基于三元理論噴水推進軸流泵改進設(shè)計

李 均

（海軍駐上海江南造船集團（有限）責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

基于三元理論噴水推進軸流泵改進設(shè)計

李 均

（海軍駐上海江南造船集團（有限）責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913）

以某高速艇噴泵為研究對象，運用CFD方法計算并分析噴泵敞水性能缺陷，針對缺陷進行三元改進設(shè)計。首先以國外某混流式噴水推進泵為例，用基于雷諾時均的數(shù)值計算方法對噴泵敞水性能進行模擬，各轉(zhuǎn)速下噴泵功率計算誤差在1.5%以內(nèi)，驗證了本文所用數(shù)值計算方法的可信性。然后對該高速艇噴泵敞水性能進行計算，利用CFX軟件后處理分析出設(shè)計缺陷，對軸面線重新設(shè)計，將兩級導(dǎo)葉改為一級導(dǎo)葉。并且，針對葉輪做功效率低和導(dǎo)葉整流效果差的問題，利用三元設(shè)計方法將葉片負載分布改為前重載型以此提高噴泵效率。最后計算改進后的噴泵效率提高了5%左右，表明了三元設(shè)計方法在噴泵改進設(shè)計上的實用性。

噴水推進器；三元設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；CFD

0 引言

現(xiàn)代船舶利用噴泵噴出水流產(chǎn)生的反作用力推動船舶前進，該方式比起螺旋槳有推進效率高、機動性能好、振動與噪聲小、適合于淺水航行等特點，是近年來快速發(fā)展的推進方式，尤其在高速高性能船舶領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。高速艇上采用軸流泵作為推進器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、附體阻力小、操縱靈活等優(yōu)點。將軸流泵作為推進器的要求較為苛刻。除了需要有較高的效率外，還需要有抗空化強等要求。用傳統(tǒng)的一元、二元設(shè)計方法已經(jīng)很難滿足上述要求。采用更少假設(shè)、更加接近流體實際運動的三元設(shè)計方法是發(fā)展的必然。

國外，J.E.Borges較早使用三元反問題對葉片進行優(yōu)化設(shè)計[2]，通過對輸入葉片參數(shù)的迭代，對得到的葉片壓力分布進行了分析，比較了迭代過程中的平均切向速度的變化；Akria Goto等人用三元反問題設(shè)計方法結(jié)合CFD對不同比轉(zhuǎn)速離心泵葉輪等過流部件進行優(yōu)化，通過改變負載，對葉片壓力分布和內(nèi)流場進行了探索[3]；M Zangeneh用實驗和CFD方法相結(jié)合，以混流泵為對象，對三元反問題優(yōu)化方法進行了大量實驗與驗證，有效的減小了混流泵空化和二次回流[4]。國內(nèi)三元設(shè)計方法還處于研究階段，西安交通大學(xué)的盧金鈴等人建立了一種基于三維粘性流動分析的葉片優(yōu)化方法[5]；清華大學(xué)的邴浩等利用正反問題迭代的方法設(shè)計泵葉輪[6]；常書平通過對某混流泵的負載分布進行改變，研究了三元設(shè)計中負載分布對水力性能的影響[7]；靳栓寶利用三元反問題對混流式噴泵進行了設(shè)計，提出了前重載型負載分布可兼顧效率和空化性能[8]。

本研究結(jié)合工程研究項目，對某高速艇的軸流泵推進器敞水性進行了數(shù)值計算，找出設(shè)計中存在的問題。然后運用三元不考慮粘性的反問題設(shè)計方法針對性的改進。驗證了三元設(shè)計的可行性的同時，為高性能泵設(shè)計提供了技術(shù)改進參考。

1 CFD方法驗證

對該高速艇軸流式噴泵進行CFD計算前，先用某混流式噴水推進泵為例，對其水動力特性進行數(shù)值模擬。計算結(jié)果用廠商提供的數(shù)據(jù)進行比較，以驗證本文的所用數(shù)值方法和數(shù)學(xué)模型的可信性。

1.1 湍流模型

本文中所有算例都采用 SST（Shear Stress Transport）模型。SST模型結(jié)合了κ-ε模型和κ-ω模型的優(yōu)點，在近壁面區(qū)域采用 κ-ω模型模擬，湍流耗散較小，收斂性好。在湍流充分發(fā)展區(qū)域采用κ-ε模型，對復(fù)雜流場的適應(yīng)性更好。兩種模型的結(jié)合能夠較好地模擬粘性底層的流動。SST模型的最大優(yōu)點就在于考慮了湍流剪切應(yīng)力，從而不會對渦流黏度造成過度預(yù)測[9]。本文研究采用穩(wěn)態(tài)高階 SST模型，該模型要求y+小于200。

1.2 某混流泵CFD計算

某混流式噴水推進泵幾何如圖1所示。該噴泵葉輪進口直管處直徑為 710mm，葉輪有 6片，導(dǎo)葉 11片。葉輪和導(dǎo)葉均采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行計算域的空間離散，葉輪采用J型拓撲，導(dǎo)葉采用H型拓撲結(jié)構(gòu)。對葉輪進行網(wǎng)格無關(guān)性計算，計算結(jié)果見圖2。葉輪網(wǎng)格總數(shù)至少需要70萬。邊界條件為總壓進口，靜壓出口。噴泵軸功率計算結(jié)果見表1。計算值與廠商提供數(shù)據(jù)相對誤差在1.5%以內(nèi)，滿足工程要求。從工程應(yīng)用角度來看，該方法計算水力特性是可信的。

圖1 幾何模型

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性計算

表1 CFD數(shù)據(jù)對比

2 某軸流泵CFD性能計算與分析

本文研究對象為某高速艇上的軸流式噴水推進泵，該泵轉(zhuǎn)速較高，額定轉(zhuǎn)速為7500r/min。所用柴油機最大輸出功率為 130kW。該高速艇航速達不到設(shè)計航速?，F(xiàn)僅對裸泵性能進行分析。

2.1 幾何建模

根據(jù)高速艇噴水推進器實際尺寸，利用CAD三維建模軟件 UG進行幾何建模。噴泵分為葉輪、導(dǎo)葉和噴口三部分。噴泵葉輪數(shù)為3片，導(dǎo)葉為6片，噴口段也對應(yīng)設(shè)置了 6片二級導(dǎo)葉以加強整流效果。該軸流式噴泵尺寸較小，葉輪直徑為 155.5mm，葉頂間隙為0.5mm。噴口出口軸線上翹與水平面有約4度夾角，整體幾何如圖3所示。

圖3 CFD噴水推進泵幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

噴口由于包含了二級導(dǎo)葉，幾何較為復(fù)雜，用四面體網(wǎng)格進行劃分，在壁面邊界用棱柱形網(wǎng)格進行加密，對細小部件用密度盒加密，確保對幾何描述的準確性。其他部件劃分步驟同驗證所用的混流泵。在對葉輪葉片網(wǎng)格無關(guān)性分析中，通過對葉輪單通道網(wǎng)格節(jié)點數(shù)設(shè)定變化，對計算的軸力矩進行監(jiān)測，力矩變化波動如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性計算

經(jīng)計算葉輪總網(wǎng)格至少需70.8萬節(jié)點，本研究實取80.5萬以上。其它部分取較大的網(wǎng)格數(shù)以保證網(wǎng)格滿足要求。

2.3 邊界條件設(shè)置

對噴泵敞水性能進行計算時，為保證均勻流動，在葉輪進口前加直管進流道，管徑與葉輪進口直徑相等，長度在 2倍直徑以上。邊界條件為：流量進口，靜壓出口。葉輪葉片與輪轂為相對靜止壁面條件，泵殼設(shè)為絕對靜止壁面條件。

2.4 計算結(jié)果與分析

本文噴泵的敞水性能是指孤立泵在均勻進流條件下的水力性能。本文模擬計算噴泵在額定轉(zhuǎn)速7500r/min的情況下，流量180kg/s～230kg/s的軸功率、揚程和效率，如圖5所示。在設(shè)計流量210kg/s處，可以看出該泵的效率較低，最高效率約為81.7%。葉輪、導(dǎo)葉等主要過流 y+小于 127，流量、功率和揚程的監(jiān)控值收斂性較好，波動值小于0.1%，滿足要求。

表3 CFD計算結(jié)果

圖5 軸流泵特性曲線圖

采用數(shù)值計算的后處理手段分析了該噴泵存在的問題，從圖6空化情況中可以發(fā)現(xiàn)，葉片空化都發(fā)生在葉輪葉稍和外殼部分，葉輪的設(shè)計存在較大空化面積，造成使用壽命減少、效率不高。從圖7圖8可知，該軸流泵導(dǎo)葉和噴口處的二級導(dǎo)葉匹配有問題，導(dǎo)葉和二級導(dǎo)葉結(jié)合部分有明顯的流動分離和二次回流的產(chǎn)生，導(dǎo)葉的整流效果較差，且導(dǎo)流部分較長，流動損失增加。同時該泵導(dǎo)葉數(shù)目為6，葉輪為3，極易造成流動耦合共振。上述原因造成了該軸流泵敞水效率較低。

圖6 空化情況

圖7 兩級導(dǎo)葉流動分離圖

圖8 葉流動圖

3 基于三元理論的改進設(shè)計

由于該泵轉(zhuǎn)速較高、體積較小，采用傳統(tǒng)的二元理論設(shè)計很難改進上述設(shè)計缺陷，達到設(shè)計要求?，F(xiàn)根據(jù)存在問題，針對性的用三元方法進行優(yōu)化設(shè)計。

三元理論有正問題和反問題兩種。本研究采用的反問題設(shè)計方法（簡稱逆設(shè)計，3-dimensional inverse design）。反問題設(shè)計方法是憑借已經(jīng)被定義好邊界條件的所需流場為輸入條件，通過理論公式進行計算得到相應(yīng)的設(shè)計葉片。

本研究的三元反問題設(shè)計有以下假設(shè)：1）來流是均勻無旋的；2）葉片的形狀由渦片來代替（sheet of vorticity），其中葉片的做功能力即渦片的強度；3）葉片厚度帶來的影響假設(shè)為堵塞物對流體流動中連續(xù)方程的影響[10]。

輸入條件主要包括流量、葉片數(shù)目、軸面線、葉片負載分布、葉片厚度。反問題設(shè)計就是利用這幾個關(guān)鍵因素完成葉片的設(shè)計。流量就是逆設(shè)計中輸入的設(shè)定好的需要求解的流場條件。葉片數(shù)目根據(jù)傳統(tǒng)理論、經(jīng)驗或者實際需求進行設(shè)定。軸面線是流場的邊界條件，即所限定流體的內(nèi)流場空間，其設(shè)計根據(jù)工程需求和現(xiàn)有設(shè)計理論進行設(shè)計。葉片負載是葉片做功能力的體現(xiàn)。負載的設(shè)定決定了葉片各個位置做功能力的分布情況。葉片厚度分布就是按照設(shè)計工況的強度進行選定的。

上述公式表示本研究采用的三元逆設(shè)計的負載壓力和其他幾個物理量之間的運算關(guān)系。其中p是壓力，p+和p-的值表示壓力面和吸力面壓力之差，B是葉片數(shù)，ρ是液體密度，Wmbl是葉片子午面的相對速度。

反問題設(shè)計方法在噴水推進泵的設(shè)計上已經(jīng)有較好的應(yīng)用。所設(shè)計的噴泵效率達到了較高水平。

3.1 泵噴的軸面線設(shè)計

泵噴的軸面線按選型給定的宏觀尺寸以及相應(yīng)的設(shè)計標準進行設(shè)計[9]。為保證泵噴內(nèi)流場效率、過流能力，采用光滑圓弧和樣條曲線進行連接和過度。轉(zhuǎn)子出口部分留有一段直管擴散段，對于整流、降噪和提高推進效率是有利的。為提高效率，泵噴的導(dǎo)管參考水力性能較好的加速導(dǎo)管為原型進行設(shè)計。設(shè)計的導(dǎo)管以不影響泵噴進流，外部流場流經(jīng)導(dǎo)管不產(chǎn)生明顯回流、漩渦為適宜。最后考慮強度要求設(shè)計。所設(shè)計軸面線如圖4所示。

3.2 軸面形狀設(shè)計

泵的軸面形狀對于泵的水力性能有重要影響。本研究在考慮高速艇尺寸約束的情況下，在原有基礎(chǔ)上通過加大對輪轂的錐度，來減小葉片進口部分的二次回流。原泵的葉輪和導(dǎo)葉間距較大，現(xiàn)適當進行改小。葉輪導(dǎo)邊附近的輪轂過渡更加平穩(wěn)，以減小流動阻塞。導(dǎo)葉與噴口結(jié)合部收縮過渡更快，以加強整流[11]。本研究采用相切圓弧曲線來繪制軸面輪廓線，能較好的光滑過渡。從下圖可以看出新設(shè)計出的泵比原泵明顯要短，減小了泵內(nèi)的水質(zhì)量，降低了高速艇荷載和所占空間。軸面線圖對比如圖9。

圖9 軸面形狀對比

3.3 葉片負載分布

三元反問題設(shè)計中，在泵的外形結(jié)構(gòu)（即軸面形狀）、工況（葉片數(shù)、流量、轉(zhuǎn)速）已經(jīng)確定的情況下，負載分布是設(shè)計中最為關(guān)鍵的一步。葉片負載對于流場和效率有重要的影響。葉片負載（葉片壓力面與吸力面壓力之差）分布對于葉片安放角大小、形狀扭曲程度、水力特性有著直接影響。因此根據(jù)工況選擇合理的負載分布對于泵性能優(yōu)化至關(guān)重要。

經(jīng)分析，葉輪仍選用 3片，葉輪上采用前重載型分布。截面在0.2弦長處負載達到最大，然后平穩(wěn)持續(xù)到0.5弦長處后下降。前重載型分布葉片安放角較大，負載中心靠近導(dǎo)邊利于提高效率，同時保持較大范圍的最大負載以減小吸力面壓力下降區(qū)域，從而兼顧了效率和空化性[12]。在葉頂處負載所占比重要比葉根處大，以保證葉輪做工的高效性。葉輪輪殼處和輪轂處負載分布如圖10所示，中間其他截面負載由線性插值求出。

圖10 葉輪負載分布圖

原泵導(dǎo)葉較長，且還有二級導(dǎo)葉，造成摩擦損失大，效率低，而且流動分離、二次流明顯。本研究導(dǎo)葉的改進主要針對上述問題進行優(yōu)化，取消了兩級導(dǎo)葉，減少了流動損失，同時為保證整流效果，減小流動耦合振動，導(dǎo)葉選用 7片。導(dǎo)葉的負載分布也采用前重載型。為和葉輪相匹配，導(dǎo)葉進口處的環(huán)量設(shè)定值為葉輪的出口環(huán)量值。為加強整流效果和減小流動分離，導(dǎo)葉出口條件設(shè)為無旋出口（即環(huán)量設(shè)置為0）。導(dǎo)葉負載分布如圖11所示。

圖11 導(dǎo)葉負載分布圖

設(shè)定好葉片的負載分布后，將設(shè)計的軸面線以坐標形式和工況（流量、功率和轉(zhuǎn)速）為輸入條件，導(dǎo)入逆設(shè)計程序。迭代計算出無厚度葉片中心面。

3.4 葉片厚度分布

在計算出無厚度葉片中心面后，在保證葉片的強度要求下，采用NACA翼型厚度分布規(guī)律設(shè)計葉片葉柵。新泵幾何如圖12所示。

圖12 新設(shè)計軸流泵幾何

4 新泵CFD計算與分析

運用與第 1節(jié)相同的步驟與方法，對新設(shè)計的泵進行網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入CFD軟件CFX中進行計算。后處理顯示過流部分y+小于67，滿足湍流模型要求，具有可信性。計算網(wǎng)格如圖13軸功率、揚程和效率如圖14所示。

圖13 新設(shè)計軸流泵網(wǎng)格

表4 新泵CFD計算結(jié)果

圖14 新軸流泵特性曲線圖

從圖15中可以看出該泵導(dǎo)葉處的流動分離和二次回流情況減少，解決了流動分離的狀況。導(dǎo)葉和葉輪的匹配較為合理。該軸流泵流線也較為光順，如圖16所示。軸流泵的效率顯著提高。經(jīng)后處理分析 u、v、w三個方向的動能比率分別為：98.7%(原泵 96.9%)、0.65%、0.65%。綜上所述，與原軸流泵相比，新設(shè)計的軸流泵有以下優(yōu)點：1.結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，減小了運行時泵內(nèi)的水體積，減輕了負載；2.空化面積減小，抗空化能力顯著提高，可以增加該泵的使用壽命；3.出流軸向能量比重增加，推進效率更高。

圖15 新軸流泵導(dǎo)葉不同半徑處流線與矢量圖

圖16 新軸流泵流線圖

5 結(jié)論

本文通過CFD計算發(fā)現(xiàn)某噴泵的導(dǎo)葉太長、導(dǎo)葉與葉輪匹配有問題，導(dǎo)葉整流差，葉輪流動分離嚴重等設(shè)計問題，是影響噴泵水力性能的主要原因。

新設(shè)計噴泵通過取消兩級導(dǎo)葉變?yōu)橐患墝?dǎo)葉，改變外形結(jié)構(gòu)（即軸面形狀），在給定工況下，用三元反問題設(shè)計方法，調(diào)整葉片負載分布，改善了葉輪流動分離情況，可以有針對性的提高泵的水力性能。

通過用三元反問題設(shè)計方法不但使該泵效率較原泵提高了約5%，且結(jié)構(gòu)更為緊湊，質(zhì)量輕，空化性優(yōu)，有效的驗證了三元設(shè)計方法。三元設(shè)計方法簡便，結(jié)合計算機技術(shù)能很快設(shè)計出高要求的葉輪，并且運用CFD方法相結(jié)合，使得設(shè)計過程更加快速優(yōu)質(zhì)，為工程提供了技術(shù)改進參考。

[1] Bulten N. Numerical Analysis of a Waterjet Propulsion System [D]. Eindhoven, The Netherlans:The Eindhoven University of Technology, 2006: 5-9.

[2] J.E.Borges .A Three-Dimensional Inverse Method for Turbo machinery: Part I-Theory [J]. Transactions of the ASME 1990. 112(7): 346-354.

[3] Akira Goto, Motohiko Nohmi,et al. Hydrodynamic Design System for Pumps Based on 3-D CAD, CFD,and Inverse Design Method[J]. Journal of Fluids Engineering 2002, 124(7): 329-335.

[4] Duccio Bonaiuti, Mehrdad Zangeneh, et al.Parametric Design of a Waterjet Pump by Means of Inverse Design, CFD Calculations and Experimental Analyses[J]. Journal of Fluids Engineering,2010.132(3): 1-15.

[5] 盧金鈴, 席光, 祁大同. 三元葉輪子午流道和葉片的優(yōu)化方法[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2005.39(9):1021-1025.

[6] 邴浩, 曹樹良, 陸力. 混流泵葉輪設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報, 2013, 32(3): 229-233.

[7] 常書平, 王永生, 等. 載荷分布規(guī)律對混流泵葉輪設(shè)計的影響[J].排灌機械工程學(xué)報, 2013, 31(2):123-127.

[8] 靳栓寶, 王永生, 等. 混流式噴水推進泵三元設(shè)計及數(shù)值試驗[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2012,33(10): 1223-1227.

[9] 謝龍漢, 趙新宇, 張炯明. ANSYS CFX流體分析及仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2012: 16.

[10] Zangeneh M. A compressible three dimensional Blade design method for radial and mixed flow turbo machinery blades[J] .Journal of Numerical Methods in Fluids, 1991, 13: 599-624.

[11] Thad J .Michael,Seth D. Schroeder, Alan J. Becnel.Design of the ONR AxWJ-2Axial Flow Water Jet Pump[R]. The USA, Hydromechanics Separatment Report, 2008.

[12] 靳栓寶, 王永生, 等. 高性能緊湊型水泵的三元設(shè)計方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2013, 44(11): 82-86.

斯凱孚（SKF）S2M磁浮軸承用于全球首套海底天然氣壓縮系統(tǒng)

2015年11月10日，斯凱孚已向挪威海域Asgard氣田上的全球首套海底天然氣壓縮系統(tǒng)提供磁浮軸承。五年來，斯凱孚與曼柴油機與透平公司（MAN Diesel & Turbo）一直共同致力于開發(fā)這一項目，而曼柴油機與透平公司也是這套天然氣壓縮系統(tǒng)中電機驅(qū)動離心壓縮機的制造商。

一般而言，天然氣會從海底被直接抽取至海面，并在鉆井平臺上進行壓縮。但在Asgard氣田，壓縮室卻設(shè)在了海床上靠近井口的位置，以便獲得最大的采氣量，從而延長氣田的開采年限。

斯凱孚工業(yè)市場銷售和市場營銷總監(jiān)Ole Kristian Joedahl表示：“斯凱孚S2M磁浮軸承在這套海底天然氣自主壓縮系統(tǒng)的開發(fā)過程中扮演了極為關(guān)鍵的角色，大大促進了石油與天然氣行業(yè)的發(fā)展。得益于這款軸承，整個系統(tǒng)無需使用潤滑脂、密封件和變速箱，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡化。此外，磁浮軸承不會產(chǎn)生任何摩擦，所以轉(zhuǎn)速更高，同時可讓壓縮機更加緊湊，最終使得天然氣處理廠設(shè)備的重量更輕，同時減少環(huán)境影響?！?/p>

除了磁浮軸承外，斯凱孚還提供了一套遠程軸承控制和監(jiān)測系統(tǒng)，便于實施更精確的維護計劃。

Optimization of Axial Water Jet Flow Pump Based on 3D Design Method

LI Jun
(Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)

In order to check out the accuracy of 3D design method and bring it to optimize pump design,the study analyzes the design defects of on motorboat’ water jet pump based on CFD and solves the problem via 3D design. Firstly, a foreign water jet pump(mixed-flow pump)’s performance is simulated by solving Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations and these results consist well with the manufacturer’s data, the error is less than 1.5%, which verifies that the method this paper used is exact and believable. Secondly, the motorboat's performance is calculated by CFD and CFX-post is used to analyze the defects resulted from design. Finally, the study uses one-stage stator instead of two-stage stator and designs a new meridional channel, which uses 3D design method to solve the design defects by change the loading distribution. At last, the axial pump's efficiency is increased by 5%, the results indicate that 3D design method is practical.

water jet; 3D design; optimal design; CFD

U664.34

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.019

李均（1985-），男，本科。研究方向：船舶動力及熱力系統(tǒng)的科學(xué)管理。