噴水推進泵選型設(shè)計時工作參數(shù)和幾何參數(shù)計算

聶建棟，朱朝峰

?

噴水推進泵選型設(shè)計時工作參數(shù)和幾何參數(shù)計算

聶建棟，朱朝峰

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，武漢 430061）

作為推進裝置中的一個主要部件，噴水推進泵在選型設(shè)計上與傳統(tǒng)的泵差別很大，其工作參數(shù)的確定必須建立在推進系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，由設(shè)計航速下系統(tǒng)的最高噴射效率決定最佳噴速比，由額定轉(zhuǎn)速和駝峰阻力處航速對應(yīng)的工況點的抗空化性能來設(shè)定泵設(shè)計轉(zhuǎn)速，并且要滿足主機功率的要求。在已知設(shè)計航速和船體阻力曲線的條件下，引入8個假定參數(shù)后，計算得到了泵的5個工作參數(shù)值；由比轉(zhuǎn)速和吸口比轉(zhuǎn)速建立工作參數(shù)和幾何參數(shù)之間的聯(lián)系，進而求得轉(zhuǎn)子進、出口直徑和噴口直徑等主要設(shè)計參數(shù)。

船舶 噴水推進泵 選型設(shè)計 工作參數(shù) 幾何參數(shù)

0 前言

當泵用作船舶推進器時，它應(yīng)當滿足水動力推進器的一般要求：保證船舶推進的設(shè)計航速；推進裝置總的推進效率盡可能高；巡航航速到設(shè)計航速區(qū)間推進器效率較高且變化平緩。

與陸用水泵相比，噴水推進泵的效率和抗空化性能要求更嚴。并且，為了產(chǎn)生盡可能大的推力，泵流量相對較大，尺寸和重量也限制較嚴，從而使得推進泵比轉(zhuǎn)速較高、功率密度較大。與該要求相適應(yīng)的現(xiàn)代船用噴水推進泵主要為單級混流泵或者是比轉(zhuǎn)速更高的軸流泵。噴水推進泵作為噴水推進裝置中的主要部件，其運轉(zhuǎn)參數(shù)必須匹配推進裝置的運轉(zhuǎn)參數(shù)，進而由運轉(zhuǎn)參數(shù)所決定的泵的主要設(shè)計參數(shù)也要兼顧推進裝置的結(jié)構(gòu)和布置要求。

本文針對噴水推進泵在設(shè)計使用時上述考慮因素，選取計算初始設(shè)計階段泵的運轉(zhuǎn)參數(shù)和主要設(shè)計參數(shù)，為船用噴水推進泵的自主設(shè)計迭代程序開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 噴水推進泵運轉(zhuǎn)參數(shù)確定

常見艉板式噴水推進器如圖1所示，由進水流道、噴水推進泵、噴口和操舵倒航機構(gòu)四部分組成。通常在分析噴水推進器直航狀態(tài)下推進性能時不考慮操舵倒航裝置。常用的噴口形狀有收縮型噴口和平行喉部噴口兩種[2]。在噴水推進器性能分析時通常假定為平行喉部噴口，使射流收縮截面面積正好等于噴口出流面積[2,3]，如圖2所示，即認為截面⑦與⑥重合。

泵的設(shè)計任務(wù)就是在一定的轉(zhuǎn)速下，通過一定的能量頭的提升來產(chǎn)生特定的流量。噴水推進泵的設(shè)計目標進一步轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生軸向推力。推進泵轉(zhuǎn)速、體積流量、軸向推力和泵進口能量頭的抗空化裕度（Net Positive Suction Head）組合描述了泵的運轉(zhuǎn)工況。

1.1設(shè)計時已知條件和假定條件

通常噴水推進器在選型設(shè)計時給出的已知條件有：

初始設(shè)計時，還需要假定以下幾個參數(shù)：

1.2工作參數(shù)計算

1）根據(jù)噴水推進系統(tǒng)的效率公式求取設(shè)計航速下的最佳噴速比

設(shè)計噴水推進器時，一個基本要求是滿足設(shè)計航速下的噴射效率在最佳噴射效率附近。噴射效率將噴水推進泵的運轉(zhuǎn)參數(shù)與“船-泵-機”組成的推進裝置運轉(zhuǎn)參數(shù)有機地結(jié)合起來。噴射比是決定噴射效率最重要的參數(shù)[3]，其定義為：

則噴水推進器噴射效率為：

根據(jù)動力裝置能量的傳遞關(guān)系[5]，考慮推力減額系數(shù)，得到噴水推進系統(tǒng)總的推進效率為：

由式（9）可初步確定考慮一定的速度滑差后的軸轉(zhuǎn)速，或者是決定多臺主機的功率分配及相應(yīng)的軸轉(zhuǎn)速，作為下文選取泵轉(zhuǎn)速時的一個校核標準。

比轉(zhuǎn)速用來統(tǒng)一泵的各性能參數(shù)，通常以此來劃分泵的類型，其定義為：

高質(zhì)量的噴水推進泵對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速值通常比較高。在泵揚程和流量一定時，高比轉(zhuǎn)速即對應(yīng)為高的軸轉(zhuǎn)速，輸入功率一定時，對應(yīng)的力矩小，意味著設(shè)計的泵更小、更輕，費用也更少。

在不考慮流體張力強度、泵工作時間和流體中未溶解氣體的影響時，泵內(nèi)空化初生區(qū)域?qū)?yīng)為壓力低于流體汽化壓力區(qū)域[12]。通常采用凈正吸頭（Net Positive Suction Head)參量來描述空化，用來表征進入泵流體的抗空化裕度，定義為：

其中，單位為m。泵空化初生時吸口比轉(zhuǎn)速對應(yīng)一個特定的臨界值，直接反映了泵的抗空化性能。噴水推進器廠商（包括KaMeWa公司）通常采用等吸口比轉(zhuǎn)速值在推進性能圖譜上劃分噴水推進泵的工作區(qū)域，用以界定泵產(chǎn)生空化與否以及空化發(fā)生的程度[3]。運轉(zhuǎn)參數(shù)確定時，泵進口值為一常數(shù)，其值也為一定值。

進而由比轉(zhuǎn)速可以確定泵的類型。同時，由式（15）可求得泵轉(zhuǎn)速的上限值，結(jié)合本節(jié)第一步中對所需主機功率的分析，可初步確定泵設(shè)計轉(zhuǎn)速。

在一組假定參數(shù)下，把泵的運轉(zhuǎn)范圍用吸口比轉(zhuǎn)速對航速而以泵轉(zhuǎn)速為參變量的曲線表示，如圖7所示。這里假定值與設(shè)計值相同。由圖7可知：航速為零時，三種轉(zhuǎn)速下的泵吸口比轉(zhuǎn)速值均超過上限一定范圍，在設(shè)計時需要引起注意；在轉(zhuǎn)速為880 rpm、駝峰阻力處航速約為20 kn時，，空泡已經(jīng)非常嚴重，設(shè)計時空化性能的上限點就應(yīng)該取在設(shè)計轉(zhuǎn)速下駝峰阻力對應(yīng)的航速處。若僅從抗空化能性講，該設(shè)計流量下轉(zhuǎn)速定為800 rpm最優(yōu)。取圖7中同樣的3個假定參數(shù)值再加上，在設(shè)計航速50 kn下，由圖6-b查得最佳噴速比為，噴射效率為，則由（4）式得噴口速度，代入（11）式和（12）式，求得比轉(zhuǎn)速為2.82，屬于混流泵，此時轉(zhuǎn)速取為800 rpm，并且認為單臺泵功率滿足推進要求。最后根據(jù)式（15）求出泵吸口比轉(zhuǎn)速值，即確定了噴水推進泵的運轉(zhuǎn)參數(shù)。

2 噴水推進泵主要設(shè)計參數(shù)計算

2.1運轉(zhuǎn)參數(shù)和設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系

仍然取上面分析得到的混流泵進行設(shè)計參數(shù)計算。混流泵轉(zhuǎn)子和定子軸面輪廓參量定義如圖8所示。用于推進的混流泵在幾何尺寸上較陸用泵通常有一些額外的限制，比如：

根據(jù)圖8中定義參數(shù)，可得：

將式（17）分別代入式（12）和（15），建立運轉(zhuǎn)參數(shù)和設(shè)計參數(shù)之間的聯(lián)系：

式（18）反映了轉(zhuǎn)子進口形狀與出口外徑之間的關(guān)系，式（19）反映了轉(zhuǎn)子進口形狀與吸力面局部低壓區(qū)之間的聯(lián)系。若設(shè)計泵為軸流泵時，轉(zhuǎn)子進出口直徑相等，式（18）和（19）可進一步簡化。

2.2主要幾何參數(shù)計算

噴水推進泵轉(zhuǎn)子進口直徑與進水流道出口直徑相等。進水流道存在能量損失，分析時可將管道中流動的能量損失歸入到參數(shù)內(nèi)，對應(yīng)的范圍約為0.1～0.3，從屬于前文給出的分析范圍。則轉(zhuǎn)子進口平均速度為：

從而得到轉(zhuǎn)子進口直徑為：

噴口直徑會直接影響到泵最佳工作點的確定[3]。由流量和噴口速度即可求得噴口直徑：

其余轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計參數(shù)和定子設(shè)計參數(shù)可參照文獻給出的采用速度系數(shù)法或者是相似換算法得到的計算程序進行迭代計算。最后在參數(shù)確定時還需要兼顧考慮噴水推進泵的額外限制因素。

3 結(jié)論

噴水推進泵的設(shè)計目標與傳統(tǒng)陸用泵差別很大。作為推進裝置中的一個主要部件，其運轉(zhuǎn)參數(shù)的選擇必須依賴于推進系統(tǒng)分析。由系統(tǒng)的最高推進效率決定最佳噴速比，由額定轉(zhuǎn)速和駝峰阻力航速對應(yīng)的工況點的抗空化性能來設(shè)定泵設(shè)計轉(zhuǎn)速，同時要滿足主機功率的要求。

[1] Bulten N. Numerical analysis of a waterjet propulsion sytem[D]. Netherlands: Library Eindhoven University of Technology, 2006.

[2] BECNEL A. Development of high-speed sealift waterjet propulsion system[R]. CDI Marine Company, 2003: 748-9.

[3] ALLISON J. Marine waterjet propulsion[J]. SNAME Transactions, 1993, 101: 275-335.

[4] TERWISGA T V. The specialist committee on validation of waterjet test procedures-final report and recommendations to the 24th ITTC[R]. UK, 2005.

[5] WOND H K, STAPERSMA D. Design of propulsion and electric power generation systems[M]. London: The Institute of Marine Engineering, Science and Technology, 2002.

[6] KARASSIK I J, KRUTZSCH W C. Centrifugal and axial pumps[M]. Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 8th Edition, McGraw-Hill Book Company, 1981.

[7] 金平仲. 船舶噴水推進[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1986.

[8] TURNOCK S R, HUGHES A W, MOSS R, et al. Investigation of hull-waterjet flow interaction[C]//The 4th International Conference on Fast Sea Transportation (FAST1997). Sydney, Australia, 1997: 59-64.

[9] BULTEN N, ESCH B V. Review of thrust prediction method based on momentum balance for ducted propellers and waterjets[C]// FEDSM2005. Houston, USA, 2005.

[10] Wieghardt K. Uber die wandschubspannung in turbulenten reibungsschichten bei veranderlichem aussendruck. Kaiser Wilhelm, Institut fur Stromungsforschung, No.UM-6603, Gottingen, Germany, 1943.

[11] CONTRACTOR D N, JOHNSON V E. Waterjet propulsion[R]. AIAA report, 1967 : 67-361.

[12] Schiavello B, Visser F C. Pump cavitation-various NPSHr criteria, NPSHa margins, and impeller life expectancy[C]// 24th International Pump Users Symposium. 2008.

[13] WISLICENUS G F. Pumping machinery for marine puopulsion[C]// ASME proceedings. 1968.

Calculation of Operating Conditions and Geometry Parameters for Waterjet Pump Design

Nie Jiandong, Zhu Chaofeng

(Naval Representatives Office in No.438 Factory, Wuhan 430061, China)

As a main component of the propulsion system, there are significant differences in the selection and design of the waterjet pump from conventional pump, and its operating conditions must lay the foundations for performances in propulsion system. The optimum jet velocity ratio is selected on the basis of the maximum jet efficiency of the propulsion system under design vessel speed, and the rotating speed is determined after considering the cavitation characteristics under the hump-drag condition for which design rotational speed is required, and the engine power is mated at the same time. Given design speed required and ship’s resistance-speed curve, after 8 assumed non-dimensional parameters are introduced, and the pump operating conditions are determined with 5 parameters. The main geometry parameters of the pump can be rationally linked to the operating conditions by the specific speed and the suction specific speed, so that the rotor inlet and outlet diameter, nozzle diameter can be calculated, and additional geometric constraints for a waterjet pump and its power density and weight are all considered at last when the design parameters are determined.

ship waterjet pump; selection and design; operating conditions; geometry parameters

TQ04

A

1003-4862（2015）03-0059-07

2014-12-18

聶建棟（1981-），男，工程師。研究方向：船舶機械。