泵喷水推进器研究进展

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(江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003)

泵喷水推进器(waterjet propulsion)又称为喷水推进泵。随着20世纪后期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为代表的水上运输高速化的发展，由于泵喷水推进器优越的抗空泡特性等水力性能以及结构特性的优势(机动性和操纵性好、适合浅水航行、振动噪声小、水声信号低、高航速时效率高、抗空泡能力强等)使其适用及需求范围越来越广，发展势头迅猛。以泵喷水推进器为动力装置的高性能船舶是现代新型船舶工业体系的重要内容，对泵喷水推进器的深入研究是我国造船工业发展战略的一个核心课题。喷水推进技术大致经历了液泵喷水推进、间歇喷水推进、底板式喷水推进、艉板式喷水推进和舷外喷水推进5个阶段[1]。从目前在船舶上的应用情况看，艉板式喷水推进已成为喷水推进的首选形式。

虽然喷水推进和螺旋桨推进的历史同样长久，但是喷水推进技术的发展相当缓慢，直到近年来才得到一定的推广应用。造成这种状况的原因很多，主要是下述这3个关键问题还没有得到有效解决，即高推进效率实现，转弯力保证以及倒车装置控制。喷水推进的系统总效率取决于两个方面，即水泵效率和系统效率。二者都与推进水泵的喷速比有关。要取得喷水推进的高效率，关键在于取得推进水泵效率和系统效率的最佳综合效果。对提高喷水推进效率的研究重点放在系统总效率优化、推进水泵的研究及制造、减小进水管道损失等三个方面。喷水推进的另一个关键技术是保证船在转弯时其推力不会丧失。目前可以通过单片水平操舵变流装置来引导水流喷向左舷或右舷，以此获得最大转弯力。喷水推进的第三个关键技术是配备操作灵活、水动力性能优良的倒车装置。通常采用由液压驱动的分隔式双瓣导管倒车变流装置在船下改变水流方向，使船得到强有力的向后推力，随后控制系统允许可倒车变流装置在保持全舵力时置于零速度位置。

本文主要以艉板式泵喷水推进器为例，介绍喷水推进器在上述三个方面关键技术的研究进展。

1 基本工作原理及基本方程式

图1所示为典型艉板式泵喷水推进器。

图1 典型艉板式泵喷水推进器示意

从泵喷水推进器的功率和效率需求、舰船布置的需要以及传动机构的合理、方便、可靠等因素出发，通常选用轴流式叶轮或斜流式叶轮，特殊情况下也会采用离心式叶轮。泵喷水推进器不是像螺旋桨那样直接产生推力，而是利用其喷出水流的反作用力推动船舶前进。

泵喷水推进器的推力计算基本方程式为

T=ρQ(cj-cm)=ρQcm(a-1)

(1)

式中:T——轴向推力；

ρ——流体密度；

Q——体积流量；

cj——喷嘴出口处射流速度；

cm——吸入管路平均速度;

α——射流速度比，α=cj/cm。

在实际运行中，由于有能量损失的存在，水流的动量并不会全部转化为推进船舶前进的推力，因此根据式(1)得到的泵喷水推进器的推力与实际值有差距。

2 泵喷水推进器与系统的匹配

喷水推进装置最常见的原动机及传动装置配置有燃气轮机与减速齿轮箱驱动、柴油机与减速齿轮箱驱动、燃气轮机或柴油机直接驱动等形式。在采用全电力综合推进的舰船上则一般采用电动机直接驱动泵喷水推进器的形式。泵喷水推进器要满足主机、管道系统(包括泵)和船体三方面的平衡，即主机的功率和转矩要与泵喷水推进器吸收的功率和转矩相平衡，泵喷水推进器的扬程要在系统效率较佳的前提下与管道系统及喷射损失相平衡，泵喷水推进器的推力要和设计工况下的船体阻力以及系统的附加阻力相平衡。

2.1 扬程与管道损失的平衡

泵推进器的扬程等于其出口处单位重量液体的能量减去进口处单位重量液体的能量以及进出口之间的能量损失之和[2]，即

(2)

式中:h——单位重量液体的损失，包括叶轮和管路中的水力损失、叶轮的轮缘泄漏损失(容积损失)以及叶轮下游整流导叶和喷嘴的收缩损失。

根据式(1)和(2)，可根据推力需求得到泵推进器的扬程。在计算得到扬程以后据其设计叶轮。

2.2 推力与船舶阻力的平衡

由于泵喷水推进器是由其进出口流速的不同所形成的动量来实现船舶推进的，因此其推力的大小及其功率特性受航速的影响小。泵喷水推进器功率和推力的调节通常通过变换转速来实现。如前所述，泵喷水推进器的叶轮通常为轴流式和斜流式，即高比转速叶轮，因此都具有无过载特性，基本不会出现主机过载现象。

船舶阻力曲线通常由船舶设计方提出[3]。船舶阻力R随着航速Vs的增加而增大，此外船舶阻力还受载重量的影响，满载和空载时的船舶阻力不同。

泵喷水推进器的性能曲线一般为多个功率条件(对应不同的转速)下推力T随航速Vs的变化曲线[4]，见图2。将船舶阻力曲线与泵喷水推进器的推力曲线叠放在同一幅图上，就可以得到船舶阻力与泵喷水推进器推力的平衡点。泵喷水推进器的负载(船舶阻力)不能太大，也就是其推力有工作上限。当推力过大(转速升高)时，根据方程(1)可以看出其流量或者流速会较大，这时候就会发生空化。船舶设计者在进行泵喷水推进器的选型或者设计时通常都会考虑空化的影响。图2中,曲线①为空化初生曲线，曲线②是空化达到某种程度时的曲线。由上述两条曲线分割的区域I为无空化区，区域II为轻度空化区，区域III为重度空化区。要求泵在无空化区内运行。船舶稳定航行工况(泵喷水推进最优效率工况)与空化限制线①之间留有一定的裕度，通常喷水推进器在额定转速条件下运行时该裕度取为泵额定航速Vse的20%。

图2 泵喷水推进器性能

对于主机的匹配，可以在船舶阻力以及所配备的泵喷水推进器设计完成后根据所需求的配备功率和转矩选取或者设计合适的原动机。

3 水力设计及流动分析

3.1 水力设计理论与绘型方法

叶轮是泵喷水推进器的核心过流部件，泵喷水推进器的叶轮主要有斜流式和轴流式两种形式，见图3。到目前为止，叶轮的设计主要参考泵叶轮的设计方法。传统叶片泵中离心叶轮的设计已经有近百年的发展积累，主要采用模型换算法和速度系数法。但是，这种基于经验积累的设计方法虽然比较可靠，但却限制了设计的创新。同离心式叶轮不同，斜流式和轴流式叶轮的水力设计方法多种多样，各有特点。

图3 斜流式和轴流式叶轮示意

斜流泵在泵领域的应用优势也是近些年才被人重视的，斜流式叶轮的设计方法有传统的用于离心泵设计的一元设计理论、逆向求解设计法以及控制速度矩设计法等[5]。轴流泵的设计主要有圆弧法和升力法，这些方法借用了航天翼型的叶栅理论。为了获得期望的叶轮出口速度分布，有自由旋涡法和强制旋涡法或者介于二者之间的出口速度控制方法[6]。在泵喷水推进器的相关文献中，虽然也有些论文提到了叶轮设计所采用的方法[7]，但是还没有具体的介绍叶轮水力设计过程的资料。因此，针对泵喷水推进器的具体使用环境和推力需求，建立相应准确、可靠的水力设计方法还有很大的潜力。

需要说明的是，在借用泵叶轮设计的速度系数法和模型换算法设计泵喷水推进器的叶轮时，不能忽略叶轮下游整流导叶的影响：由于泵喷水推进器叶轮下游的整流导叶和喷嘴是收缩的，同一叶轮应用在泵喷水推进器上以后，其最高效率点与泵相比会向小流量方向偏移，也就是其比转速会略微降低。

泵喷水推进器的其它过流部件，例如进水管道、叶轮下游的整流导叶以及喷嘴和倒车水斗等的水力设计资料还很少见。

当前的水力设计方法都是一元设计。由于斜流式和轴流式叶轮从轮毂到轮缘的距离较长，也就是叶轮较宽。因此通常是在不同的回转流面上进行平面绘型，然后再将平面绘型串联成为空间叶片。基于一元设计理论的绘型方法存在下述两个不足之处，一是现有的一元设计理论并不关心叶片翼型进口边到出口边的过渡过程，但是已有研究发现叶片形状的微小差别会对其运行的稳定性产生关键性影响；二是由平面绘型串联成的空间曲面往往不平滑。在手工制作模具的过程中，模具制作工可以依据个人的丰富经验对这种不平滑进行修整。但是在应用数控加工进行模具制作的工艺中，这种绘型方法已经无法满足加工精度的要求。

3.2 流场分析

近30年来，现代CFD技术突飞猛进并在泵喷水推进器领域也得到了广泛的应用。CFD计算方法与传统的理论分析方法、试验测量方法组成了研究流体流动问题的完整体系。目前对泵喷水推进器的CFD分析基本上都是采用雷诺时均法(RANS方程)，应用k-ε湍流模型封闭方程进行计算[8]。泵喷水推进器的工作环境非常复杂，典型的问题是其吸入口和喷出口(喷入空气中还是喷射到水中或者二者之间)的流态都受环境的影响很大，流动结构与叶轮内部流动完全不同。因此应根据具体的流动结构和流态采用不同的湍流模型。国内的相关研究没有根据这些不同于泵的泵喷水推进器的具体特点进行研究，采用的计算模型变动不多、计算区域也基本局限于泵段，较少考虑船舶伴流附加阻力，一般计算得到的外特性曲线也基本上是描述泵特性的流量-扬程曲线，而不是类似于图2所示的泵喷水推进器的推力特性曲线。此外，虽然有部分文献提供了试验数据，但是没有对试验的装置及试验手段进行介绍。

国外在相关领域的工作要多一些。首先进水管道影响叶轮进口流态分布的均匀性，从而会产生影响舰船舒适性和可操纵性的径向力，荷兰埃因霍温理工大学的ESCH以及BULTEN等通过CFD技术对进水流道内的流动及其对叶轮内部流动和径向力的影响进行了数值分析，并开发了在试验台上测量径向力的专用仪器[9]；对于斜流式或者轴流式开式叶轮，叶轮轮缘(impeller tip)与壳体之间的间隙存在泄漏流动。由于斜流式和轴流式叶轮轮缘处的做功能力强，因此必须考虑此处的泄流流动对主流的影响。美国约翰·霍普金斯大学的WU Huixuan等在闭式回路试验台上应用二维PIV技术对这种泄漏流动的流动结构及泄漏涡的翻滚过程进行了展示[10]。在流场可视化处理中，WU Huixuan采用了不同精度的显示分辨率来分析轮缘泄漏旋涡图像，其所做的工作及图像信息后处理的方法在泵喷水推进器等水力机械内部流场的可视化研究领域是突破性的。此外，海外学者对船舶运动与喷水推进器之间的相互作用、自由液面对喷水推进器的进口流动以及泵喷水推进器的运行稳定性的相互作用也有初步的研究[11]。另外韩国国立釜山大学的学者对某喷水推进器的进水管、轮缘间隙等领域也做了系统的研究工作[12-13]，其中KIM Moon-Chan设计了一台可在浅水区行进的履带车，将所设计的泵喷水推进器作为该履带车的动力装置以研究泵喷水推进器的推进能力，得到了类似图2所示的泵喷水推进器性能曲线(输出功率—车速曲线)，其研究为泵喷水推进器的非管路试验台试验提供了一种有效的方法。

此外，转向和倒车是泵喷水推进器的重要工况，但目前还鲜有采用CFD技术对转向和倒车仿真所作的工作。

由于CFD技术可以对设计的结果进行仿真分析以比较不同水力设计的优劣，因此水力设计方法自身越来越无法得到应有的重视。这也许可以看作是现代CFD计算方法以及流场可视化飞速发展所带来的负面作用。

3.3 推力传递及分析

公式(1)是泵喷水推进器理想推力计算的方程式，而泵喷水推进器推力的实际计算所涉及的因素要复杂得多。不同结构的泵喷水推进器推力轴承的安装位置不同，因此其推力的传递路径也不尽相同。例如有的泵喷水推进器的推力轴承安装在导叶体轮毂内，动叶片上的流体作用力通过该推力轴承传递到导叶体后再作用到船体上。还有的泵喷水推进器的轮毂内没有推力轴承，动叶片上的流体作用力通过叶轮轴传递到舱内的推力轴承后再传递到船体上。在不同的推进工况下，各部分的推力分布也不一样。分析泵喷水推进器推力的方法主要有三种。

1)理论分析法，即根据动量定理和伯努利方程以及推进泵的水力性能对各种工况下喷水推进器的推力性能进行描述，系统中的各种能量损失采用经验参数来确定。这种采用经验系数的方法需要有大量试验数据的统计结果作为基础。

2)采用试验测量的手段来求取喷水推进器的推力。推力可通过直接测量得到，也可通过测量进水口和出水口处的速度场后再应用动量定理计算。

3)采用数值计算、即用计算流体力学(CFD)方法来求取。船舶或者两栖战车在工作过程中会有转弯以及加速等非平衡工况，在这些非平衡工况下的推力特性，目前相关的研究还很少。敖晨阳等对船舶喷水推进系统的动态性能进行了仿真分析，其所建立的泵喷水推进器各部分的模型可以为非平衡工况下的推力分析提供一种思路[14]。

4 换向与倒车装置

由于本身的结构特点，采用泵喷水推进器的船舶不能像螺旋桨那样靠主机的倒转来实现倒航，一般是设法使喷射水流反折来实现倒车，使喷射水流偏转来实现船舶转向。常见的舵及倒航组合操纵设备有外部导流倒放斗、外接转管倒放罩等。

传统的倒车水斗的倒车效率低。而且在正常航行中，倒车水斗会有附加阻力。现有的转向结构在转向时会有推力消失现象。这些都是现代泵喷水推进器所需要改进的内容。目前在航空领域新发展起来的射流推力矢量控制技术应该能够为泵喷水推进器的现代换向理论提供借鉴[15-16]。

5 结论

1)目前泵喷水推进器核心水力部件的设计方法都借助于泵的设计理论，因此泵喷水推进器的设计与分析都受到了泵理论的束缚。泵喷水推进器的工作原理及其环境因素与泵都不相同(比泵复杂得多)，应当根据泵喷水推进器自身的工作原理及其运行环境建立针对性的(水动力学)设计理论、分析方法以及试验设施等。

2)与一般用于输送液体类介质的叶片泵叶轮下游连接扩散的导流壳不同，泵喷水推进器叶轮的下游连接收缩的整流叶栅和喷嘴，下游过流部件的差别会影响叶轮内部的流态以及性能参数。因此根据叶片泵的水力设计方法得到的结果会与泵喷水推进器所要求的最优工况有差距；此外，受环境因素的影响，泵喷水推进器喷嘴下游的流态和流动结构与叶轮内部完全不同，因此应当采用不同的湍流模型，这也是现代CFD技术面临的挑战。

3)明确泵喷水推进器与船体系统的匹配关系是设计或者选用高效泵喷水推进器的前提；泵喷水推进器的工作动力是推力而不是扬程(虽然二者有直接的联系)，因此在绘制描述泵喷水推进器的特性曲线时，建议绘制推力曲线而不是扬程曲线；换向与倒车装置的灵活性还有很大的空间，推进系统设计尤其是其转向与倒车设计必须突破传统设计理论的束缚，目前在航空领域新发展起来的射流推力矢量控制技术能够为泵喷水推进器的现代换向理论提供借鉴。

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