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(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

泵噴水推進(jìn)器(waterjet propulsion)又稱為噴水推進(jìn)泵。隨著20世紀(jì)后期TSL(techno super liner)船、SES(surface effect ship)船、水翼艇以及高速渡船等高性能船舶為代表的水上運(yùn)輸高速化的發(fā)展，由于泵噴水推進(jìn)器優(yōu)越的抗空泡特性等水力性能以及結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)勢(機(jī)動性和操縱性好、適合淺水航行、振動噪聲小、水聲信號低、高航速時(shí)效率高、抗空泡能力強(qiáng)等)使其適用及需求范圍越來越廣，發(fā)展勢頭迅猛。以泵噴水推進(jìn)器為動力裝置的高性能船舶是現(xiàn)代新型船舶工業(yè)體系的重要內(nèi)容，對泵噴水推進(jìn)器的深入研究是我國造船工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)核心課題。噴水推進(jìn)技術(shù)大致經(jīng)歷了液泵噴水推進(jìn)、間歇噴水推進(jìn)、底板式噴水推進(jìn)、艉板式噴水推進(jìn)和舷外噴水推進(jìn)5個(gè)階段[1]。從目前在船舶上的應(yīng)用情況看，艉板式噴水推進(jìn)已成為噴水推進(jìn)的首選形式。

雖然噴水推進(jìn)和螺旋槳推進(jìn)的歷史同樣長久，但是噴水推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)緩慢，直到近年來才得到一定的推廣應(yīng)用。造成這種狀況的原因很多，主要是下述這3個(gè)關(guān)鍵問題還沒有得到有效解決，即高推進(jìn)效率實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)彎力保證以及倒車裝置控制。噴水推進(jìn)的系統(tǒng)總效率取決于兩個(gè)方面，即水泵效率和系統(tǒng)效率。二者都與推進(jìn)水泵的噴速比有關(guān)。要取得噴水推進(jìn)的高效率，關(guān)鍵在于取得推進(jìn)水泵效率和系統(tǒng)效率的最佳綜合效果。對提高噴水推進(jìn)效率的研究重點(diǎn)放在系統(tǒng)總效率優(yōu)化、推進(jìn)水泵的研究及制造、減小進(jìn)水管道損失等三個(gè)方面。噴水推進(jìn)的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是保證船在轉(zhuǎn)彎時(shí)其推力不會喪失。目前可以通過單片水平操舵變流裝置來引導(dǎo)水流噴向左舷或右舷，以此獲得最大轉(zhuǎn)彎力。噴水推進(jìn)的第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是配備操作靈活、水動力性能優(yōu)良的倒車裝置。通常采用由液壓驅(qū)動的分隔式雙瓣導(dǎo)管倒車變流裝置在船下改變水流方向，使船得到強(qiáng)有力的向后推力，隨后控制系統(tǒng)允許可倒車變流裝置在保持全舵力時(shí)置于零速度位置。

本文主要以艉板式泵噴水推進(jìn)器為例，介紹噴水推進(jìn)器在上述三個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 基本工作原理及基本方程式

圖1所示為典型艉板式泵噴水推進(jìn)器。

圖1 典型艉板式泵噴水推進(jìn)器示意

從泵噴水推進(jìn)器的功率和效率需求、艦船布置的需要以及傳動機(jī)構(gòu)的合理、方便、可靠等因素出發(fā)，通常選用軸流式葉輪或斜流式葉輪，特殊情況下也會采用離心式葉輪。泵噴水推進(jìn)器不是像螺旋槳那樣直接產(chǎn)生推力，而是利用其噴出水流的反作用力推動船舶前進(jìn)。

泵噴水推進(jìn)器的推力計(jì)算基本方程式為

T=ρQ(cj-cm)=ρQcm(a-1)

(1)

式中:T——軸向推力；

ρ——流體密度；

Q——體積流量；

cj——噴嘴出口處射流速度；

cm——吸入管路平均速度;

α——射流速度比，α=cj/cm。

在實(shí)際運(yùn)行中，由于有能量損失的存在，水流的動量并不會全部轉(zhuǎn)化為推進(jìn)船舶前進(jìn)的推力，因此根據(jù)式(1)得到的泵噴水推進(jìn)器的推力與實(shí)際值有差距。

2 泵噴水推進(jìn)器與系統(tǒng)的匹配

噴水推進(jìn)裝置最常見的原動機(jī)及傳動裝置配置有燃?xì)廨啓C(jī)與減速齒輪箱驅(qū)動、柴油機(jī)與減速齒輪箱驅(qū)動、燃?xì)廨啓C(jī)或柴油機(jī)直接驅(qū)動等形式。在采用全電力綜合推進(jìn)的艦船上則一般采用電動機(jī)直接驅(qū)動泵噴水推進(jìn)器的形式。泵噴水推進(jìn)器要滿足主機(jī)、管道系統(tǒng)(包括泵)和船體三方面的平衡，即主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩要與泵噴水推進(jìn)器吸收的功率和轉(zhuǎn)矩相平衡，泵噴水推進(jìn)器的揚(yáng)程要在系統(tǒng)效率較佳的前提下與管道系統(tǒng)及噴射損失相平衡，泵噴水推進(jìn)器的推力要和設(shè)計(jì)工況下的船體阻力以及系統(tǒng)的附加阻力相平衡。

2.1 揚(yáng)程與管道損失的平衡

泵推進(jìn)器的揚(yáng)程等于其出口處單位重量液體的能量減去進(jìn)口處單位重量液體的能量以及進(jìn)出口之間的能量損失之和[2]，即

(2)

式中:h——單位重量液體的損失，包括葉輪和管路中的水力損失、葉輪的輪緣泄漏損失(容積損失)以及葉輪下游整流導(dǎo)葉和噴嘴的收縮損失。

根據(jù)式(1)和(2)，可根據(jù)推力需求得到泵推進(jìn)器的揚(yáng)程。在計(jì)算得到揚(yáng)程以后據(jù)其設(shè)計(jì)葉輪。

2.2 推力與船舶阻力的平衡

由于泵噴水推進(jìn)器是由其進(jìn)出口流速的不同所形成的動量來實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)的，因此其推力的大小及其功率特性受航速的影響小。泵噴水推進(jìn)器功率和推力的調(diào)節(jié)通常通過變換轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。如前所述，泵噴水推進(jìn)器的葉輪通常為軸流式和斜流式，即高比轉(zhuǎn)速葉輪，因此都具有無過載特性，基本不會出現(xiàn)主機(jī)過載現(xiàn)象。

船舶阻力曲線通常由船舶設(shè)計(jì)方提出[3]。船舶阻力R隨著航速Vs的增加而增大，此外船舶阻力還受載重量的影響，滿載和空載時(shí)的船舶阻力不同。

泵噴水推進(jìn)器的性能曲線一般為多個(gè)功率條件(對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速)下推力T隨航速Vs的變化曲線[4]，見圖2。將船舶阻力曲線與泵噴水推進(jìn)器的推力曲線疊放在同一幅圖上，就可以得到船舶阻力與泵噴水推進(jìn)器推力的平衡點(diǎn)。泵噴水推進(jìn)器的負(fù)載(船舶阻力)不能太大，也就是其推力有工作上限。當(dāng)推力過大(轉(zhuǎn)速升高)時(shí)，根據(jù)方程(1)可以看出其流量或者流速會較大，這時(shí)候就會發(fā)生空化。船舶設(shè)計(jì)者在進(jìn)行泵噴水推進(jìn)器的選型或者設(shè)計(jì)時(shí)通常都會考慮空化的影響。圖2中,曲線①為空化初生曲線，曲線②是空化達(dá)到某種程度時(shí)的曲線。由上述兩條曲線分割的區(qū)域I為無空化區(qū)，區(qū)域II為輕度空化區(qū)，區(qū)域III為重度空化區(qū)。要求泵在無空化區(qū)內(nèi)運(yùn)行。船舶穩(wěn)定航行工況(泵噴水推進(jìn)最優(yōu)效率工況)與空化限制線①之間留有一定的裕度，通常噴水推進(jìn)器在額定轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行時(shí)該裕度取為泵額定航速Vse的20%。

圖2 泵噴水推進(jìn)器性能

對于主機(jī)的匹配，可以在船舶阻力以及所配備的泵噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)完成后根據(jù)所需求的配備功率和轉(zhuǎn)矩選取或者設(shè)計(jì)合適的原動機(jī)。

3 水力設(shè)計(jì)及流動分析

3.1 水力設(shè)計(jì)理論與繪型方法

葉輪是泵噴水推進(jìn)器的核心過流部件，泵噴水推進(jìn)器的葉輪主要有斜流式和軸流式兩種形式，見圖3。到目前為止，葉輪的設(shè)計(jì)主要參考泵葉輪的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)葉片泵中離心葉輪的設(shè)計(jì)已經(jīng)有近百年的發(fā)展積累，主要采用模型換算法和速度系數(shù)法。但是，這種基于經(jīng)驗(yàn)積累的設(shè)計(jì)方法雖然比較可靠，但卻限制了設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。同離心式葉輪不同，斜流式和軸流式葉輪的水力設(shè)計(jì)方法多種多樣，各有特點(diǎn)。

圖3 斜流式和軸流式葉輪示意

斜流泵在泵領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢也是近些年才被人重視的，斜流式葉輪的設(shè)計(jì)方法有傳統(tǒng)的用于離心泵設(shè)計(jì)的一元設(shè)計(jì)理論、逆向求解設(shè)計(jì)法以及控制速度矩設(shè)計(jì)法等[5]。軸流泵的設(shè)計(jì)主要有圓弧法和升力法，這些方法借用了航天翼型的葉柵理論。為了獲得期望的葉輪出口速度分布，有自由旋渦法和強(qiáng)制旋渦法或者介于二者之間的出口速度控制方法[6]。在泵噴水推進(jìn)器的相關(guān)文獻(xiàn)中，雖然也有些論文提到了葉輪設(shè)計(jì)所采用的方法[7]，但是還沒有具體的介紹葉輪水力設(shè)計(jì)過程的資料。因此，針對泵噴水推進(jìn)器的具體使用環(huán)境和推力需求，建立相應(yīng)準(zhǔn)確、可靠的水力設(shè)計(jì)方法還有很大的潛力。

需要說明的是，在借用泵葉輪設(shè)計(jì)的速度系數(shù)法和模型換算法設(shè)計(jì)泵噴水推進(jìn)器的葉輪時(shí)，不能忽略葉輪下游整流導(dǎo)葉的影響：由于泵噴水推進(jìn)器葉輪下游的整流導(dǎo)葉和噴嘴是收縮的，同一葉輪應(yīng)用在泵噴水推進(jìn)器上以后，其最高效率點(diǎn)與泵相比會向小流量方向偏移，也就是其比轉(zhuǎn)速會略微降低。

泵噴水推進(jìn)器的其它過流部件，例如進(jìn)水管道、葉輪下游的整流導(dǎo)葉以及噴嘴和倒車水斗等的水力設(shè)計(jì)資料還很少見。

當(dāng)前的水力設(shè)計(jì)方法都是一元設(shè)計(jì)。由于斜流式和軸流式葉輪從輪轂到輪緣的距離較長，也就是葉輪較寬。因此通常是在不同的回轉(zhuǎn)流面上進(jìn)行平面繪型，然后再將平面繪型串聯(lián)成為空間葉片?；谝辉O(shè)計(jì)理論的繪型方法存在下述兩個(gè)不足之處，一是現(xiàn)有的一元設(shè)計(jì)理論并不關(guān)心葉片翼型進(jìn)口邊到出口邊的過渡過程，但是已有研究發(fā)現(xiàn)葉片形狀的微小差別會對其運(yùn)行的穩(wěn)定性產(chǎn)生關(guān)鍵性影響；二是由平面繪型串聯(lián)成的空間曲面往往不平滑。在手工制作模具的過程中，模具制作工可以依據(jù)個(gè)人的豐富經(jīng)驗(yàn)對這種不平滑進(jìn)行修整。但是在應(yīng)用數(shù)控加工進(jìn)行模具制作的工藝中，這種繪型方法已經(jīng)無法滿足加工精度的要求。

3.2 流場分析

近30年來，現(xiàn)代CFD技術(shù)突飛猛進(jìn)并在泵噴水推進(jìn)器領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。CFD計(jì)算方法與傳統(tǒng)的理論分析方法、試驗(yàn)測量方法組成了研究流體流動問題的完整體系。目前對泵噴水推進(jìn)器的CFD分析基本上都是采用雷諾時(shí)均法(RANS方程)，應(yīng)用k-ε湍流模型封閉方程進(jìn)行計(jì)算[8]。泵噴水推進(jìn)器的工作環(huán)境非常復(fù)雜，典型的問題是其吸入口和噴出口(噴入空氣中還是噴射到水中或者二者之間)的流態(tài)都受環(huán)境的影響很大，流動結(jié)構(gòu)與葉輪內(nèi)部流動完全不同。因此應(yīng)根據(jù)具體的流動結(jié)構(gòu)和流態(tài)采用不同的湍流模型。國內(nèi)的相關(guān)研究沒有根據(jù)這些不同于泵的泵噴水推進(jìn)器的具體特點(diǎn)進(jìn)行研究，采用的計(jì)算模型變動不多、計(jì)算區(qū)域也基本局限于泵段，較少考慮船舶伴流附加阻力，一般計(jì)算得到的外特性曲線也基本上是描述泵特性的流量-揚(yáng)程曲線，而不是類似于圖2所示的泵噴水推進(jìn)器的推力特性曲線。此外，雖然有部分文獻(xiàn)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是沒有對試驗(yàn)的裝置及試驗(yàn)手段進(jìn)行介紹。

國外在相關(guān)領(lǐng)域的工作要多一些。首先進(jìn)水管道影響葉輪進(jìn)口流態(tài)分布的均勻性，從而會產(chǎn)生影響艦船舒適性和可操縱性的徑向力，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的ESCH以及BULTEN等通過CFD技術(shù)對進(jìn)水流道內(nèi)的流動及其對葉輪內(nèi)部流動和徑向力的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，并開發(fā)了在試驗(yàn)臺上測量徑向力的專用儀器[9]；對于斜流式或者軸流式開式葉輪，葉輪輪緣(impeller tip)與殼體之間的間隙存在泄漏流動。由于斜流式和軸流式葉輪輪緣處的做功能力強(qiáng)，因此必須考慮此處的泄流流動對主流的影響。美國約翰·霍普金斯大學(xué)的WU Huixuan等在閉式回路試驗(yàn)臺上應(yīng)用二維PIV技術(shù)對這種泄漏流動的流動結(jié)構(gòu)及泄漏渦的翻滾過程進(jìn)行了展示[10]。在流場可視化處理中，WU Huixuan采用了不同精度的顯示分辨率來分析輪緣泄漏旋渦圖像，其所做的工作及圖像信息后處理的方法在泵噴水推進(jìn)器等水力機(jī)械內(nèi)部流場的可視化研究領(lǐng)域是突破性的。此外，海外學(xué)者對船舶運(yùn)動與噴水推進(jìn)器之間的相互作用、自由液面對噴水推進(jìn)器的進(jìn)口流動以及泵噴水推進(jìn)器的運(yùn)行穩(wěn)定性的相互作用也有初步的研究[11]。另外韓國國立釜山大學(xué)的學(xué)者對某噴水推進(jìn)器的進(jìn)水管、輪緣間隙等領(lǐng)域也做了系統(tǒng)的研究工作[12-13]，其中KIM Moon-Chan設(shè)計(jì)了一臺可在淺水區(qū)行進(jìn)的履帶車，將所設(shè)計(jì)的泵噴水推進(jìn)器作為該履帶車的動力裝置以研究泵噴水推進(jìn)器的推進(jìn)能力，得到了類似圖2所示的泵噴水推進(jìn)器性能曲線(輸出功率—車速曲線)，其研究為泵噴水推進(jìn)器的非管路試驗(yàn)臺試驗(yàn)提供了一種有效的方法。

此外，轉(zhuǎn)向和倒車是泵噴水推進(jìn)器的重要工況，但目前還鮮有采用CFD技術(shù)對轉(zhuǎn)向和倒車仿真所作的工作。

由于CFD技術(shù)可以對設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行仿真分析以比較不同水力設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，因此水力設(shè)計(jì)方法自身越來越無法得到應(yīng)有的重視。這也許可以看作是現(xiàn)代CFD計(jì)算方法以及流場可視化飛速發(fā)展所帶來的負(fù)面作用。

3.3 推力傳遞及分析

公式(1)是泵噴水推進(jìn)器理想推力計(jì)算的方程式，而泵噴水推進(jìn)器推力的實(shí)際計(jì)算所涉及的因素要復(fù)雜得多。不同結(jié)構(gòu)的泵噴水推進(jìn)器推力軸承的安裝位置不同，因此其推力的傳遞路徑也不盡相同。例如有的泵噴水推進(jìn)器的推力軸承安裝在導(dǎo)葉體輪轂內(nèi)，動葉片上的流體作用力通過該推力軸承傳遞到導(dǎo)葉體后再作用到船體上。還有的泵噴水推進(jìn)器的輪轂內(nèi)沒有推力軸承，動葉片上的流體作用力通過葉輪軸傳遞到艙內(nèi)的推力軸承后再傳遞到船體上。在不同的推進(jìn)工況下，各部分的推力分布也不一樣。分析泵噴水推進(jìn)器推力的方法主要有三種。

1)理論分析法，即根據(jù)動量定理和伯努利方程以及推進(jìn)泵的水力性能對各種工況下噴水推進(jìn)器的推力性能進(jìn)行描述，系統(tǒng)中的各種能量損失采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來確定。這種采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方法需要有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為基礎(chǔ)。

2)采用試驗(yàn)測量的手段來求取噴水推進(jìn)器的推力。推力可通過直接測量得到，也可通過測量進(jìn)水口和出水口處的速度場后再應(yīng)用動量定理計(jì)算。

3)采用數(shù)值計(jì)算、即用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法來求取。船舶或者兩棲戰(zhàn)車在工作過程中會有轉(zhuǎn)彎以及加速等非平衡工況，在這些非平衡工況下的推力特性，目前相關(guān)的研究還很少。敖晨陽等對船舶噴水推進(jìn)系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析，其所建立的泵噴水推進(jìn)器各部分的模型可以為非平衡工況下的推力分析提供一種思路[14]。

4 換向與倒車裝置

由于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用泵噴水推進(jìn)器的船舶不能像螺旋槳那樣靠主機(jī)的倒轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)倒航，一般是設(shè)法使噴射水流反折來實(shí)現(xiàn)倒車，使噴射水流偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向。常見的舵及倒航組合操縱設(shè)備有外部導(dǎo)流倒放斗、外接轉(zhuǎn)管倒放罩等。

傳統(tǒng)的倒車水斗的倒車效率低。而且在正常航行中，倒車水斗會有附加阻力?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向時(shí)會有推力消失現(xiàn)象。這些都是現(xiàn)代泵噴水推進(jìn)器所需要改進(jìn)的內(nèi)容。目前在航空領(lǐng)域新發(fā)展起來的射流推力矢量控制技術(shù)應(yīng)該能夠?yàn)楸脟娝七M(jìn)器的現(xiàn)代換向理論提供借鑒[15-16]。

5 結(jié)論

1)目前泵噴水推進(jìn)器核心水力部件的設(shè)計(jì)方法都借助于泵的設(shè)計(jì)理論，因此泵噴水推進(jìn)器的設(shè)計(jì)與分析都受到了泵理論的束縛。泵噴水推進(jìn)器的工作原理及其環(huán)境因素與泵都不相同(比泵復(fù)雜得多)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)泵噴水推進(jìn)器自身的工作原理及其運(yùn)行環(huán)境建立針對性的(水動力學(xué))設(shè)計(jì)理論、分析方法以及試驗(yàn)設(shè)施等。

2)與一般用于輸送液體類介質(zhì)的葉片泵葉輪下游連接擴(kuò)散的導(dǎo)流殼不同，泵噴水推進(jìn)器葉輪的下游連接收縮的整流葉柵和噴嘴，下游過流部件的差別會影響葉輪內(nèi)部的流態(tài)以及性能參數(shù)。因此根據(jù)葉片泵的水力設(shè)計(jì)方法得到的結(jié)果會與泵噴水推進(jìn)器所要求的最優(yōu)工況有差距；此外，受環(huán)境因素的影響，泵噴水推進(jìn)器噴嘴下游的流態(tài)和流動結(jié)構(gòu)與葉輪內(nèi)部完全不同，因此應(yīng)當(dāng)采用不同的湍流模型，這也是現(xiàn)代CFD技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

3)明確泵噴水推進(jìn)器與船體系統(tǒng)的匹配關(guān)系是設(shè)計(jì)或者選用高效泵噴水推進(jìn)器的前提；泵噴水推進(jìn)器的工作動力是推力而不是揚(yáng)程(雖然二者有直接的聯(lián)系)，因此在繪制描述泵噴水推進(jìn)器的特性曲線時(shí)，建議繪制推力曲線而不是揚(yáng)程曲線；換向與倒車裝置的靈活性還有很大的空間，推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其是其轉(zhuǎn)向與倒車設(shè)計(jì)必須突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的束縛，目前在航空領(lǐng)域新發(fā)展起來的射流推力矢量控制技術(shù)能夠?yàn)楸脟娝七M(jìn)器的現(xiàn)代換向理論提供借鑒。

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