馮 超，陶 金，陳建平

(中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所 噴水推進(jìn)技術(shù)重點實驗室，上海 200011)

0 引 言

隨著船舶速度與環(huán)保性指標(biāo)的提高，在過去的20年間，對噴水推進(jìn)器的效率、振動、噪聲和適用性等要求與日俱增，前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器應(yīng)運而生，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器具有流量大、振動小、噪聲低、安裝靈活等優(yōu)點，在船體小型且隱形化、航行高速且機動化的潛水航行艇上具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

圖1 前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示例

戴原星等[1]求解由RNGk-ε雙方程湍流模型封閉的相對定常雷諾時均方程,對前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器進(jìn)行全三維數(shù)值模擬,得到通用特性曲線，但對于前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器水力性能的試驗研究較少。本文根據(jù)前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的特點和實際工作情況，在傳統(tǒng)軸流式推進(jìn)器水力性能試驗的基礎(chǔ)上，提出更先進(jìn)、準(zhǔn)確的試驗方法和設(shè)備，開展靜動間距對前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器水力性能影響的物理試驗，將試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證數(shù)值計算的有效性，初步掌握靜動間距對水力性能的影響規(guī)律，對前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的設(shè)計、數(shù)值計算和實際應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法和設(shè)備改進(jìn)

目前國內(nèi)噴水推進(jìn)器水力試驗主要參考國標(biāo)GB/T 3216-2016《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗 1級、2級和3級》開展。由于前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的水力性能及結(jié)構(gòu)與回轉(zhuǎn)動力泵有較大區(qū)別，該標(biāo)準(zhǔn)不能完全適用，國內(nèi)關(guān)于前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器試驗的參考資料和研究成果也較少，因此對傳統(tǒng)試驗方法和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

1.1 揚程修正

在揚程測量中，為了在測壓截面上獲得理想的液流狀態(tài)，進(jìn)出口測壓截面與推進(jìn)器進(jìn)出口法蘭有2D(D為管路直徑，D=300 mm)距離[2]。由于管壁粗糙度大，快速流動的液流與管壁發(fā)生摩擦，在進(jìn)口測壓截面至推進(jìn)器進(jìn)口法蘭，以及推進(jìn)器出口法蘭至出口測壓截面內(nèi)造成了兩部分水頭損失(H1和H2)，影響了小揚程推進(jìn)器水力性能試驗精度。此外，在相同流量下靜動間距變化時，實測揚程發(fā)生變化，但液流速度不變，水頭損失也不變，不同實測揚程的水頭損失占比不同，無法準(zhǔn)確比較不同靜動間距對推進(jìn)器揚程的影響，有必要對實測揚程進(jìn)行修正。

降低管壁粗糙度可減少水頭損失，但加工成本高，利用沿程損失公式和普氏系數(shù)，改編計算機水力性能試驗程序，把水頭損失(H1和H2)加到實測揚程上，剔除水頭損失對揚程測量的影響。沿程損失為

(1)

式中：l為測量截面至進(jìn)出口法蘭距離；D為管路直徑；V為流速；λ為普氏系數(shù)，查表得0.013 9；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?/p>

1.2 功率修正

推進(jìn)器主軸通過葉輪端和驅(qū)動端軸支架支撐，支架內(nèi)安裝了軸承及密封件。在傳動過程中，軸承和密封件的摩擦導(dǎo)致葉輪獲得的功率低于電動機輸出功率，即傳動效率≤100%，傳動損失影響了低功率推進(jìn)器水力性能試驗精度。此外，在相同流量下靜動間距變化時，實測功率發(fā)生變化，但主軸轉(zhuǎn)速不變，傳動損失也不變，不同實測功率的傳動損失占比不同，無法準(zhǔn)確比較不同靜動間距對推進(jìn)器功率的影響，有必要對實測功率進(jìn)行修正。

各型前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器使用的軸承規(guī)格、密封件型式不同，導(dǎo)致傳動損失也不同，只能通過無葉輪狀態(tài)下的空載功率試驗測得額定轉(zhuǎn)速下的傳動損失。改編計算機的水力性能試驗程序，將實測功率減去傳動損失，即可得到實際輸入功率，剔除傳動損失對功率測量的影響。

1.3 降低測量誤差

測量誤差對小揚程、低功率推進(jìn)器的水力性能試驗精度影響較大，測量誤差由系統(tǒng)誤差和隨機誤差組成，縮小系統(tǒng)誤差和隨機誤差可提高試驗精度[3]。系統(tǒng)誤差可通過提升傳感器精度等級縮小：測壓傳感器選用E+H PMC71型、滿量程范圍0.02級精度，測功傳感器選用湘儀動力JC2C型、滿量程范圍0.1級精度，流量傳感器選用科隆OPTIFLUX2000型、滿量程范圍0.2級精度。隨機誤差具有互相抵消性，可通過高頻率反復(fù)采樣后取平均值的方法縮小，改編計算機的水力性能采樣程序，在同一工況下進(jìn)行50次重復(fù)采樣，采樣間隔為500 ms，取每組數(shù)據(jù)的平均值為最終水力性能。

1.4 設(shè)置進(jìn)口整流裝置

前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器在水下工作時，進(jìn)口具有高速均勻來流，且前置導(dǎo)葉會對來流進(jìn)行預(yù)旋。在無法加長試驗段前直管路長度的前提下，為模擬實際工作情況并準(zhǔn)確獲得前置導(dǎo)葉對來流的預(yù)旋效果，根據(jù)直徑D為300 mm的進(jìn)口管路內(nèi)流速分布，設(shè)計整流格柵和整流葉片，格柵表面分布相應(yīng)直徑為d的通孔，如圖2所示。葉片與格柵焊接為一體，將整流裝置布置在進(jìn)口前5D處。

圖2 整流裝置結(jié)構(gòu)示例

1.5 設(shè)置增壓泵

潛水航行艇通常航行于水下幾百米范圍內(nèi)，前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的進(jìn)口來流壓力大于一般推進(jìn)器，并且隨潛航深度改變而改變，在試驗中為模擬推進(jìn)器在實際工作時不同的來流壓力，在無法加高現(xiàn)有汽蝕筒高度，即無法增加桶內(nèi)倒灌頭水位的情況下，必須設(shè)置一臺增壓泵，將增壓泵出口與汽蝕筒排氣管路相連，通過增壓泵改變汽蝕筒筒頂空氣壓力，調(diào)節(jié)推進(jìn)器的來流壓力，提高試驗準(zhǔn)確性。

2 水力性能試驗

2.1 水力性能試驗結(jié)果

根據(jù)GB/T 3216-2016規(guī)定，運用改進(jìn)后的試驗方法和設(shè)備，進(jìn)行某型前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器靜動間距對水力性能影響試驗，推進(jìn)器靜動間距分別設(shè)定為0.1D、0.2D、0.3D。水力性能試驗結(jié)果如表1～表3所示。

表1 0.1D靜動間距水力性能試驗結(jié)果

表2 0.2D靜動間距水力性能試驗結(jié)果

表3 0.3D靜動間距水力性能試驗結(jié)果

繪制各靜動間距下的揚程、功率、效率曲線比較圖，如圖3～圖5所示。前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器在0.1D靜動間距時水力性能最佳，隨著靜動間距增大，葉輪做功能力逐漸減弱，揚程逐漸降低且降幅相近，功率逐漸降低且降幅增大，效率也逐漸降低且在大流量點的降幅大于小流量點。

圖3 揚程曲線比較

圖4 功率曲線比較

圖5 效率曲線比較

2.2 靜動間距對水力性能影響

結(jié)合試驗結(jié)果及前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器結(jié)構(gòu)特點可以發(fā)現(xiàn)，在相同流量下，推進(jìn)器進(jìn)口管路內(nèi)液流具有相同流速，前置導(dǎo)葉對液流預(yù)旋效果相同。0.1D靜動間距為設(shè)計間距，液流流經(jīng)靜動間距后具有的負(fù)預(yù)旋角度與葉輪安放角基本一致，葉輪的揚程提升能力最強，此時推進(jìn)器效率最高。隨著靜動間距增大，經(jīng)預(yù)旋的液流流動距離增大，葉輪前液流具有的負(fù)預(yù)旋角度與葉輪安放角不一致，沖角減小導(dǎo)致葉輪的揚程提升減弱，水動力性能降低，同樣其他流量點下推進(jìn)器的水動力性能也隨靜動間距的增大而降低，如圖6所示。由此可見，合適的靜動間距對提高前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的水動力性能很重要[4]。

圖6 靜動間距與液流角度

3 數(shù)值計算

3.1 建模及計算結(jié)果

圖7 靜止域、轉(zhuǎn)靜交界面和旋轉(zhuǎn)域

圖8 選用NUMECA的網(wǎng)格劃分

圖9 靜止域網(wǎng)格1

圖10 靜止域網(wǎng)格2

使用CFD軟件，針對直徑D為300 mm的前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器特點展開建模。計算域：以前置導(dǎo)葉參考線與葉輪轂交點為原點，向前后延伸各10D，其中計算區(qū)域內(nèi)靜止域的范圍為轉(zhuǎn)靜交界面至進(jìn)口，旋轉(zhuǎn)域的范圍為轉(zhuǎn)靜交界面至出口，如圖7所示。網(wǎng)格的劃分：利用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格對整個計算域進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分軟件選擇NUMECA，如圖8所示。靜止區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格形式如圖9和圖10所示，旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格形式如圖11和圖12所示，對輪轂和葉梢部分加邊界層網(wǎng)格，并在導(dǎo)葉和葉輪附近的區(qū)域、葉片導(dǎo)邊和隨邊壓力變化梯度較大的區(qū)域進(jìn)行O型網(wǎng)格加密。設(shè)定邊界條件：使用質(zhì)量流量為入口邊界條件，按試驗值設(shè)置流量大小，取1%作為入口邊界的湍流強度，使用壓強作為出口邊界條件，出口壓強大小為1 atm(1 atm=101 325 Pa)。

圖11 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格1

圖12 旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格2

0.1D、0.2D、0.3D靜動間距水力性能數(shù)值計算結(jié)果如表4～表6所示。

表4 0.1D靜動間距數(shù)值計算結(jié)果

表5 0.2D靜動間距數(shù)值計算結(jié)果

表6 0.3D靜動間距數(shù)值計算結(jié)果

3.2 數(shù)值計算驗證

對各靜動間距的物理試驗和數(shù)值計算結(jié)果做誤差分析，如表7～表9所示。從表7～表9可見誤差基本較小，故本數(shù)值計算方法基本可以準(zhǔn)確地預(yù)報前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器水力性能，且基本能夠準(zhǔn)確地反映靜動間距對水力性能的影響。

表7 0.1D物理試驗與數(shù)值計算誤差

表8 0.2D物理試驗與數(shù)值計算誤差

表9 0.3D物理試驗與數(shù)值計算誤差

4 結(jié) 論

根據(jù)前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的特點和實際工作情況，改進(jìn)水力性能試驗方法和設(shè)備：(1)對實測揚程與實測功率進(jìn)行修正，消除了沿程損失和摩擦損失造成的誤差，提高了水力性能試驗精度；(2)選用高精度傳感器，并在多次重復(fù)采樣后取平均值，分別降低了采樣過程中的系統(tǒng)誤差和隨機誤差；(3)增設(shè)整流裝置和增壓泵，模擬實際水下航行時推進(jìn)器的工作情況，提高了試驗準(zhǔn)確性。

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，利用改進(jìn)后的試驗方法和設(shè)備開展物理試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析和比較，初步得到了靜動間距對前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器水力性能的影響規(guī)律：液流的負(fù)預(yù)旋角度與葉輪安放角的匹配度與推進(jìn)器的性能提升有十分密切的關(guān)系；調(diào)整靜動間距至合適的大小，使液流的負(fù)預(yù)旋角度與葉輪安放角相匹配，葉輪的揚程提升能力越強，前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器的水動力性能越好。

對該型前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器各靜動間距下的水力性能進(jìn)行數(shù)值計算，比較計算數(shù)值與物理試驗結(jié)果，驗證了前置導(dǎo)葉軸流式推進(jìn)器數(shù)值計算方法的有效性。