多参数优化设计对喷水推进组合体水力性能的影响

张岩，王路逸，钟锦情，龙云*

(1.中国船舶工业集团公司第七〇八研究所喷水推进技术重点实验室，上海 200011；2．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；3．江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心，江苏 镇江 212013)

随着高性能船舶的发展，喷水推进技术的应用越来越广泛[1-3].喷水推进泵利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进，喷水推进装置主要包括2种形式，分别为内置式和外悬式.内置式喷水推进装置安装在船体内部，主要应用于高速船舶，其效率大大超过螺旋桨.外悬式喷水推进装置外形类似导管桨，安装在具有隧道尾部线形的工程船舶上，具有吃水浅、推力大的特点.

喷水推进泵的泵壳悬挂于船尾，为具有回转体外形的对称筒状体，其纵剖面为机翼型.它的作用在于分割流场，增加推力，并为动叶轮提供良好的工作环境.轴支架具有梳整来流的作用，文中将原先轴支架的支撑板横剖面设计为机翼翼型，从而优化传统轴支架的形式，其目的是通过改善叶轮入口来流，提高推进泵效率.动叶轮是整个装置进行能量转换的主要部件，它将机械能转化成水流动能.导叶体可梳整动叶轮后的尾流，使叶轮的周向诱导速度用于推进.导叶体后面是喷口，合适的喷口直径能够使主机和泵得以良好匹配并在各种航态下充分发挥主机功率[4].喷水推进组合体是否具有高推进效率，一方面与组合体的水动力部件有关，泵本身要有高的效率，这与动叶轮有关，另一方面考虑到安装组合体的船舶工作环境为低速、重载，需对推进泵的主要参数进行优化，以确定合理的工况.

一般情况下，喷水推进泵的设计主要通过优化叶轮和导叶来保证高速运行的高效率.目前已有国内外学者对喷水推进泵开展大量研究.龙云[5]基于正设计和反设计方法对喷水推进泵水力部件的多参数自动耦合进行优化，并针对喷水推进泵开展了大量的空化流态机理试验研究.郝宗睿等[6]基于改进粒子群算法对推进泵叶片进行了优化设计.蔡佑林等[7]提出了一种用于喷水推进收缩流泵导叶水力设计的三元可控速度矩方法，并验证了其优化效果.常书平等[8]通过改变导边与随边位置研究了其对喷水推进泵性能的影响.张天行等[9]采用正交试验法分析了转子叶片数、定子叶片数及定子安装角度对喷水推进器性能的影响.KIM等[10]应用数值模拟的方法研究了采用不同叶轮直径的喷水推进泵水力性能.此外，也有针对喷水推进泵进口流道参数的研究[11-13]，以及在非均匀进流条件下喷水推进泵进流速度场的数值分析[14].综上所述，目前的主要研究集中在推进泵叶轮的优化上，而针对喷水推进组合体几何参数优化对整体装置性能影响的研究较少.

文中通过调整轴支架的叶片数、轴支架叶片的出口安放角度、轴支架与叶轮之间的距离、叶顶间隙等参数对喷水推进组合体水力性能进行优化，应用数值模拟方法对某型喷水推进组合体进行全流场数值计算，分析不同工况下轴支架几何参数对喷水推进泵水力性能的影响.

1 喷水推进泵模型与优化方案

1.1 泵设计参数与水力部件

喷水推进泵水力设计性能参数分别为额定流量Qd=14.00 m3/s，扬程H=9.73 m，转速n=361 r/min，比转数ns=895.工作介质为水，25 ℃.

文中所研究的喷水推进组合体属于外悬式喷水推进装置，其结构如图1所示，主要由喷水推进泵和组合舵组成.

图1 喷水推进组合体

泵水力部件主要包括叶轮、轴支架、导叶体、泵壳体、吸入口、出口等，其中叶轮外径为1 455 mm，叶片数为4，导叶体叶片数为5.轴支架本身无翼型，根据实际工况，重新设计了翼型形式.

1.2 优化方案

选取轴支架叶片数Z、轴支架叶片出口安放角α、轴支架与叶轮间距S、叶顶间隙s作为变量进行方案设计，以研究各几何参数对喷水推进泵水力性能的影响.

1.2.1 轴支架叶片数

原型轴支架叶片数Z=4，为确定轴支架合适的叶片数量，在此基础之上变化为3，5，7，9，见图2.

图2 不同叶片数的轴支架

1.2.2 轴支架出口安放角

轴支架与叶轮匹配，使来流角度与叶轮安放角度形成最佳稳定入口流场.为确定适合本方案叶轮的轴支架，以原型出口安放角0°为基础，分析不同轴支架出口安放角对泵性能和流场的影响，在出口安放角α从[-25°，25°]内，每5°选取一个方案，包括原型共11个方案，构建轴支架几何模型如图3所示.

图3 不同出口安放角轴支架几何模型

1.2.3 轴支架与叶轮间距

轴支架与叶轮间距一定程度上决定喷水推进组合体的结构布局，为了使推进泵在结构紧凑的同时具有较高的推进效率，以原型时轴支架与叶轮间距S为基础点，将S各增大和减小100 mm及200 mm，共5个方案.轴支架与叶轮间距几何模型如图4所示.

图4 轴支架与叶轮间距模型

1.2.4 叶顶间隙

叶顶间隙的存在不仅会降低叶轮的做功效率，同时还可能诱发叶顶间隙涡空化，对泵性能有重要影响.以原型为基础点，分别选取叶顶间隙s分别为1.50，2.00，2.50，3.00，3.25，4.00，5.00 mm，如图5所示.

图5 叶顶间隙模型

1.3 网格划分

采用ANSYS-CFX 19.0前处理软件Turbogrid和ICEM对叶轮、轴支架、导叶体、出口、吸入口等计算域进行结构网格划分.在正式计算之前，对网格进行无关性检验，当总网格数大于1 000万，扬程变化小于0.5%，基于此最终确定的计算网格总数为10 368 858，计算域整体网格如图6所示.

图6 网格划分

1.4 数值计算方法

应用商用计算流体动力学软件ANSYS-CFX 19.0对喷水推进泵内部流场进行定常计算[15].计算介质为25 ℃清水，其密度为997 kg/m3，动力黏度为8.899×10-4kg/(m·s).采用SSTk-ω湍流模型，进口边界条件采用压力进口，出口边界条件采用质量出流，壁面边界条件采用无滑移壁面.叶轮计算域设置为转动，转速为361 r/min，叶片和轮毂设置为转动，轮缘壁面速度设为“Counter Rotating Wall”，导叶、进口段和出口段设置为静止，转动部件和静止部件交界面设置为“Frozen Rotor Interface”.对流项格式选取“High Resolution”，采用预设迭代步数为3 000.

1.5 流场分析

为了充分展示不同几何参数下的泵内流场，选取叶轮区域6个不同截面，如图7所示，其具体坐标分别为IM1=5.955，IM2=6.112，IM3=6.269，IM4=6.426，IM5=6.583，IM6=6.740.在进行流场分析时重点关注不同截面的压力及速度分布云图.

图7 装置内部截面示意图

2 结果分析

2.1 轴支架叶片数对泵水力性能的影响

对原模型泵，在流量0.647Qd到1.121Qd内，共选取14个工况点，计算得到泵的扬程、效率及功率曲线如图8所示.

图8 原型泵性能曲线

由图8可以看出：随着流量的增大，扬程逐渐下降，流量在0.647Qd时扬程为13.71 m，当流量增大至1.121Qd时扬程为5.74 m；随着流量的增大，功率逐渐下降，流量在0.647Qd时功率为1 824.84 kW，当流量增大至1.121Qd时功率为1 124.81 kW；随着流量的增大，效率呈先增大后减小趋势，最大值在设计工况点.

在额定工况下，通过数值计算得到不同轴支架叶片数下泵的性能数据，进而绘制泵的性能曲线，如图9所示.

图9 不同轴支架叶片数时泵的性能变化曲线

由图9可以看出：随着叶片数的增大，效率呈下降趋势，当叶片数为4时，稍低于整体趋势线；随着叶片数的增大，扬程曲线整体呈下降趋势，当叶片数为4时，下降幅度较大，比叶片数为5时还要低；随着叶片数的增大，功率曲线整体仍呈下降趋势，但当叶片数为4时，功率是所有方案中最小的，为1 401.51 kW，而叶片数为9时的功率为1 402.57 kW.

综上所述，随着叶片数的增大，扬程、效率和功率曲线整体都呈下降趋势，但当叶片数从3增大至4时，下降幅度都比整体趋势线要低.

2.2 轴支架叶片数对内部流动的影响

为了充分展示不同轴支架叶片数下的泵内流场，选取轴支架中间截面的压力云图进行分析，如图10所示.可以看出：随着叶片数的增大，轴支架中间截面的最高压力呈下降趋势；当叶片数为3，5，7，9时，轴支架中截面各流道内部的压力分布明显不对称，而相对地，轴支架叶片数为4的压力场是对称分布的.这主要是由于文中所选取的叶轮叶片数也为4，因此在运行过程中，具有相同叶片数的轴支架与叶轮会使得内部具有对称分布的流动，同时造成较为强烈的动静干涉，影响整体装置的水力性能，这也是当轴支架叶片数为4时泵的水力性能发生陡降的主要原因.这表明叶轮和轴支架叶片数的匹配，以及叶轮和轴支架之间的动静干涉对泵的水力设计至关重要.

图10 不同方案下轴支架中间截面压力分布

2.3 轴支架叶片出口安放角对水力性能的影响

在额定工况下，通过数值计算得到不同轴支架叶片出口安放角原型泵的性能数据，并绘制性能曲线如图11所示.

图11 不同轴支架叶片出口安放角时原型泵的性能曲线

由图11可以看出，随叶片出口安放角增大，扬程曲线与功率曲线呈线性上升趋势，而效率的变化规律则出现了较为快速的增长，但随着安放角的继续增大，效率的变化趋势趋于平缓.

考虑到当轴支架叶片数为4时的特殊情况，有必要研究轴支架叶片出口安放角对推进泵水力性能的影响规律是否在其他轴支架叶片数时也适用，因此对轴支架叶片数为3和5的情况进行了不同叶片出口安放角的数值计算，并汇总不同轴支架叶片数下不同叶片出口安放角的泵扬程、效率及功率等数据，绘制性能曲线，如图12所示.

由图12a可以看出：不同叶片数时，扬程均随着叶片出口安放角的增大而上升；当叶片数为3时，随着出口安放角的增大，扬程的变化为2.69 m，而叶片数为4和5时，该值分别为3.57 m和4.13 m.由此可见，随着叶片数的增大，出口安放角对泵扬程的影响逐渐加剧.

图12 不同轴支架叶片出口安放角时泵的性能曲线

由图12b可以看出：不同叶片数时，效率均随着叶片出口安放角的增大而上升；当出口安放角为10°之后，不同叶片数的效率相近；当叶片数为3时，随着出口安放角的增大，效率的变化为0.038，而叶片数为4和5时，该值分别为0.054和0.063.由此可见，随着叶片数的增大，出口安放角对泵效率的影响逐渐加剧.

由图12c可以看出：不同叶片数时，功率均随着叶片出口安放角的增大而上升；当叶片数为3时，随着出口安放角的增大，功率的变化为378.5 kW，而在叶片数为4和5时，该值分别为501.62 kW和579.73 kW.由此可见，随着叶片数的增大，出口安放角对泵功率的影响逐渐加剧.

2.4 轴支架叶片出口安放角对泵内部流动的影响

将轴支架和叶轮内的复杂流动简化为圆柱面Span=0.9上的流动，图13为不同轴支架叶片出口安放角时轴支架与叶轮内压力分布.

图13 不同方案下轴支架与叶轮内压力分布

由图13可以看出：轴支架的出口安放角在相对于原型减小或增大一定角度时会在叶片弯曲方向靠出口端处压力增大，在叶片弯曲方向背面靠出口端处压力下降，弯曲处两面压力差增大，增大程度与出口安放角与原型的增减角度大小正相关；随着出口安放角的增大，叶轮叶片工作面的压力逐渐增大，叶轮叶片后的压力也逐渐增加，吸力面的压力逐渐下降，从而提高叶轮的做功水平.

图14为不同轴支架叶片出口安放角时轴支架和叶轮内的速度分布，可以看出：轴支架的出口安放角在相对于原型减小或增大一定角度时会在叶片弯曲方向靠出口端处产生一个低速区域，在叶片弯曲方向背面靠出口端处产生一个高速区域，弯曲处两面速度差增大，高低速区域的面积及增加程度和出口安放角与原型的增减角度大小正相关；随着出口安放角的增大，叶轮叶片两侧的速度梯度有所增加，尤其是在叶轮叶片前缘处，低速区域逐渐从叶片吸力面靠近工作面，这表明轴支架的出口安放角的增大，显著优化了叶轮叶片入流冲角，降低了叶轮叶片前缘二次流损失，提高了叶轮做功效率；受叶轮将机械能转换为压力能影响，在流体流经叶轮后，速度差异逐渐减小.

图14 不同方案下轴支架与叶轮内速度分布

综上所述，轴支架出口安放角相较原型直翼型的增大或减小改变了轴支架出口处的压力和速度分布，使液流产生了正向或反向的预旋，在减小轴支架出口安放角时，正向预旋的产生使得攻角减小，叶轮做功能力下降，扬程减小；在增大导叶出口安放角时，反向预旋的产生使得攻角增大，叶轮做功能力增强，扬程增大.轴支架出口安放角影响进入叶轮时的压力和速度分布，但在叶轮的作用下，更多的转变为流体压能的变化，即压力变化，而流体动能的变化即速度变化较小.

2.5 轴支架与叶轮间距对外特性的影响

通过数值计算得到不同轴支架与叶轮间距下泵的性能数据，绘制性能曲线如图15所示.可以看出：随着间距增大，扬程曲线逐渐上升后趋于平缓；效率曲线先上升后下降，最大值在原基础点；功率曲线先下降再上升后趋于平缓；轴支架与叶轮之间的距离对泵性能的影响，不管是在扬程、效率还是功率上都十分微小，在优化方案中，扬程极差为0.025 m，效率极差为0.04%，功率极差为5.75 kW.

图15 不同轴支架与叶轮之间距离下泵性能曲线

2.6 叶顶间隙对外特性的影响

叶顶间隙的存在不仅会降低叶轮的做功效率，还可能诱发叶顶间隙涡空化，对推进泵的性能有重要影响.通过数值计算得到不同叶顶间隙下推进泵的性能数据，并绘制泵性能曲线如图16所示.可以看出，随叶顶间隙的增大，扬程、效率和功率曲线都呈一致的下降趋势.

图16 不同叶顶间隙时泵性能曲线

3 结 论

为研究多参数对喷水推进组合体水力性能的影响，通过对具有不同轴支架叶片数、轴支架叶片出口安放角、轴支架与叶轮之间距离以及不同叶顶间隙的喷水推进组合体进行数值计算，分析了各参数对喷水推进组合体水力性能的影响，得出如下结论：

1)随着轴支架叶片数的增大，扬程、效率、功率曲线逐渐降低，其中当轴支架叶片数与叶轮相等时，扬程与功率曲线出现骤降.

2)具有相同叶片数的轴支架与叶轮会使得轴支架流道内部呈现对称分布，造成较为强烈的动静干涉，影响整体装置的水力性能与稳定性.

3)当轴支架叶片出口安放角为[-25°, 25°]时，随出口安放角的增大，扬程曲线与功率曲线呈线性上升的趋势.

4)随轴支架与叶轮间距的增大，扬程曲线逐渐上升后趋于平缓，功率变化规律和扬程变化规律一致，效率曲线先上升后下降，最大值在原基础点.在轴支架与叶轮之间存在一定距离时，两者的距离变化对叶轮的流场分布影响甚微.

5)随叶顶间隙的增大，叶轮做功效率下降，扬程、效率及功率曲线都呈下降趋势.