导叶对无轴泵喷推进性能及叶片空化效应的影响

摘 要：【目的】由于无轴泵喷推进器在高转速下叶片会产生空化效应，为减少空化效应，需要对导流叶的安装方式及旋向进行研究。【方法】通过CFD软件对不同导流叶安装方案进行数值计算，获得无轴泵喷推进器整体的推力与叶片空化情况，找到合适的安装结构。【结果】在无导流叶的方案中，其推进性能更好，但叶片上的空化面积也是最大的；在有导流叶的方案中，后置与旋转叶片旋向相同的导流叶方案推进效果最好，相对无导流叶方案空化面积减小14.7%。【结论】研究结果可为导流叶的安装方式及减小空化效应提供参考。

关键词：无轴泵喷；导流叶；推力系数；空化效应

中图分类号：TH122" " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）14-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.14.011

The Impact of Guide Vanes on the Propulsion Performance and Blade Cavitation Effects of Shaftless Pump-Jet Propulsors

Abstract： [Purposes] Cavitation effects occur in the blades of shaftless pump-jet propulsors at high rotational speeds. To mitigate these effects， this study investigates the installation methods and rotational directions of guide vanes.[Methods] Numerical simulations using CFD software were conducted on various guide vane installation configurations to assess the overall thrust and blade cavitation characteristics of the shaftless pump-jet propulsor， aiming to identify the optimal installation structure.[Findings] In configurations without guide vanes， although the propulsion performance was better， the blade cavitation area was the largest. Among configurations with guide vanes， the setup with guide vanes placed behind the propulsor and rotating in the same direction as the blades achieved the best propulsion performance， reducing the cavitation area by 14.7% compared to the configuration without guide vanes. [Conclusions] The findings provide valuable insights for optimizing the installation methods of guide vanes and reducing cavitation effects.

Keywords： shaftless pump-jet; guide vanes; thrust coefficient; cavitation effects

0 引言

无轴泵是一种新型的泵喷推进装置，在同等工况下相较于传统的推进器噪声更低、效率更高，且在水下可以适用多种工况，其结构特点是无轴设计，可避免水草缠绕。泵整体通过旋转的叶轮对流体作用，从而产生推力，主要应用于小型静音潜水艇和民用冲锋艇的动力部分。

近年来，无轴泵的应用与相关研究日益增多，因此对其进行优化设计变得愈发重要。在叶片优化方面，谈明高等［1］研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响。刘厚林等［2］研究了轮毂比对无轴泵喷推进器性能的影响，发现当轮毂比为0.25时，推进器的整体性能最佳。祝昊等［3］研究了在有导流叶的情况下，有无轮毂对推进性能的影响，但缺少关于导流叶安装位置及旋向对泵喷推进器影响的研究。蔺永杰等［4］基于CFD方法研究了传统有轴螺旋桨导流叶片，发现优化后的推进器可节能7.96%。在叶片空化研究方面，李晓超等［5］提出了喷水推进泵的空化及噪声优化措施；潘中永等［6］分析了泵喷推进器在来流含气条件下的空化特性，发现增加进口含气率可以提高设备的抗空化能力。

综上所述，虽然泵喷推进器的空化与推进性能研究已有大量成果，但导流叶对无轴泵喷推进性能及叶片空化效应的影响研究较少。因此，本文在前人研究的基础上，采用计算流体动力学（CFD）软件研究导流叶对泵喷推进器叶片性能的影响，并通过设计优化找出相关规律。

1 数值模拟分析

1.1 三维建模及设计方案

本研究以七叶片的无轴泵喷推进装置为研究对象，该模型的进口处和出口处均可安装导流装置，对导流装置的选择与安装位置进行设计，如图1所示。

将与旋转叶片旋向相同的导流叶命名为叶片1，与旋转叶片旋向相反的导流叶命名为叶片2，根据导流叶相对于旋转叶片的位置共设置9套方案，具体见表1。

质量优良的导流罩对推进器推进效率有促进作用［7］，本研究应用的导流罩类型选择为类2415翼形的导流罩截面。

1.2 网格划分及无关性检验

为了最小化流场域尺寸对研究对象的影响［8］，流场域尺寸如图2所示。

在泵的网格划分过程中，本研究采用了结构化与非结构化网格共存的多面体网格划分策略。与传统的四面体或六面体网格相比，多面体网格具有诸多优势：首先，其能够精确地刻画出具有复杂几何形状和尖锐边缘的物体；其次，这种网格类型通常具备更高的质量，能够避免生成扭曲、倾斜或者瘦长的单元，从而在处理边界层流动、网格运动等复杂流场问题时展现出更高的灵活性和效率［9］。此外，多面体网格在保持同等尺寸的情况下，能够以较少的网格数量实现较高的网格质量。

针对叶片及其周边区域，本研究进行了细致的网格细化处理，以确保网格质量指标超过0.2，同时兼顾计算的网格无关性，并防止网格数目过多导致的计算资源过度消耗［10］。本研究依据方案9，构建了4种不同网格数量的模型，并以3 000 rpm的叶片推力作为评价标准进行了系统测试（见表2）。通过对比分析发现，当网格数达到146万个以上时，进一步增加网格数对推力的影响不再明显。因此，为了在保证计算精度的同时减少计算负担，将大约146万个的网格规模作为最佳选择。

无轴泵各部件的叶片网格如图3（a）所示，对于叶片以及叶片后方区域进行局部加密如图3（b）所示。

1.3 湍流模型与边界条件

本研究采用[k-ω]SST 湍流模型，这是一种改进型的[k-ω]湍流模型，结合了[k-ε]模型和[k-ω]模型的优势。该模型能够准确地描述壁面附近的流动特性，并充分考虑了剪切应力的传递，使得在复杂流动情况下有更高的预测准确性。与其他复杂模型相比，此模型的计算成本相对较低［11］。空化模型选择Mixture多相流模型，其控制方程基本形式见式（1）。

在边界条件设置方面，依据特定工况，采用了不可压缩、定常计算方式，叶片转速为900 rpm，固壁设置为绝热、无滑移边界条件［12］。

2 结果分析

2.1 导流叶对泵流场特性的影响

9种不同方案的无轴泵速度如图4所示。其中每个图片的右下角标识代表着各自的方案类型。在无导流叶的方案中，可以观察到无轴泵内部的流体速度分布相对均匀。然而，当引入导流叶的方案时，泵内部及泵后侧的流体速度出现了明显的低速区域。这种现象表明导流叶的存在可能会改变流体的流向和速度分布，进而导致泵的扬程降低。这影响了泵的整体推进性能，使其出现下降的趋势。

各方案的流线迹图如图5所示。在方案9中，观察发现流体在通过导流罩后流出较为均匀，未出现涡流现象，表明其推进效果最佳。相比之下，方案3、5和7在导流叶与旋转叶之间产生了显著的涡流，这些涡流消耗了部分流体动能，从而降低了泵的整体推进效率。

推力系数是描述喷水推进泵的一个无量纲系数，它直观地展现了泵的推进能力。泵的推力系数[KT]见式（2）。

式中：[T]为泵的推力大小；[ρ]表示流体密度；[n]为转速；[D]为叶片直径。

无轴泵各设计方案的整体推进性能如图6所示。无导流叶的方案9推力系数最高至0.725。而方案6在其旋转叶片前后均配备了与旋向相反的导流叶，显示出最低的推进系数，仅为0.182。这一结果也得到了图3中速度云图的验证，从图中可以观察到该方案的泵后方高速流体区域较小，扬程也相对较短。

在有导流叶的设计方案中，将导流叶放置在旋转叶片后方，并且其旋向与旋转叶片一致，能显著提升泵的推进性能。对比同一位置，与旋转叶片旋向相反的导流叶，其效果较差。这主要是因为，流体在被旋转叶片推向后方的过程中，其速度方向与旋转叶片的旋向相同。因此，与旋转叶片旋向一致的导流叶，能更有效地引导流体顺畅流出无轴泵，从而优化推进性能。

2.2 导流叶对旋转叶片空化效应的影响

在相同转速条件下，各方案旋转至叶片表面空化效应如图7所示。其中方案2、方案5和方案7的旋转叶片未出现空化现象，而其他方案的叶片表面均出现了不同程度的空泡效应。这些空泡效应主要集中在叶片吸力面远离旋转中心的位置，这是由于该区域的叶片表面压力低于液体的饱和蒸气压，从而导致液体发生汽化现象。

各方案空泡效应比例如图8所示。由图8可知，在没有导流叶的方案中，叶片的空泡面积最大，大约占据了叶片总体面积的4.35%。然而在采用导流叶的设计方案中，方案4的空泡面积最大，相较于方案9，其空泡面积的比例降低了约9.1%。

3 结论

本研究采用计算流体动力学（CFD）方法，通过对不同方案进行对比，研究了导流叶的类型与安装方式对无轴泵喷推进器整体推进性能和旋转叶片表面空泡效应的影响，主要结论如下。

①对于泵喷推进器的推进性能而言，无导流叶方案的推力系数最大；在有导流叶的方案中，位于旋转叶片后方且与其旋向相同的导流叶方案的推力系数最高，但比无导流叶方案低约9.1%。

②就旋转叶片表面空泡效应而言，无导流叶方案的空泡面积最大，而有导流叶方案的空泡面积则有所减少，某些方案甚至显著缩小了空泡面积。

③在设计过程中，可考虑在旋转叶片后方安装与其旋向相同的导流叶，可有效减少空泡效应的产生。

参考文献：

［1］谈明高，胡胜，刘厚林，等.叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响［J］.国防科技大学学报，2024，46（1）：212-221.

［2］刘厚林，华旭辉，吴贤芳，等.轮毂比对无轴泵喷推进器性能的影响［J］.哈尔滨工程大学学报，2023，44（1）：146-153.

［3］祝昊，靳栓宝，王东，等.无轴泵喷推进器敞水特性［J］.兵工学报，2021，42（4）：835-841.

［4］蔺永杰，张宝吉.基于CFD法的桨前预旋导流罩设计与分析［J］.上海海事大学学报，2024，45（1）：85-91.

［5］李晓超，李君，罗毅，等.喷水推进泵空化、噪声的优化研究［J］.河南水利与南水北调，2023，52（12）：115-116，125.

［6］潘中永，张帅，刘月伟.轴流式喷水推进器在来流含气条件下的空化特性分析［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），2022，36（3）：18-25.

［7］张金金，林路，葛新峰，等.导流罩对推流器性能的影响研究［J］.中国农村水利水电，2023，（11）：64-68，78.

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［12］万科，杨小贺，丁建国.风扇/增压级端区流动优化设计研究［J］.燃气轮机技术，2018，31（4）：53-58.