喷水推进轴流泵主体设计及性能分析

马哲树，吴玉玮，赵 凯

(1.江苏科技大学能源与动力工程学院，江苏镇江212003)(2.南通中集罐式储运设备制造有限公司，江苏 南通226002)

喷水推进是一种特殊的船舶推进方式，它利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进.与传统的螺旋桨推进相比，喷水推进装置有许多优势，例如:推进效率高、抗空化性强、操纵性好、传动轴系简单、运行噪声低、变工况范围广和利于环保等优点.这些优点符合未来高性能船舶的发展方向，而喷水推进泵是喷水推进系统的核心部件，其水动力性能决定了喷水推进的技术水平［1－3］，所以在喷水推进的发展历程中，其实就是对于喷水推进泵的不断认识和优化.

喷泵的设计中，对于给定的设计参数，确定进水口处的直径大小、喷口直径大小、叶轮和导叶体的设计、叶轮与喷泵的布局是设计的前提，这些要求确定之后，便可以设计出来符合要求的喷水推进器.由于和传统的螺旋桨推进相比，喷水推进的结构更加紧凑、复杂，所以近年来对于喷泵的设计更多采用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)来进行喷水推进器的设计、分析和优化，CFD为水泵的水动力性能设计的合理性验证提供一个有效的途径［4］.文中在给定的设计参数下，对喷水推进泵的主体尺寸进行了数值计算，得到了符合设计要求的喷水推进轴流泵的主体尺寸，然后根据叶轮和导叶体的最优化设计，进一步完善了叶轮和导叶体的结构;最后运用CAD建立几何模型，导入CFD软件完成喷泵的性能分析，得到喷泵的流场、速度场和应力分布，更加直观地检验喷泵设计的合理性和可行性，为喷水推进装置的整体化设计提供一种较为可靠的设计支持.

1 计算方法和设计过程

1.1 喷水推进轴流泵流道设计

喷水推进泵的流道是叶轮和导叶体的设计基础，从水动力性能角度来看，流道形状决定了叶轮和导叶体的大致轮廓［2］;文中基于轴流喷泵的流道设计，从效率和性能方面完善叶轮和导叶体的设计.

某船舶外形船长23.5 m，型宽 6.0 m，吃水1.4m，排水量66 t，最大航速31 kn，装配有2 台 CAT公司的C18系列柴油机，最大输出功率847.0kW.由船体、柴油机与喷水推进泵三者的平衡关系［5］，得出喷水推进轴流泵的设计参数为流量Q=0.875 m3/s，扬程 H=25.15 m，转速 n=320 r/min，喷口直径D1=0.167m.对于轴流泵的设计来说，扬程是最重要的指标之一，所以首先要确定喷泵的扬程H.在选择喷水推进系统主要参数时，一般来说喷口面积是按巡航最有利的条件来选取，只有工作船才按兼顾自由航速和低速的要求来设计.只要喷口的面积A1一旦确定，则整个系统的流量、扬程H的参数也确定了［5］.扬程的关系表达式可以写成:

式中:V0为来流速度(m/s)，一般变化很小，所以用来表示;η为喷泵效率;β为动能损失系数;Q为喷泵流量(m3/s);h1，h2和h0(m)分别为进口管道段、出口管道段的损失及水流的提升高度;γ为水的重度，喷泵的输出功率为γQH;N为喷泵收到的功率，设主机功率为N主，则N=η1N主，η1为喷泵联轴节处的传送效率.

喷口形状最重要的影响是使喷口的有效面积发生变化.合理的喷口设计应当在直径过渡时采用双纽曲线:

式中:m为横坐标上最大值.流道后部的导叶体区域应当均匀收缩，以减少动能损失.图1为轴流泵的流道截面积A2随轴向坐标x的变化规律.

图1 流道面积变化曲线Fig.1 Curves of flow area change

导叶体出口面积应是进口截面积的0.6～0.8，8片导叶时［6］，取值应为0.65比较合适.图2为轴流泵轴面视图.

图2 轴流泵轴面Fig.2 Axial geometry of the water-jet axial-pump

1.2 轴流泵叶轮和导叶体设计

叶轮的直径D可按合适的轴面速度来确定，轴面速度和圆周速度有一定的关系，以保证最优的叶轮安放角度.按照下式的轴面速度，实践证明最为合适［7］.

式中:Dh为泵轮毂直径，ηv为泵的容积效率.轴流泵容积效率一般为0.96～0.99，故可取D=0.458m.轴流泵比转速经验公式:

式中:C为比转速，一般轴流泵可取C=1 000～1500，常取为1200;hmin为不发生空泡的最小扬程.由此经验公式可以看出:叶轮的转速NP越小，则hmin越低，越可以防治空泡的发生;NP越小，则扭角越大，相应的螺距比也越大.喷泵比传统的螺旋桨优势就在于它在较为封闭的圆筒内工作，可以更好地防止空泡的发生.可选择轮毂比为0.4，则可得轮毂直径Dh=0.1832m.

喷泵叶轮数目可根据比转速C来确定，一般叶片数为3～6，比转速越高，叶片负载越小的时候，叶片数可以少一些，文中选择4片叶轮.

叶轮和导叶体之间的间距是为了提高效率和减少空间占用，应当为叶轮叶片随边和导叶体叶片导边选择合适的轴向距离.叶轮和导叶体处于同一流场中，它们之间的布局对流场产生干涉，距离偏大或者偏小，使叶轮的出流和导叶体进流产生紊乱，从而使动能产生不必要的丧失，并且会更加容易产生涡旋，使空泡现象发生范围扩大，对于泵体的寿命产生不良影响.文中列举了叶轮和导叶体5种轴向间距情况下处于不同流量的效率η2对比(分别是20，25，30，35，40mm)，如图3.

图3 不同流量下不同间距对应的效率对比Fig.3 Efficiency comparison of different distances at different flows

由图4可以看出叶轮和导叶体间距x3为35mm时，喷泵的平均效率η3最高.当叶轮和导叶体的轴向间距达到叶轮直径的5% ～7%时，喷泵的效率最合适，可以使喷泵效率稳定在92%以上.

图4 不同叶轮和导叶体间距下的效率Fig.4 Efficiency of different distances between rotor and stator

图5 不同叶顶间距下的效率Fig.5 Efficiency at different tip clearances

采用同样的手段，来设计叶顶间隙.文中假设叶顶间隙 x4分别为 1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0 mm然后对7种情况下，处于不同流量时的平均效率η4进行对比(图5)，得出了合适的叶顶间隙.认为在叶顶间隙达到2.5～3.5 mm之间时，喷泵效率较为合适.

最后采用流体性能较好的NACA66翼型参数，在叶轮和导叶体强度能够满足设计要求的前提下进行增厚，叶轮和导叶体如图6.

图6 叶轮和导叶体Fig.6 Rotor and stator

2 轴流泵几何建模、前处理和CFD性能分析

2.1 几何建模

针对设计出来完整的喷泵主体参数，利用CAD软件建立喷泵模型(图7)，导入到CFD软件当中进行验证分析.

图7 喷泵模型Fig.7 Model of the water-jet pump

2.2 模型前处理

采用雷诺时均方法(RANS)求解轴流式喷水推进泵内的流场，流场控制方程为:

式中:f为体积力，p为作用在流体上的压力，ρ为海水的密度，μ为海水的分子粘性系数，μt为湍流动力粘性系数.

选择SST剪切应力输运模式来对湍流进行模拟，即在边界层边缘和自由剪切层采用k－ε模式，在近壁面采用k－ω模式中的低雷诺数公式，两者之间通过混合函数来过渡.该模式能够较好的模拟边界层的流动特性.

湍流动能方程和湍流耗散率方程如下:

公式(9)中的各个系数代表的意义在文献［8］中有具体介绍.

计算区域包括进水口、叶轮、轮毂、导叶体、喷水口.叶轮区域的流动较为复杂，是喷泵性能的重要反映，所以计算网格布置较为紧密.流动较为稳定的区域设置网格，在能够反映流动情况的前提下尽可能的稀疏一些，以便控制合理的网格数目.

采用四面体结构化对网格进行划分如图9，叶轮和导叶体分别采用J型和H型拓扑结构，为了真实的反映轴流泵内部流动，对各固体壁面进行了网格加密，叶片壁面的y+控制在80～100之间，在网格划分的时候，考虑到数值模拟精度和计算机的计算能力.最后网格总数控制在1.35×106左右.图8为喷泵在设计流量工况下扬程和网格数目的关系曲线.

图8 不同网格数目下的扬程Fig.8 Pump head of different mesh

图9 网格划分Fig.9 Mesh of water-jet axial-flow pump

壁面条件设定为:叶轮和轮毂设为相对静止壁面条件，其他设为绝对静止壁面.计算域采用流量进口和压力出口，如图10.

图10 边界条件设置Fig.10 Boundary condition of numerical simulation

2.3 CFD性能分析

对设计完成的喷泵进行不同流量、转速下的工作性能进行计算分析.由水力性能表1可知在设计的功率范围内，扬程、效率在不同的流量下，扬程达到设计要求.根据叶轮进口和喷水口两处在设计工况下的扬程，得出来的效率也能稳定在90%以上.

表1 设计喷泵的水力性能表Table 1 Hydraulic performance of water-jet pump

喷泵的三维流场如图11，清楚地显示了喷泵内的流场情况，进流口处的水流较为均匀，叶轮段的流场，导叶段的流向由旋转水流逐渐变为轴向流，说明导叶体的整流效果较好，可见喷泵整体对于管道中的水流做功效率及整流效果较为可观.

图11 喷泵的三维流场Fig.11 Three-dimension streamline in water-jet pump

由喷泵不同轴向处的速度截面(图12)可以得到喷泵对于水流速度的影响.喷口的速度截面图(轴向上分别距离轴流泵喷口为 L1，L2，L3，L4，L5，L6)能够很好的反应加速和整流效果，可以看出喷泵对于水流的加速效果影响较好.

图12 喷泵内速度截面(单位:m·s-1)Fig.12 Velocity section of water-jet pump(unit:m·s-1)

根据喷泵的工作过程中，叶轮和导叶体的应力分布情况(图13)，计算得到的叶片最大应力为56.93kPa，设计叶片为不锈钢材料，由材料的屈服强度、泊松比、弹性模量可以得出材料的许用应力可达68kPa，大于叶片所受的最大应力，这就说明叶轮强度符合设计要求.

图13 叶轮和导叶体应力分布(单位:kPa)Fig.13 Stress distribution of rotor and stator(unit:kPa)

由叶轮的应力可以看出叶片背部有明显的低压区域，也是最易发生空泡的区域.叶轮段的应力是从进口到出口段逐渐升高，叶片的导边到随边压力逐渐升高，这正是叶轮对水体做功造成的影响.并且可以看出叶轮的应力为均匀过渡，所以说喷泵的设计是合理的.

3 结论

文中运用CAD，CFD软件对于喷水推进轴流泵进行了较为全面的主体设计，方案行之有效.

1)根据喷水推进泵的系数设计方法先确定喷泵轴向截面的主要形状，在结合流量、扬程、效率的相关性进行叶轮、导叶体、管道进行最优化的精细设计，在设计过程中提高了设计精度和效率.

2)在管道主要尺寸确定之后，叶轮、导叶体及轮毂的设计对于喷泵整体的效率和水力性能有着很重要的相关性，其中轮毂比0.4，叶轮和导叶体间距为叶轮直径的5% ～7%，叶顶间隙达到2.5～3.5 mm之间时，对于喷泵整体的效率和性能最好.

3)在CFD分析中，采用雷诺时均方法(RANS)求解轴流式喷水推进泵内的流场，选择SST剪切应力输运模式来对湍流进行模拟，结果能够较好地反应喷泵内部的流动细节和工作下的各部件情况.对于进一步的优化和再设计提供了很好的可行性手段.

References)

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