，the axial flow impeller is more reasonable to be a part of a water jet propulsion.

water jet propulsion;axial flow impeller;mixed flow impeller;high specific speed;thrust

U664.34

A

1671-7953(2015)02-0071-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.019

2014-11-03

修回日期:2014-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(青年基金)(51209108)

倪永燕(1975-)，女，博士，講師

研究方向:流體力學(xué)、船舶(仿生)推進(jìn)及深海結(jié)構(gòu)物渦激振動(dòng)

E-mail:njyy@just.edu.cn.