高比转速轴流式和斜流式泵喷水推进器推进特性分析

倪永燕，潘中永

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003; 2.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

高比转速轴流式和斜流式泵喷水推进器推进特性分析

倪永燕1，潘中永2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003; 2.江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

对比比转速同为ns=769的两个轴流式叶轮和斜流式叶轮的水力性能和推进性能，分析其做为泵喷水推进器叶轮的适用性。分析结果表明，就所研究的两个叶轮而言，斜流式叶轮的高效区更宽，当做为泵喷水推进器叶轮使用时，轴流式叶轮的结构更紧凑、最大推力更大、最大推功比也更大。因此轴流式叶轮比斜流式叶轮更适合于用做泵喷水推进器的工作叶轮。

泵喷水推进器;轴流式;斜流式;高比转速;推力

与高性能船吃水浅、航速高的优势相对应，泵喷水推进器近年来越来越多地替代螺旋桨为表面效应船等各类高性能船舶提供推进动力。与泵喷水推进器相关的研究已经涉及到涡扰动等流动不稳定性以及泵喷水推进器与船体的相互干涉等领域［1-2］。不过，做为泵喷水推进器核心部件的叶轮是采用轴流式还是斜流式一直没有明确的结论。实际上即使是泵领域，斜流泵也只是在21世纪以来才逐步进入传统的轴流泵应用领域［3］。轴流式叶轮的缺点明显，就是高效区窄，在小流量区域有驼峰［4］。但是近年来的研究和应用发现，高比转速斜流式叶轮虽然高效区宽，但是小流量区域有驼峰的缺点并未改变，此外，最近有试验研究发现斜流泵在其设计点附近会出现小范围的流动不稳定现象［5］。文中以两个比转速相同的轴流式叶轮和斜流式叶轮为例，计算并分析比较其推力和推功比特性。

1 叶轮结构和性能参数

图1 两种叶轮外观对比

表1 轴流式叶轮和斜流式叶轮的额定点性能参数

所研究的轴流式叶轮和斜流式叶轮的外观对性能参数参见文献［6］。可以看出二者的比转速ns=769相等，斜流式叶轮属于高比转速叶轮，其超出了斜流泵叶轮的传统比转速范围ns=300～500。为了便于比较，将斜流式叶轮的参数相似换算到与轴流式叶轮的额定点性能参数相同。换算后的性能参数和结构参数见图2和图3。

图2中虚线是轴流式叶轮的水力性能，实线是换算后的斜流式叶轮的水力性能，两个叶轮在小流量区都有马鞍形不稳定段，图中没有绘出。斜流式叶轮的最高效率略低于轴流式叶轮，这与二者的流量和转速差别有关。在斜流式叶轮性能参数的换算中没有换算效率，不过由于是向大流量、高转速方向换算，换算后的斜流式叶轮效率会大于83.5%，也就是说，与轴流式叶轮的效率差别会更小甚至有可能超过轴流式叶轮的效率。

图2 水力性能对比

图3 叶轮结构对比示意

由图2可以看出，相比于轴流式叶轮，斜流式叶轮的优点是高效区宽，特别是在大流量区域，例如在1.2Q点，斜流式叶轮效率比轴流式叶轮效率高12个百分点。

但斜流式叶轮结构弱点很明显。由图3可见，斜流式叶轮的出口轮缘直径为309 mm，其下游导叶的最大外径为430 mm，而相应的轴流式叶轮及下游导叶的最大外径都是300 mm。

因此，从结构上而言，轴流式叶轮比斜流式叶轮在高性能船用泵喷水推进器中的应用更有优势。

2 泵喷水推进器推进机理

对于图4所示的泵喷水推进器，建立图中虚线环绕的控制体CV，对于该控制体中的流体，其受力在水平方向上有叶轮对其推力Ti以及控制体边界上对其施加的力控制体中流体的动量变化为，因此有

图4 泵喷水推进器推进机理示意

式中:ρ——密度;

u——单位控制体速度矢量;

u——u在水平方向的分量;

dV——单位控制体体积;

dA——控制体边界的单位元面积;

n——控制体边界的外法线方向。

对于不可压缩流体，式(1)左侧第一项为0，右侧就是泵喷水推进器作用在控制体上的力，那么流体(控制体)作用在流体上的力就是泵喷水推进器的推力T，即

式中:Q——流量;

cj——喷嘴内的射流速度;

cm——叶轮前的来流速度，a=cj/cm为射流比。

从式(2)可见，推力T随流量Q发生变化。泵喷水推进器在运行中，由喷嘴限制其工作流量进而得到需求的推力。喷嘴的作用就是做为一个系统部件使系统阻力Hs与泵喷水推进器叶轮提供的动力H相平衡，即

式中:K1的最优值为K1=(a－1)2［7］。

因此式(3)可以改写为

由此得到

因此，泵喷水推进器在实际运行中，喷嘴直径与叶轮的水力特性曲线共同确定了泵喷水推进器的工作流量，也就是其推力。

3 推力特性

根据式(2)、(5)，以及图2计算得到轴流式叶轮和斜流式叶轮的推力特性曲线以及推功比特性曲线，见图5。

图5 轴流式叶轮和斜流式叶轮的推进特性

图中横坐标是喷嘴的出口直径，轴流式叶轮工作时的最大推力出现在Dj=192 mm(a=2.4)附近，斜流式叶轮工作时的最大推力出现在Dj= 196 mm(a=2.3)附近，二者都略低于最优效率点的流量。轴流式叶轮工作时的最大推力更大，斜流式叶轮工作时大推力区更宽，此结论似乎与先前的研究有冲突［8］。实际上二者并不矛盾，文献［8］所改进的斜流式叶轮主要是提高了其扬程从而使比转速降低，其与原始叶轮的比转速并不相同。因此，对于确定流量点和确定比转速工作的泵喷水推进器而言，只要设计和选型合理，选用轴流式叶轮能得到更高的推力。另外，对于所研究的轴流式叶轮，在Dj=174 mm(a=3.0)附近出现推力突升现象，目前尚不了解其原因。

同样，轴流式叶轮的最大推功比大于斜流式叶轮值，轴流式叶轮的最大推功比出现在喷嘴直径Dj=215 mm(a=1.94)附近，斜流式叶轮的最大推功比出现在喷嘴直径Dj=212 mm(a=2.01)附近，二者都略高于叶轮的最高效率点流量。即轴流式和斜流式叶轮的最优效率点在最大推力流量点和最大推功比流量点之间。因此，为了既有效应用电机功率，又能得到尽可能大的推力，通常设计泵喷水推进器在接近但又略低于最优效率点流量的工况下运行。此外，在最大推力点附近，斜流式叶轮的推功比特性出现异常变化的原因还需进一步分析。

4 结论

1)比转速同为ns=769的轴流式叶轮高效区窄，斜流式叶轮高效区宽，在1.2倍最优效率点流量工况处，斜流式叶轮的效率比轴流式叶轮效率高12个百分点。

2)以往的研究大多认为斜流式泵喷水推进器的推力更高，这是因为通常在相同流量下，斜流式叶轮的比转速要小，也就是扬程更高引起的。根据文中的研究，对于比转速相同的叶轮，不论是结构还是推力和推功比特性，轴流式叶轮都比斜流式叶轮更适合用于泵喷水推进器。

3)对于文中所研究的叶轮，轴流式叶轮在小流量区域出现推力突增现象，斜流式叶轮在最大推力点附近出现不平稳变化，这些变动是个体现象还是总体特征以及出现这类变化的原因还不清楚，尚需进一步研究。

4)根据文中的研究结果，当泵喷水推进器需要设计ns＞500的高比转速叶轮时，建议优先采用轴流式叶轮。

［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，袁寿其，等.斜流泵研究进展［J］.流体机械，2009，37(9):37-40.

［4］关醒凡.轴流泵和斜流泵:水力模型设计试验及工程应用［M］.北京:中国宇航出版社，2009.

［5］张大庆.高比转速蜗壳混流泵内流数值模拟与试验研究［D］.镇江:江苏大学，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.船舶喷水推进［M］.北京:国防工业出版社，1986.

［8］倪永燕，吴涛涛.泵喷水推进器分析与设计改进［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

国家自然科学基金(青年基金)(51209108)

倪永燕(1975-)，女，博士，讲师

研究方向:流体力学、船舶(仿生)推进及深海结构物涡激振动

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