高比轉速軸流式和斜流式泵噴水推進器推進特性分析

倪永燕，潘中永

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003; 2.江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

高比轉速軸流式和斜流式泵噴水推進器推進特性分析

倪永燕1，潘中永2

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003; 2.江蘇大學國家水泵及系統工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

對比比轉速同為ns=769的兩個軸流式葉輪和斜流式葉輪的水力性能和推進性能，分析其做為泵噴水推進器葉輪的適用性。分析結果表明，就所研究的兩個葉輪而言，斜流式葉輪的高效區更寬，當做為泵噴水推進器葉輪使用時，軸流式葉輪的結構更緊湊、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器的工作葉輪。

泵噴水推進器;軸流式;斜流式;高比轉速;推力

與高性能船吃水淺、航速高的優勢相對應，泵噴水推進器近年來越來越多地替代螺旋槳為表面效應船等各類高性能船舶提供推進動力。與泵噴水推進器相關的研究已經涉及到渦擾動等流動不穩定性以及泵噴水推進器與船體的相互干涉等領域［1-2］。不過，做為泵噴水推進器核心部件的葉輪是采用軸流式還是斜流式一直沒有明確的結論。實際上即使是泵領域，斜流泵也只是在21世紀以來才逐步進入傳統的軸流泵應用領域［3］。軸流式葉輪的缺點明顯，就是高效區窄，在小流量區域有駝峰［4］。但是近年來的研究和應用發現，高比轉速斜流式葉輪雖然高效區寬，但是小流量區域有駝峰的缺點并未改變，此外，最近有試驗研究發現斜流泵在其設計點附近會出現小范圍的流動不穩定現象［5］。文中以兩個比轉速相同的軸流式葉輪和斜流式葉輪為例，計算并分析比較其推力和推功比特性。

1 葉輪結構和性能參數

圖1 兩種葉輪外觀對比

表1 軸流式葉輪和斜流式葉輪的額定點性能參數

所研究的軸流式葉輪和斜流式葉輪的外觀對性能參數參見文獻［6］?？梢钥闯龆叩谋绒D速ns=769相等，斜流式葉輪屬于高比轉速葉輪，其超出了斜流泵葉輪的傳統比轉速范圍ns=300～500。為了便于比較，將斜流式葉輪的參數相似換算到與軸流式葉輪的額定點性能參數相同。換算后的性能參數和結構參數見圖2和圖3。

圖2中虛線是軸流式葉輪的水力性能，實線是換算后的斜流式葉輪的水力性能，兩個葉輪在小流量區都有馬鞍形不穩定段，圖中沒有繪出。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速差別有關。在斜流式葉輪性能參數的換算中沒有換算效率，不過由于是向大流量、高轉速方向換算，換算后的斜流式葉輪效率會大于83.5%，也就是說，與軸流式葉輪的效率差別會更小甚至有可能超過軸流式葉輪的效率。

圖2 水力性能對比

圖3 葉輪結構對比示意

由圖2可以看出，相比于軸流式葉輪，斜流式葉輪的優點是高效區寬，特別是在大流量區域，例如在1.2Q點，斜流式葉輪效率比軸流式葉輪效率高12個百分點。

但斜流式葉輪結構弱點很明顯。由圖3可見，斜流式葉輪的出口輪緣直徑為309 mm，其下游導葉的最大外徑為430 mm，而相應的軸流式葉輪及下游導葉的最大外徑都是300 mm。

因此，從結構上而言，軸流式葉輪比斜流式葉輪在高性能船用泵噴水推進器中的應用更有優勢。

2 泵噴水推進器推進機理

對于圖4所示的泵噴水推進器，建立圖中虛線環繞的控制體CV，對于該控制體中的流體，其受力在水平方向上有葉輪對其推力Ti以及控制體邊界上對其施加的力控制體中流體的動量變化為，因此有

圖4 泵噴水推進器推進機理示意

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方向。

對于不可壓縮流體，式(1)左側第一項為0，右側就是泵噴水推進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器的推力T，即

式中:Q——流量;

cj——噴嘴內的射流速度;

cm——葉輪前的來流速度，a=cj/cm為射流比。

從式(2)可見，推力T隨流量Q發生變化。泵噴水推進器在運行中，由噴嘴限制其工作流量進而得到需求的推力。噴嘴的作用就是做為一個系統部件使系統阻力Hs與泵噴水推進器葉輪提供的動力H相平衡，即

式中:K1的最優值為K1=(a－1)2［7］。

因此式(3)可以改寫為

由此得到

因此，泵噴水推進器在實際運行中，噴嘴直徑與葉輪的水力特性曲線共同確定了泵噴水推進器的工作流量，也就是其推力。

3 推力特性

根據式(2)、(5)，以及圖2計算得到軸流式葉輪和斜流式葉輪的推力特性曲線以及推功比特性曲線，見圖5。

圖5 軸流式葉輪和斜流式葉輪的推進特性

圖中橫坐標是噴嘴的出口直徑，軸流式葉輪工作時的最大推力出現在Dj=192 mm(a=2.4)附近，斜流式葉輪工作時的最大推力出現在Dj= 196 mm(a=2.3)附近，二者都略低于最優效率點的流量。軸流式葉輪工作時的最大推力更大，斜流式葉輪工作時大推力區更寬，此結論似乎與先前的研究有沖突［8］。實際上二者并不矛盾，文獻［8］所改進的斜流式葉輪主要是提高了其揚程從而使比轉速降低，其與原始葉輪的比轉速并不相同。因此，對于確定流量點和確定比轉速工作的泵噴水推進器而言，只要設計和選型合理，選用軸流式葉輪能得到更高的推力。另外，對于所研究的軸流式葉輪，在Dj=174 mm(a=3.0)附近出現推力突升現象，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流量。即軸流式和斜流式葉輪的最優效率點在最大推力流量點和最大推功比流量點之間。因此，為了既有效應用電機功率，又能得到盡可能大的推力，通常設計泵噴水推進器在接近但又略低于最優效率點流量的工況下運行。此外，在最大推力點附近，斜流式葉輪的推功比特性出現異常變化的原因還需進一步分析。

4 結論

1)比轉速同為ns=769的軸流式葉輪高效區窄，斜流式葉輪高效區寬，在1.2倍最優效率點流量工況處，斜流式葉輪的效率比軸流式葉輪效率高12個百分點。

2)以往的研究大多認為斜流式泵噴水推進器的推力更高，這是因為通常在相同流量下，斜流式葉輪的比轉速要小，也就是揚程更高引起的。根據文中的研究，對于比轉速相同的葉輪，不論是結構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器。

3)對于文中所研究的葉輪，軸流式葉輪在小流量區域出現推力突增現象，斜流式葉輪在最大推力點附近出現不平穩變化，這些變動是個體現象還是總體特征以及出現這類變化的原因還不清楚，尚需進一步研究。

4)根據文中的研究結果，當泵噴水推進器需要設計ns＞500的高比轉速葉輪時，建議優先采用軸流式葉輪。

［1］BRANDNER P A，DAWSON E C，WALKER G J.An experimental investigation into the influence of rampmounted vortex generators on the performance of a flush waterjet inlet［J］.Journal of Ship Research，2010，54 (3):209-223.

［2］TAKAI T，KANDASAMY M，STERN F.Verification and validation study of URANS simulations for an axial waterjet propelled large high-speed ship［J］.Journal of Marine Science and Technology，2011(16):434-447.

［3］潘中永，倪永燕，袁壽其，等.斜流泵研究進展［J］.流體機械，2009，37(9):37-40.

［4］關醒凡.軸流泵和斜流泵:水力模型設計試驗及工程應用［M］.北京:中國宇航出版社，2009.

［5］張大慶.高比轉速蝸殼混流泵內流數值模擬與試驗研究［D］.鎮江:江蘇大學，2014.

［6］豊倉富太郎，太田秀之.高比速度斜流ポンプについて［J］.ターボ機械，1999，27(8):451-455.

［7］金平仲.船舶噴水推進［M］.北京:國防工業出版社，1986.

［8］倪永燕，吳濤濤.泵噴水推進器分析與設計改進［J］.船海工程，2012，41(5):61-63.

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

國家自然科學基金(青年基金)(51209108)

倪永燕(1975-)，女，博士，講師

研究方向:流體力學、船舶(仿生)推進及深海結構物渦激振動

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