贯流式螺旋喷水推进泵的设计

韩 伟,陈 龙

(兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050)

贯流式螺旋喷水推进泵的设计

韩 伟,陈 龙

(兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州 730050)

在喷水推进动力学的基础上,对单人贯流式螺旋喷水推进装置进行了流体动力学分析,得出了推进器在水下所受外流场阻力、推力、功率和推进速度的关系。根据其内在联系,确定了推进泵的泵型和工作参数,并依据数据泵的工作参数对推进泵进行了设计和优化。通过泵内流场的数值计算,预测了泵的推力与推进速度之间的关系。结果表明该推进泵可以很好地吻合推进装置的推进特性,为该类型推进装置的设计和优化提供了参考依据。

贯流式螺旋喷水推进泵;三维建模;推力

随着我国对海洋开发的日益重视,水下单人推进装置不仅有很强的民用需求,而且有很高的军用价值。但是目前世界上大部分水下单人运载器都是袖珍潜艇式或手持螺旋桨推进式,此类运载器的缺点是操纵不够灵活、转向装置功能差、螺旋桨易被水草等缠绕、水下短兵相接时易被破坏掉、体积和噪声相对大、易被发现、对隐蔽潜入等活动限制较大[1],因此开发一种可以有效克服以上缺陷的背负式水下单人推进装置具有很强的现实意义[2]。而喷水推进泵是推进装置的核心部件,决定了推进器的性能。我们采用贯流式螺旋喷水推进泵作为背负式水下单人推进装置的核心部件,研究其设计方法。

1 推进泵设计思路和方案

根据单人水下推进的速度、水密度、泵进出口压力条件、水深、人体密度、人体积进行几何建模和流体动力学模拟,计算推进阻力和功率,然后计算推进泵的功率、出口流速和流量、出口面积等,具体方案如图1所示。

图1 推进泵设计方案Fig.1 Design diagram of the propulsion pump

喷水推进的基本原理是通过向与推进器运动相反的方向喷射加速后的水流,使船体受到水流的反作用力而产生推力,推力的大小等于流经推进器流道的流体在单位时间内的动量变化率,即

其中:T为喷水推进器产生的推力(N);ρ为海水的密度(kg/m3);q为流经流道水流的流量(m3/s);vj为喷水的流速(m/s);vs为推进器的航速(m/s);R为推进器的行进阻力;其中CR为阻力系数;Ω为推进器的浸湿表面积,Ω＝πDL,其中D为推进器的直径,L为推进器的长度。当T≥R时,推进器在推力作用下前进[3,5]。

因为人背着推进器在水下与一般的水面上的船舶喷水推进器阻力的计算公式、系数有些不同,故研究采取CFD模拟方式进行阻力计算。首先对人体背着推进器进行浮力计算,取特种兵普遍标准身高1 750 mm,体重70 kg,推进器全重15 kg,其计算公式为

其中:ρ1为海水密度,ρ1＝1.025×103kg/m3;ρ2为人体密度,ρ2＝1.048 7×103kg/m3;V1为推进器的浸没体积;V2为人体浸没体积。

经计算浮力＞重力,满足沉浮条件。

2 推进装置推进特性的数值预测

喷水推进器外流场的流动为复杂的粘性不可压湍流流动,求解推进器外部的流动可采用目前工程上应用最为广泛的雷诺时均方法进行数值计算,即把湍流运动看作由两个流动叠加而成,一是时间平均流动,二是瞬时脉动流动。求解的控制方程为

其中:fi为体积力;P为作用在流体上的压力;ρ为水密度;μ为水的分子粘性系数;μt为湍流动力粘性系数[6]。可用不同的湍流模式封闭式(7)和式(8),如k-ε模型、SST模型等。初选取的基准控制体(水体域)的尺寸是:进水口宽、高为35倍头部平均直径(即35D,D为头部平均直径),控制体长度为19倍人体身高(即19L,L为人体身高),人脚末端取10L,头前端取8L。

整个计算区域分为两部分进行网格划分:水体域、人体。整个流场控制体共有1 750万个网格单元。由于人体形状很不规则,因而在生成网格的过程中,面网格采用了三角形网格,体网格采用四面体/六面体混合型网格单元。在划分网格时使用了局部加密的方法,对于人体表面进行加密,以便捕捉到重要的流场信息;对进水口等流动变化剧烈区域进行网格加密,便于控制总网格数。这样,在网格模型总节点数一定的情况下可以提高计算精度。对三维实体划分网格时,遵循的是先划线、再划面、最后划体的顺序,因此只需控制需加密区域的边上的节点疏密程度即可。

采用非结构化网格虽然网格数巨大但收敛曲线几乎无波动可轻易收敛。选择k-ε两方程湍流模式标准方程,进口设为速度进口边界条件,出口设为自由出流条件,求解采用全隐式耦合算法,收敛精度为1×10－4。背负推进器的人体水下压力分布云图如图2所示。其计算公式为

图2 背负推进器的人体水下压力分布云图Fig.2 Human water pressure distribution cloud chart of bearing propeller

其中:L为关联尺寸,对于充分发展的湍流,可取L等于水力直径。

3 推进泵的泵型选择与设计

3.1 喷水推进泵的泵型选择

喷水推进泵是喷水推进装置的核心部件,须根据人体尺寸、阻力大小、工作场所等来选择或设计。喷水推进泵要效率高、抗汽蚀性能好、流量系数和扬程系数大,小型化,因此设计难度较大[7-10]。考虑到推进器工作场所在近海,近海中,海带等漂浮物以及杂质较多,易使泵发生堵塞。综合考虑,选用贯流式螺旋喷水推进泵。贯流式螺旋喷水推进泵是将螺旋泵与混流泵融合为一体的一种新型泵,它的叶轮的前半部分为螺旋叶片,后半部分类似混流叶片。由于其独特的结构,贯流式螺旋混流泵融合了螺旋泵和混流泵的双重特点,具有无堵塞性、无损性等优点[11]。

3.2 喷水推进泵设计参数

喷水推进的基本理论描述了原动机、喷水推进器和船体三者之间的平衡关系。根据人体尺寸和推进器推进特性的数值预测,确定推进泵的工作参数为:流量Q＝0.015 7 m3/s,扬程H＝4.06 m,转速n＝1 500 r/min,喷口直径Dj＝0.1 m,比转速ns＝240,航速、进口速度vs＝2 m/s。

3.3 叶轮的设计

推进器叶轮的水力设计参考螺旋离心泵、诱导轮及混流泵的设计方法,采用保角变换法进行叶片绘型。轴面投影图、木模截线和叶轮三维造型图见图3～图5。叶轮主要参数如表1所列。

表1 叶轮的主要参数Table 1 The mainparameters of the impeller

图3 叶轮的轴面投影Fig.3 Axial projection of the impeller

图4 叶轮木模截线Fig.4 Transversal chart of wood pattern of the impeller

图5 叶轮三维造型Fig.5 Three-dimensional model chart of the impeller

3.4 空间导叶的设计

空间导叶又叫导流壳,起到整个压水室的作用[12],其主要特点是轴向长、径向短,多用于各种井泵、潜水泵、液下泵和斜流泵(导流式混流泵)等。研究也在贯流式螺旋喷水推进泵中应用到了空间导叶。空间导叶跟其他导叶类似,尤其是和流道式导叶更相似。根据喷水推进器轴向入流和轴向出流的内部流动特点,贯流式螺旋喷水推进泵中采用流道式空间导叶。叶片绘型采用扭曲三角形方法,导叶外流线出口边向出口方向倾斜,可有限减小泵的压力脉动,导叶的轴面投影、叶片木模截线图以及导叶三维造型图分别见图6～图8。

4 推进泵数值模拟和外特性预测

4.1 全流道三维几何建模、网格划分和流场计算

根据该喷水推进泵模型的几何参数、水力设计所得的泵叶轮和导叶水利设计图,在软件Pro/Engineer平台进行该泵的几何建模,将泵划分为进口、叶轮、导叶体和喷口四部分。叶轮叶片数为2,导叶体叶片数为3。由于既有旋转流场,又有非旋转流场,所以把整个计算域主要分为叶轮区和导叶区两个区域,两个计算域之间的藕合采用平面混合方法。鉴于叶轮叶片表面和导叶叶片表面为不规则的空间曲面结构,研究采用非结构网格,在计算体体内采用四面体网格,壁面上采用三角形网格,计算域整体装配如图9所示。

图6 导叶的轴面投影Fig.6 Axis plane projection of guide vane

图7 叶片木模截线Fig.7 Transversal chart of blade wood pattern

图8 导叶三维造型图Fig.8 Three-dimensional model chart of guide vane

图9 计算域整体装配Fig.9 Overall assembly drawing of calculation area

整个喷水推进泵模拟计算体的网格分布为:

进口段:网格数382 807;叶轮区:网格数3 351 937;导叶区:网格数2 596 173;出口段:网格数1 534 896。

数值计算采用商业软件ANSYS fluent,该软件采用基于有限元的有限体积法。湍流模型采用RNGk-ε模型,近壁区采用scalable壁面函数,算法采用更为精准的SIMPLEC算法,流场区域采用稳态多参考系方法进行计算。叶轮内的流场采用旋转坐标系计算,导叶体和进水流道流场采用固定坐标系进行计算。计算过程中采用全隐式多网格耦合求解技术,避免传统算法需要“假设压力项—求解—修正压力项”的反复迭代过程,而同时求解动量方程和连续方程。计算时对扬程H和出口压力变化进行动态监控,确保解的良好收敛。边界条件选用速度进口和压力出口,在固壁处采用无滑移边界条件,设定各个速度分量及k,ε的收敛精度为10－5。

4.2 推进功率-泵流量、推进力-流量外特性预测

推进泵功率、推力-流量特性曲线如图10所示。在小流量工况下推力随着流量的增大而缓慢增加,因为在小流量工况下推进泵所受阻力很小而且出口速度也很小,因此根据动量定理可得知泵所提供的推力很小。在大流量工况下,推力随着流量的增加而迅速增大,因为大流量工况下经过数值计算可知进出口速度差增大导致泵提供的推力增大。在小流量工况下功率随着流量的缓慢增加而逐步减小,而在大流量工况下功率随着流量的增加而迅速减小,因为在转速一定的条件下功率随着扭矩的变化而变化,在大流量工况下该型泵的扭矩下降明显。符合该型泵性能曲线变化的一般规律。

图10 推进泵功率、推力-流量特性曲线Fig.10 Curve of propulsion pump power and thrust-flow characteristics

4.3 推进力与推进阻力的校核

经过CFD数值计算,推进力-推进阻力特性曲线如图11所示,每个流量工况点的推力值大于其阻力值,证明该推进泵能够推动整体前行,满足设计要求。

图11 推进力-推进阻力特性曲线Fig.11 Curve of propulsion-propulsion resistance characteristic

5 结论

(1)采用速度系数设计法和参照人体实际尺寸相结合的方法确定贯流式螺旋混流泵轴面主要形状尺寸,再运用必要的辅助参数,综合确定出最终轴面投影图。该方法灵活易调整、设计效果好。

(2)采用CFD方法计算,从计算结果的后处理软件中,能直观地观察到各种参数的分布,还能够自定义监控参数,避免了模型试验后的大量数据的处理。

(3)在此原型机基础上可以通过三维矢量控制方法使其优化升级,进一步提高其运动性能,更好地适用于实战。

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The Design of Tubular Water-jet Axial Flow Pump

Han Wei,Chen Long
(College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)

Based on the water jet propulsion dynamics,this paper makes fluid dynamic analysis of the single tubular screw water jet propulsion unit,and gets the relationship of external flow field resistance,thrust, power and advance speed of thruster under the water.And then,according to the intrinsic relationship to determine the pump type and working parameters,and make designing and optimization on the basis of the parameters.It predicts the relationship between the thrust and advance speed of pump through the value calculation of pump internal flow field,showing that the pump can well cooperate with the advance characteristics of the propulsion plant,which can provide reference of the design and optimization of this kind of propulsion plant.

Tubular water-jet axial flow pump;Three-dimensional modeling;Thrust

TH31

:A

:1004-0366(2016)05-0046-05

2015-05-06;

:2015-06-25.

国家自然科学基金青年基金项目(51209113).

韩伟(1977-),男,安徽砀山人,博士,副教授,研究方向为流体机械及工程多相流.E-mail:hanwei＠lut.cn.

Han Wei,Chen Long.The Design of Tubular Water-jet Axial Flow Pump[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(5):46-50.[韩伟,陈龙.贯流式螺旋喷水推进泵的设计[J].甘肃科学学报,2016,28(5):46-50.]

10.16468/j.cnkii.ssn1004-0366.2016.05.012.