薛 亮，常書平

(1.常州玻璃鋼造船廠有限公司，江蘇 常州 213127；2.中國(guó)人民解放軍63983部隊(duì)，江蘇 無錫 214035)

0 引 言

影響噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能的因素較多。第一類因素與設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的選定有關(guān)，如直徑、轉(zhuǎn)速和進(jìn)速比等[1]；第二類因素與設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)選定有關(guān)，如軸面輪廓、轂徑比、負(fù)載分配和葉片數(shù)等[2]；第三類因素與工程應(yīng)用有關(guān)，對(duì)保障船艇推進(jìn)要求具有關(guān)鍵影響作用。針對(duì)葉輪葉頂間隙、流道格柵密度、艇底水底間距和雙泵軸間距等第三類因素開展計(jì)算分析研究，為考察噴水推進(jìn)器適裝性和指導(dǎo)設(shè)計(jì)、安裝與使用等提供有用依據(jù)。

1 計(jì)算模型

針對(duì)某艇阻力曲線、設(shè)計(jì)航速、主機(jī)功率與轉(zhuǎn)速、齒輪箱減速比等參數(shù)，結(jié)合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞損失、噴泵水力效率和進(jìn)水流道流動(dòng)損失系數(shù)等參數(shù)的假設(shè)值，確定噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)參數(shù)：噴泵進(jìn)口直徑為0.50 m，噴口直徑為0.32 m，設(shè)計(jì)流量為2.66×103kg/s，揚(yáng)程為40.33 m，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，葉輪葉片數(shù)為6個(gè)，整流器葉片數(shù)為9個(gè)；進(jìn)水流道總長(zhǎng)為2.55 m；進(jìn)水口由矩形和半橢圓形組成，進(jìn)水口寬為0.53 m、長(zhǎng)為2.10 m。

國(guó)內(nèi)較多學(xué)者[3-5]開展噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能的計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究，取得良好可信度，關(guān)于數(shù)值方法不再贅述。噴泵網(wǎng)格劃分如圖1所示。基于ANSYS-CFX 19.2軟件，采用剪切應(yīng)力傳輸(Shear Stress Transfer，SST)湍流模型封閉雷諾平均納維-斯托克斯方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations，RANS方程)求解噴水推進(jìn)器內(nèi)流場(chǎng)特性。計(jì)算域及邊界條件設(shè)置如圖2所示，泵轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，來流速度為80 km/h。

圖1 噴泵網(wǎng)格劃分

圖2 噴水推進(jìn)器推進(jìn)性能CFD計(jì)算模型

2 影響因素分析

2.1 葉輪葉頂間隙

葉輪葉頂間隙一般只有葉輪半徑的1‰～1%，對(duì)制造、裝配及使用可靠性均提出較高要求。設(shè)計(jì)9種葉頂間隙，分別為0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、1.1、1.5、2.0和3.0(單位為mm)。不同葉頂間隙的流量和效率變化曲線如圖3所示。不同葉頂間隙的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線如圖4所示。由圖3和圖4可知：流量、揚(yáng)程和效率隨葉頂間隙增大而下降，這是由于葉頂處壓力面與吸力面的壓差造成泄漏流，在泄漏流由間隙流出后與通道內(nèi)主流發(fā)生卷吸而形成間隙泄漏渦，因此損失增大；推力和功率隨葉頂間隙增加均呈減小趨勢(shì)，經(jīng)局部單元積分量分析，葉頂間隙改變?nèi)~輪葉片受力是引起推力變化的主要原因。在葉頂間隙較小時(shí)，噴水推進(jìn)器的效率和推力較大，但噴泵加工與裝配更困難，葉輪軸彎曲變形、葉輪受力變形和艇體熱應(yīng)力變形等原因均可能造成葉輪與外殼刮擦。在葉頂間隙較大時(shí)，加工與裝配過程更容易，但會(huì)降低噴水推進(jìn)器的效率和做功能力。噴水推進(jìn)器設(shè)計(jì)過程需要合理地考慮葉頂間隙大小的影響。

圖3 不同葉頂間隙的流量和效率變化曲線

圖4 不同葉頂間隙的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線

2.2 流道格柵密度

為防止艇底垃圾堵塞流道進(jìn)水口和進(jìn)入噴泵而造成部件損毀，通常需要在流道進(jìn)水口安裝格柵。設(shè)計(jì)7種流道格柵密度，格柵條數(shù)量分別為3、5、7、9、11、13和15(單位為根)，對(duì)應(yīng)的格柵條間距分別為115、80、60、47、40、31和27(單位為mm)；每根格柵條寬為30 mm，厚為5 mm；格柵導(dǎo)邊和隨邊采用半圓形導(dǎo)流。不同格柵條數(shù)量的流道進(jìn)水口如圖5所示。不同格柵條數(shù)量的流量和效率變化曲線如圖6所示。不同格柵條數(shù)量的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線如圖7所示。由圖6和圖7可知：隨著格柵條數(shù)量增加，進(jìn)流受阻擋作用增強(qiáng)，噴泵流量減小，15根格柵條的流量比無格柵減小0.80%；噴泵揚(yáng)程隨格柵條數(shù)量增加而略有增加，與無格柵相比，最大增加量為0.60%；噴泵效率變化呈現(xiàn)波動(dòng)，5根和9根格柵條的效率較高，與無格柵相比，增加約0.20%；功率值略有變化，與無格柵相比，最大變化幅度為0.52%；推力隨格柵條數(shù)量增加而逐漸下降，與其他參數(shù)相比，變化幅度相對(duì)較大，15根格柵條減小約2.64%，9根格柵條減小約1.12%。

圖5 不同格柵條數(shù)量的流道進(jìn)水口

圖6 不同格柵條數(shù)量的流量和效率變化曲線

圖7 不同格柵條數(shù)量的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線

2.3 艇底水底間距

設(shè)計(jì)11種艇底水底間距，分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0和2.5(單位為m)。不同艇底水底間距的流量和效率變化曲線如圖8所示。不同艇底水底間距的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線如圖9所示。由圖8和圖9可知：

圖8 不同艇底水底間距的流量和效率變化曲線

圖9 不同艇底水底間距的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線

隨著艇底水底間距減小，阻塞效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，在艇底水底間距>1.0 m時(shí)流量減小幅度不大，在艇底水底間距<0.5 m時(shí)流量隨艇底水底間距減小而快速下降，同時(shí)揚(yáng)程和效率發(fā)生較明顯變化；艇底水底間距變化對(duì)功率影響不明顯，與2.5 m間距相比，在其他間距時(shí)功率變化幅度均在0.5%內(nèi)；隨著艇底水底間距減小，推力值逐漸減小，在間距減小至0.5 m后下降趨勢(shì)加強(qiáng)，與2.5 m間距相比，在0.1 m間距時(shí)推力減小約3.1%。

2.4 雙泵軸間距

受船體寬度限制，2套噴水推進(jìn)器的最大橫向間距為1.6 m。雙泵軸間距為0.8 m時(shí)，2套噴水推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向倒車機(jī)構(gòu)橫向間距接近0 m，已無法繼續(xù)并攏。設(shè)計(jì)5種雙泵軸間距，分別為0.8、1.0、1.2、1.4和1.6(單位為m)。不同雙泵軸間距的流量和效率變化曲線如圖10所示。不同雙泵軸間距的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線如圖11所示。

由圖10和圖11可知：雙泵軸間距對(duì)水力性能影響不明顯；在雙泵軸間距>1.0 m時(shí)影響較小，與1.6 m間距相比，各參數(shù)變化均<0.16%；在雙泵軸間距縮至0.8 m時(shí)影響有所增加，但幅值仍較小，與1.6 m間距相比，各參數(shù)變化均<0.93%。雙泵軸間距為0.8 m的流線分布如圖12所示，2套推進(jìn)器間的相互干擾較小，“搶水”現(xiàn)象不明顯。

圖10 不同雙泵軸間距的流量和效率變化曲線

圖11 不同雙泵軸間距的功率、揚(yáng)程和推力變化曲線

圖12 雙泵軸間距為0.8 m的流線分布

3 結(jié) 論

以某艇設(shè)計(jì)工況為計(jì)算對(duì)象，研究多種因素對(duì)噴水推進(jìn)器性能的影響，分析得出：

(1)在設(shè)計(jì)與制造噴水推進(jìn)器時(shí)，需要保持較小葉頂間隙以保證推進(jìn)性能，在日常使用和保養(yǎng)時(shí)應(yīng)密切關(guān)注由磨損、汽蝕和腐蝕等引起的葉頂間隙改變情況。某艇的噴水推進(jìn)器建議采用0.3 mm葉頂間隙方案，與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造水平相適應(yīng)。

(2)過密格柵條會(huì)增加流道進(jìn)水口阻尼作用，影響流道對(duì)噴泵的供流能力。為兼顧格柵隔離垃圾能力和對(duì)噴水推進(jìn)器性能影響，推薦采用9根格柵條方案。

(3)在艇底水底間距過小時(shí)阻塞效應(yīng)明顯，推力下降比例較大。建議在艇底水底間距<1.0 m時(shí)，某艇的噴水推進(jìn)器不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)工作。

(4)雙泵軸間距對(duì)某艇的噴水推進(jìn)器的水力性能和推進(jìn)性能影響較小。