噴水推進(jìn)和泵噴推進(jìn)的概念：共性、特性及區(qū)別

王永生

海軍工程大學(xué)，湖北武漢430033

0 引 言

噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器均屬船艇泵類(lèi)推進(jìn)器［1-3］。噴水推進(jìn)器（Waterjet，簡(jiǎn)稱(chēng)“噴泵”）的發(fā)明早于螺旋槳19 年［4］。上世紀(jì)60 年代，美國(guó)賓州大學(xué)研發(fā)了泵噴推進(jìn)器（Pumpjet，簡(jiǎn)稱(chēng)“泵噴”）并首次成功應(yīng)用于魚(yú)雷［5］；英國(guó)海軍的“丘吉爾”號(hào)核潛艇于1970 年開(kāi)始使用泵噴推進(jìn)器［6］；1990年，俄羅斯“基洛”級(jí)常規(guī)潛艇B-871 Alrosa 號(hào)［7-8］也使用了泵噴推進(jìn)器。泵類(lèi)推進(jìn)器發(fā)展至今，其具體結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)用場(chǎng)合十分多樣：既有內(nèi)流場(chǎng)，也有內(nèi)外流場(chǎng)；既有導(dǎo)葉在前、葉輪在后，也有葉輪在前、導(dǎo)葉在后；既可以含進(jìn)水流道、也可無(wú)進(jìn)水流道；既有外置式，也有內(nèi)置式；既有水面噴水，也有水下噴水；既用于水面艦船推進(jìn)，也用于魚(yú)雷、潛艇及其他水下航行器推進(jìn)。迄今，業(yè)內(nèi)有關(guān)教科書(shū)、專(zhuān)著、論文等學(xué)術(shù)文獻(xiàn)，似乎都沒(méi)有給出噴水推進(jìn)和泵噴推進(jìn)的準(zhǔn)確、完整定義，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)其稱(chēng)謂有些混亂，更說(shuō)不清楚噴水推進(jìn)和泵噴推進(jìn)的區(qū)別。不僅有國(guó)內(nèi)業(yè)界人士反映無(wú)法說(shuō)清和辨別噴泵和泵噴，而且國(guó)外也有類(lèi)似概念混淆的情況。例如，圖1～圖3 在美國(guó)都被稱(chēng)為泵噴。但是，從選型原則和應(yīng)用效果來(lái)看，三者不僅不完全等同，而且有著明顯的推進(jìn)性能差別，不能歸類(lèi)為泵噴推進(jìn)器。實(shí)際上，圖1為泵噴推進(jìn)器，圖2和圖3 應(yīng)歸類(lèi)為噴水推進(jìn)器。但按照目前已有的命名方法，的確無(wú)法將它們準(zhǔn)確區(qū)分或正確命名。

圖1 Mark 48 魚(yú)雷使用的泵噴推進(jìn)器Fig.1 Pumpjet for Mark 48 torpedo

圖2 舷外機(jī)推進(jìn)器剖視圖（黑色為葉輪、灰白為導(dǎo)葉）Fig.2 Cross-sectional view of outboard propeller（black for impeller，offwhite for stator）

本文將首先介紹噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的基本概念和案例，然后概括二者在推進(jìn)原理上的異同，以既滿足快速性要求又滿足聲隱身性要求的某水上、水下蛙人輸送艇泵類(lèi)推進(jìn)器為例，重點(diǎn)分析其歸屬問(wèn)題，最后指出國(guó)外某些泵類(lèi)推進(jìn)器稱(chēng)謂的不妥之處。作者領(lǐng)導(dǎo)的研究室已從事了前面所說(shuō)各種具體結(jié)構(gòu)噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和研究，有關(guān)積累有助于本文提煉和闡明噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器定義的內(nèi)涵與外延。

圖3 離心式推進(jìn)器進(jìn)水口（格柵處）和3 個(gè)出水口Fig.3 A inlet（at grille）and three outlets for centrifugal jet

1 噴水推進(jìn)器

1.1 噴水推進(jìn)器的定義

圖4 噴水推進(jìn)器的一般組成Fig.4 General composition of waterjet

圖5 噴水推進(jìn)安裝示意圖Fig.5 Waterjet propulsion installation

先回顧業(yè)內(nèi)最著名的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)［5，9-10］對(duì)噴水推進(jìn)器的定義。文獻(xiàn)［5］是現(xiàn)代論述噴水推進(jìn)相關(guān)內(nèi)容最權(quán)威的國(guó)外文獻(xiàn)，但文中沒(méi)有給出噴水推進(jìn)器的定義。文獻(xiàn)［9］是業(yè)內(nèi)最早全面研究船和噴水推進(jìn)器相互作用的博士論文，但文中僅給出了噴水推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)組成示意圖（圖4）。文獻(xiàn)［10］是業(yè)內(nèi)采用數(shù)值計(jì)算方法研究噴水推進(jìn)器、進(jìn)水流道、噴水推進(jìn)器+進(jìn)水流道性能的著名博士論文，其認(rèn)為安裝在船尾的商用噴水推進(jìn)器由進(jìn)水流道1、泵2、噴嘴3、轉(zhuǎn)向倒車(chē)機(jī)構(gòu)4 共4 部分組成（圖5）。該推進(jìn)器的主要部件是泵，它把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w總頭以便在噴嘴出口處產(chǎn)生射流。遺憾的是，上述3 篇文獻(xiàn)都沒(méi)有給出噴水推進(jìn)器的明確定義，只講了艉板式噴水推進(jìn)器的一般組成，以及靠射流產(chǎn)生推力的一般原理。

根據(jù)工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用，作者建議對(duì)噴水推進(jìn)器作以下定義：由管道內(nèi)的葉輪和導(dǎo)葉共同作用、在噴口產(chǎn)生射流、以快速性作為第一設(shè)計(jì)目標(biāo)的船舶推進(jìn)器，稱(chēng)為噴水推進(jìn)器。

1.2 噴水推進(jìn)器的工作原理與結(jié)構(gòu)形式

本節(jié)以最常用的水面艦船艉板式噴水推進(jìn)器為例（圖6［11］）來(lái)介紹其基本工作原理。由圖6 可知，主機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量通過(guò)傳動(dòng)軸系傳遞給葉輪，葉輪對(duì)從船底進(jìn)水口吸入的水流作功，葉輪后方靜止不動(dòng)的導(dǎo)葉對(duì)水流進(jìn)行整流（將周向和徑向分量變成軸向分量），高速、高壓水流通過(guò)噴口高速軸向噴射，水流反作用力即對(duì)應(yīng)為克服船體阻力的推進(jìn)力。因此，可以說(shuō)噴水推進(jìn)器本質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器，將原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能變成船體平動(dòng)機(jī)械能。

圖6 噴水推進(jìn)器基本結(jié)構(gòu)Fig.6 Basic structure of waterjet

在此，通過(guò)噴水推進(jìn)器的具體結(jié)構(gòu)（圖7和圖8）闡述上述能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。噴水推進(jìn)器有2 個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件——進(jìn)水流道和泵（圖7）。泵安裝在船艉板上，其軸線離船底有一定的高度。這種安裝的目的是：設(shè)計(jì)航速時(shí)，噴口能向空氣中噴水。因空氣背壓小、噴口速度高，故可獲得更大的噴口動(dòng)量，從而獲得更大的推力。泵在艉板上有一定的安裝高度，需要通過(guò)進(jìn)水流道A 將船底的水從進(jìn)水口F 吸入，在流經(jīng)進(jìn)水流道后成為泵的進(jìn)流。泵由旋轉(zhuǎn)葉輪B、靜止導(dǎo)葉C 和噴口D 組成。原動(dòng)機(jī)通過(guò)葉輪軸E 驅(qū)動(dòng)葉輪對(duì)水作功、導(dǎo)葉C 對(duì)葉輪B 的出流進(jìn)行整流，以便把徑向流動(dòng)和周向流動(dòng)盡可能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動(dòng)，最后通過(guò)漸縮型的噴口D 高速噴出，從而獲得推進(jìn)力。轉(zhuǎn)向和倒車(chē)機(jī)構(gòu)G 則用于改變水流的方向。需要特別指出的是：噴水推進(jìn)器通過(guò)葉輪和導(dǎo)葉的水力匹配設(shè)計(jì)來(lái)產(chǎn)生軸向射流以獲得推進(jìn)作用，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)可使射流中的軸向動(dòng)能占噴口水流總動(dòng)能的98%～99%。噴水推進(jìn)極高比例的軸向射流，是其他任何船舶推進(jìn)器都不具備的優(yōu)點(diǎn)，這正是噴水推進(jìn)器推進(jìn)效率高于其他船舶推進(jìn)器的基本原因。圖8 示出了噴水推進(jìn)器軸向流產(chǎn)生的流動(dòng)原理。

圖7 噴水推進(jìn)器的主要結(jié)構(gòu)部件Fig.7 Main components of a waterjet

圖8 水流在葉輪和導(dǎo)葉體中的流動(dòng)Fig.8 Water flow in waterjet's impeller and stator

噴水推進(jìn)器有很多具體結(jié)構(gòu)形式，在此通過(guò)實(shí)例來(lái)做若干說(shuō)明：

1）圖7 所示的噴水推進(jìn)器是先葉輪作功、后導(dǎo)葉整流來(lái)產(chǎn)生軸向射流。工程應(yīng)用中也有先由前置導(dǎo)葉給泵進(jìn)流一個(gè)預(yù)旋，再由后置葉輪逆預(yù)旋方向?qū)λ鞴Γ@樣的設(shè)計(jì)同樣能得到軸向射流的噴水推進(jìn)器。圖9 所示蛙人輸送器的噴水推進(jìn)器就采用了導(dǎo)葉在前、葉輪在后的結(jié)構(gòu)形式。

圖9 蛙人輸送器的螺旋槳推進(jìn)和噴水推進(jìn)Fig.9 Frogmen conveyor propelled by propeller and waterjet

2）由圖7 和圖9 的比較可知，噴水推進(jìn)器不一定需要進(jìn)水流道，換句話說(shuō)，進(jìn)水流道不是噴水推進(jìn)器的必要組成部分。

3）目前國(guó)內(nèi)外大量使用的艉板式噴水推進(jìn)器，設(shè)計(jì)航速時(shí)其噴口是在水面（水上）噴射水流，但也有例外，如美國(guó)海軍21世紀(jì)初資助Rolls-Royce公司開(kāi)發(fā)的浸沒(méi)式噴水推進(jìn)器（圖10）。該噴水推進(jìn)器安裝在船尾底部，它在船底吸水，噴水推進(jìn)器作功后又在船底噴水［12］。當(dāng)時(shí)美國(guó)海軍研發(fā)該型噴水推進(jìn)器的初衷是既提高推進(jìn)效率又降低水下輻射噪聲，事實(shí)上這兩個(gè)目標(biāo)都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

圖10 美國(guó)海軍全電力推進(jìn)試驗(yàn)艦上安裝的浸沒(méi)式噴水推進(jìn)器Fig.10 Sub-waterjet equipped in a full electric propulsion testing ship of US navy

4）德國(guó)Voith 公司近年推出了一種水下噴水推進(jìn)器The Voith Linear Jet（圖11），它本質(zhì)上是浸沒(méi)式無(wú)流道的噴水推進(jìn)器，由前置4 葉葉輪、后置7葉導(dǎo)葉組成。圖12是模型尺度的浸沒(méi)式無(wú)流道噴水推進(jìn)器，由前置5 葉葉輪、后置7 葉導(dǎo)葉組成［13］。

圖11 前置葉輪、后置導(dǎo)葉的Voith Linear Jet浸沒(méi)式噴水推進(jìn)器Fig.11 Voith Linear Jet with front-installed impeller and rear-mounted stator used for sub-waterjet

圖12 船模試驗(yàn)用的浸沒(méi)式噴水推進(jìn)器（5 葉前置葉輪、7 葉后置導(dǎo)葉）Fig.12 Testing model of sub-waterjet（front-installed impeller of 5 blades，rear-mounted stator of 7 blades）

5）國(guó)外舷外機(jī)推進(jìn)器已由螺旋槳推進(jìn)演變成噴水推進(jìn)（圖13）。圖14 中水流首先由前置紅色（深色）的葉輪對(duì)其作功、然后由后置黃色（淺色）的導(dǎo)葉整流，最后從噴口射出。

圖13 螺旋槳舷外機(jī)和噴水推進(jìn)舷外機(jī)Fig.13 Outboard propeller and waterjet

圖14 噴水推進(jìn)舷外機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（藍(lán)色為導(dǎo)管支撐架，紅色為4 葉葉輪，黃色為8 葉導(dǎo)葉）Fig.14 Internal structure of outboard waterjet（blue for duct supporting，red for 4-blade impeller，yellow for 8-blade stator）

1.3 噴水推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

噴水推進(jìn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）推進(jìn)效率高于螺旋槳。以前有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，高速時(shí)噴水推進(jìn)的效率高于螺旋槳，中低速時(shí)低于螺旋槳。我們的設(shè)計(jì)和研究結(jié)果表明，該觀點(diǎn)不正確。僅舉某低速平臺(tái)兩種推進(jìn)器的比較例子。圖9 所示蛙人輸送器的設(shè)計(jì)航速為2 kn，我室所設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)器的推進(jìn)效率遠(yuǎn)高于原先已使用的導(dǎo)管螺旋槳。

2）航速越高越不容易空化，故非常適合高速推進(jìn)。

3）水下輻射噪聲遠(yuǎn)低于螺旋槳。

4）功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣推進(jìn)功率前提下，其標(biāo)稱(chēng)直徑明顯小于螺旋槳。

5）安裝艉板式噴水推進(jìn)器的船體具有優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性，其回轉(zhuǎn)半徑和緊急停車(chē)距離均遠(yuǎn)小于同尺度的螺旋槳推進(jìn)。

6）艉板式噴水推進(jìn)適合于淺水航行。

7）具有轉(zhuǎn)向和倒車(chē)機(jī)構(gòu)的2 臺(tái)艉板式噴水推進(jìn)器能構(gòu)成矢量推進(jìn)，可為所在船提供優(yōu)異的操縱性。

8）艉板式噴水推進(jìn)的主機(jī)負(fù)荷對(duì)航速不敏感，故其主機(jī)相對(duì)壽命高于螺旋槳船主機(jī)。

9）“舵—槳—車(chē)”三合一，便于船廠安裝和調(diào)試。

10）噴水推進(jìn)器內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)葉輪不像螺旋槳那樣外裸，在前置導(dǎo)葉（無(wú)進(jìn)水流道時(shí)）或進(jìn)水流道入口處（有進(jìn)水流道時(shí)）安裝格柵，有助于保護(hù)葉輪，使其不易損壞。

11）噴水推進(jìn)器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉輪對(duì)水中人員和水中生物無(wú)直接傷害作用，比螺旋槳更安全、環(huán)保。

1.4 噴水推進(jìn)的缺點(diǎn)

毋庸諱言，噴水推進(jìn)也有缺點(diǎn)。其水力部件多，包括流道的進(jìn)水口及格柵、進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉和噴口。只有對(duì)水力部件進(jìn)行有機(jī)集成才能保證噴水推進(jìn)器優(yōu)異的推進(jìn)性能，故水力設(shè)計(jì)難度大、制造成本高，價(jià)格昂貴。工作時(shí)進(jìn)水流道和噴水推進(jìn)器內(nèi)的水流重量增大了船的排水量，對(duì)快速性有負(fù)面影響。

2 泵噴推進(jìn)器

2.1 泵噴推進(jìn)器的定義

先回顧國(guó)外有關(guān)泵噴的論述，再提出作者對(duì)泵噴推進(jìn)器的定義并舉例說(shuō)明。

維基百科將泵噴推進(jìn)和噴水推進(jìn)放在同一個(gè)詞條［14］予以定義：“A pump-jet，hydrojet，or water jet is a marine system that creates a jet of water for propulsion. The mechanical arrangement may be a ducted propeller（axial-flow pump），a centrifugal pump，or a mixed flow pump which is a combination of both centrifugal and axial designs. The design also incorporates an intake to provide water to the pump and a nozzle to direct the flow of water out of the pump.”

譯成中文為：泵噴推進(jìn)器，水力噴射器，噴水推進(jìn)器，是一個(gè)通過(guò)水射流來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)的船舶系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)配置可能是一個(gè)導(dǎo)管式推進(jìn)器（軸流泵）、離心泵或混流泵，也可配有進(jìn)水流道和噴口。

該定義已提煉出噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的共性——“靠水的射流來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)”，并指出了推進(jìn)泵的3 種類(lèi)型，但沒(méi)有說(shuō)明噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的特性或區(qū)別。

文獻(xiàn)［15］給出的泵噴推進(jìn)器的定義如下：

“A pumpjet is a rotating hydrodynamic propulsor operating in a close-fitting casing or shroud. It is the hydraulic counterpart of the ducted-fan engine used for aircraft propulsion. The principal difference between a pumpjet and a propeller is the manner in which the fluid flows through the propulsor. The stream of flow through the pumpjet is made to depart from the‘natural’or free- stream surface that bounds the flow through a standard propeller. The general form of the departure from the free-stream surface is shown in Fig.15.”

該定義意譯為：泵噴推進(jìn)器是一個(gè)管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)水力推進(jìn)器，有點(diǎn)像飛機(jī)涵道式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，但它是液力結(jié)構(gòu)。泵噴推進(jìn)器和螺旋槳工作原理上的差別在于流體流過(guò)推進(jìn)器的方式。流過(guò)泵噴推進(jìn)器的流場(chǎng)特意設(shè)計(jì)成背離螺旋槳自由流界面。泵噴推進(jìn)器流場(chǎng)離開(kāi)螺旋槳自由流界面的形狀如圖15 所示。（圖中管道內(nèi)虛線指螺旋槳流場(chǎng)界面，實(shí)線指導(dǎo)管內(nèi)壁面為泵噴流場(chǎng)界面）。

圖15 泵噴推進(jìn)器內(nèi)部流場(chǎng)和螺旋槳流場(chǎng)的差別［15］Fig.15 Comparison through a pumpjet and a propeller［15］

該定義只側(cè)重于泵噴推進(jìn)器外形以及為抑制空化所采用的減速導(dǎo)管流場(chǎng)與螺旋槳流場(chǎng)的差別。

文獻(xiàn)［16］這樣闡述泵噴：“The pumpjet is essentially an axial turbine pump consisting of a duct or shroud surrounding a fixed stator with radial slots that twist the direction of water flow and a rotor with more blades than a conventional propeller. This cylinder arrangement increases propulsive efficiency and lowers noise by reducing tip vortices. The pumpjet on the Navy's Seawolf is both quieter and more efficient than an open propeller.”

其中文意思為：泵噴推進(jìn)器基本上是軸流渦輪泵。其由3 部分組成：一是管道或?qū)Ч?；二是固定的?dǎo)葉，由它構(gòu)成了徑向槽，導(dǎo)葉的作用扭曲了水流動(dòng)的方向；三是旋動(dòng)的轉(zhuǎn)子，其葉片比常規(guī)的螺旋槳葉片多。該種結(jié)構(gòu)布置提高了推進(jìn)效率并通過(guò)減少梢渦降低了噪聲。美國(guó)海軍“海狼”級(jí)核潛艇的泵噴推進(jìn)器比敞開(kāi)式螺旋槳更安靜并且更高效。

該文獻(xiàn)對(duì)泵噴推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的描述沒(méi)有概括其所有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且噴水推進(jìn)器也具有它所說(shuō)的3 個(gè)組成部分。

類(lèi)似于前面提出的噴水推進(jìn)定義，作者建議對(duì)泵噴推進(jìn)器定義如下：由管道內(nèi)的葉輪和導(dǎo)葉共同作用、在噴口產(chǎn)生射流、以低噪聲（聲隱身性）作為第一設(shè)計(jì)目標(biāo)的船舶推進(jìn)器，稱(chēng)為泵噴推進(jìn)器。

2.2 泵噴推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)形式

因?yàn)楸脟娡七M(jìn)器最早發(fā)明和應(yīng)用于魚(yú)雷，故先介紹魚(yú)雷泵噴推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，然后再介紹其他泵噴推進(jìn)器。

圖16［14］所示為美國(guó)Mark 50 魚(yú)雷使用的泵噴推進(jìn)器。流經(jīng)魚(yú)雷雷體前段的水流進(jìn)入泵噴推進(jìn)器后，先由旋轉(zhuǎn)葉輪作功、然后經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉整流，最后沿減縮型噴口射出從而獲得推進(jìn)力。該泵噴推進(jìn)器采用的是前置葉輪、后置導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)。為了降低葉輪上的負(fù)載、避免空化、降低噪聲，該泵噴推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)葉輪11 葉（圖16 中呈金黃色的葉片）、靜止導(dǎo)葉13 葉（圖16 中呈淺灰色的葉片），明顯比前述應(yīng)用案例中多。當(dāng)然，該魚(yú)雷泵噴推進(jìn)器設(shè)計(jì)還采用了其他降噪措施。

圖16 Mark 50 魚(yú)雷使用的泵噴推進(jìn)器Fig.16 Pumpjet for Mark 50 torpedo

美國(guó)早期設(shè)計(jì)的潛艇泵噴推進(jìn)器（圖17）也采用前置葉輪、后置導(dǎo)葉的水力結(jié)構(gòu)。該潛艇泵噴推進(jìn)器進(jìn)流處有導(dǎo)管支撐架，目的是由前置的導(dǎo)管支撐架連同后置導(dǎo)葉共同支撐十分笨重的導(dǎo)管。

這種前置葉輪、后置導(dǎo)葉的泵噴推進(jìn)器結(jié)構(gòu)帶來(lái)了振動(dòng)、噪聲增強(qiáng)的問(wèn)題：水流被葉輪作功后獲得高速、高壓，然后直接沖擊在后置導(dǎo)葉上。這種沖擊作用既導(dǎo)致導(dǎo)葉表面流激直發(fā)聲顯著增大，也導(dǎo)致導(dǎo)葉振動(dòng)進(jìn)而使推進(jìn)器結(jié)構(gòu)聲明顯增強(qiáng)。后來(lái)研發(fā)的現(xiàn)代潛艇泵噴推進(jìn)器設(shè)計(jì)就開(kāi)始采用前置導(dǎo)葉、后置葉輪的結(jié)構(gòu)形式。從流體流動(dòng)原理可知，前置導(dǎo)葉給進(jìn)流一個(gè)預(yù)旋，后置葉輪反預(yù)旋方向?qū)λ鞴?，此時(shí)的水流沿軸向從噴口射出進(jìn)而獲得推進(jìn)作用。該“前置導(dǎo)葉、后置葉輪”結(jié)構(gòu)消除了“前置葉輪、后置導(dǎo)葉”結(jié)構(gòu)所具有的流激直發(fā)聲大、導(dǎo)葉振動(dòng)所致結(jié)構(gòu)噪聲也大的雙重缺點(diǎn)。當(dāng)然，導(dǎo)葉前置時(shí)，后置葉輪的推力載荷更大，葉輪自身的流固耦合振動(dòng)噪聲會(huì)明顯增大，因而帶來(lái)了尚需進(jìn)一步解決的新問(wèn)題。

圖17 美國(guó)早期泵噴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.17 Structure of early American pumpjet design

3 噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的異同

3.1 共同點(diǎn)

二者均屬泵類(lèi)推進(jìn)器（都是葉片式水泵），都由管道內(nèi)的旋轉(zhuǎn)葉輪和靜止導(dǎo)葉2 個(gè)部件組成，都是通過(guò)葉輪和導(dǎo)葉對(duì)流體的共同作用，在噴口產(chǎn)生軸向射流，從而獲得推進(jìn)力。

3.2 不同點(diǎn)

將快速性作為第一設(shè)計(jì)指標(biāo)，追求的是推進(jìn)器的高效率、大推力，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果為噴水推進(jìn)器；將聲隱身性作為第一設(shè)計(jì)指標(biāo)，追求的是推進(jìn)器的低噪聲、安靜性，這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果為泵噴推進(jìn)器。

舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明兩者的轉(zhuǎn)化關(guān)系。假設(shè)某小型船舶使用The Voith Linear Jet 水下噴水推進(jìn)器，一般情況下4 葉葉輪、7 葉導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)配置就可以保證無(wú)空化高效率推進(jìn)。但是，如果這樣的結(jié)構(gòu)配置用于潛艇，就會(huì)產(chǎn)生致命問(wèn)題：葉輪和導(dǎo)葉流體力將誘發(fā)低頻強(qiáng)線譜。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，推進(jìn)器會(huì)出現(xiàn)4 個(gè)或4×7=28 個(gè)的脈動(dòng)推力和脈動(dòng)力矩，所對(duì)應(yīng)的低頻強(qiáng)線譜不僅噪聲強(qiáng)，而且傳播距離遠(yuǎn)，對(duì)聲隱身不利。為了改善該種情況，需要將葉輪葉片數(shù)增加到9～11，導(dǎo)葉葉片數(shù)增加到15～19，并采用前置導(dǎo)葉、后置葉輪結(jié)構(gòu)，增大導(dǎo)葉和葉輪的間距以降低它們間的流體相互作用，葉輪采用側(cè)斜等措施。改變后的推進(jìn)器的低頻強(qiáng)線譜會(huì)顯著降低，不但流激直發(fā)聲顯著降低，而且結(jié)構(gòu)噪聲也會(huì)明顯降低，但此時(shí)推進(jìn)器的效率就顯著降低了，這時(shí)的推進(jìn)器是泵噴推進(jìn)器而不是噴水推進(jìn)器了。

3.3 有關(guān)二者具體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步說(shuō)明

1）無(wú)法用葉輪和導(dǎo)葉誰(shuí)在前、誰(shuí)在后來(lái)區(qū)分噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器。噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器都有葉輪在前、導(dǎo)葉在后的具體結(jié)構(gòu)（圖2 是Kamewa 公司S2 系列、水面艦船用的葉輪在前、導(dǎo)葉在后的噴水推進(jìn)器，圖18 是前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)建造的世界上第1 艘常規(guī)潛艇的泵噴推進(jìn)器，也是葉輪在前、導(dǎo)葉在后的結(jié)構(gòu)），也都有導(dǎo)葉在前、葉輪在后的具體結(jié)構(gòu)。圖9 是作者所在研究室為某蛙人輸送器設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉在前、葉輪在后的噴水推進(jìn)器，圖19 是作者所在研究室為某蛙人輸送艇設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉在前、葉輪在后的泵噴推進(jìn)器。

圖18 “基洛”級(jí)潛艇B-871 Alrosa 號(hào)在干船塢檢修時(shí)的泵噴推進(jìn)器（前置11 葉葉輪、后置7 葉導(dǎo)葉）Fig.18 Kilo class submrines B-871 Alrosa in the dry dock and its pumpjet（front 11-blade impeller，rear 7-blade stator）

圖19 某蛙人輸送艇的泵噴推進(jìn)器（前置11 葉導(dǎo)葉，后置9 葉葉輪）Fig.19 A frogman conveying submarine with pumpjet（front 11-blade impeller and rear 9-blade stator）

2）無(wú)法用內(nèi)流場(chǎng)和內(nèi)外流場(chǎng)來(lái)區(qū)分噴水推進(jìn)器與泵噴推進(jìn)器。噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器都有內(nèi)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。例如：圖2 是內(nèi)流場(chǎng)的噴水推進(jìn)器；將圖19 所示的外置式（懸掛式）泵噴推進(jìn)器內(nèi)置于潛艇尾部并配置2 個(gè)進(jìn)水流道或4 個(gè)進(jìn)水流道和1 個(gè)出水流道時(shí)就是內(nèi)流場(chǎng)泵噴推進(jìn)器（圖20）。下文將要介紹的多航態(tài)蛙人輸送艇泵類(lèi)推進(jìn)器也是一個(gè)內(nèi)流場(chǎng)泵噴推進(jìn)器。噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器也都有內(nèi)外流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，圖9～圖14是內(nèi)外流場(chǎng)的噴水推進(jìn)器，圖16～圖19 是內(nèi)外流場(chǎng)的泵噴推進(jìn)器。

圖20 潛艇內(nèi)置式無(wú)軸泵噴推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.20 Structure diagram of built-in shaftless pumpjet of submarine

3）無(wú)法用加速導(dǎo)管和減速導(dǎo)管來(lái)區(qū)分噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器。如圖17 所示導(dǎo)管，既可以設(shè)計(jì)成加速導(dǎo)管，也可以設(shè)計(jì)成減速導(dǎo)管。有人說(shuō)泵噴推進(jìn)器為避免空化必須采用減速導(dǎo)管，事實(shí)上也有采用加速導(dǎo)管但泵噴推進(jìn)器在整個(gè)工作范圍都沒(méi)有空化的。因此，作者認(rèn)為，采用減速導(dǎo)管是避免葉輪空化的技術(shù)措施之一，但不是唯一的技術(shù)措施。

4 多航態(tài)蛙人輸送艇泵類(lèi)推進(jìn)器的分類(lèi)

有讀者可能會(huì)提出，快速性和聲隱身性對(duì)艦船推進(jìn)性能同等重要；在同等重要設(shè)計(jì)原則下的泵類(lèi)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)結(jié)果，它屬于噴水推進(jìn)器還是泵噴推進(jìn)器呢？下面以一個(gè)案例來(lái)回答該問(wèn)題。

美國(guó)“多用途戰(zhàn)斗艇”（Multi-Role Combatant Craft，MRCC［17］）是應(yīng)美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部要求由美國(guó)司蒂德公司研制開(kāi)發(fā)的。該MRCC 既能在海面上高速行駛，又能夠下潛到水下一定深度低速航行。它常用于海軍陸戰(zhàn)隊(duì)執(zhí)行特殊任務(wù)或特種部隊(duì)蛙人的輸送。從基地或母船到執(zhí)行任務(wù)海域的航渡過(guò)程中，該艇首先采用水面高速航行（30～35 kn），接近任務(wù)海域時(shí)為提高隱蔽性，采用半潛航行（5.5 kn），然后采用水下航行（2～5 kn）隱蔽抵達(dá)任務(wù)海區(qū)，最后采用坐海底或懸浮航態(tài)來(lái)釋放蛙人和特種裝備以執(zhí)行特殊任務(wù)。

為探索快速性和聲隱身性兼優(yōu)，適合于水上水下航行快捷切換、工作可靠的多航態(tài)艇（類(lèi)似于MRCC）推進(jìn)裝置，作者提出了“合二為一”的泵類(lèi)推進(jìn)裝置（圖21）：水上或半潛航行時(shí)，離合器結(jié)合，增壓柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)泵類(lèi)推進(jìn)器，推進(jìn)電機(jī)不工作而作為旋轉(zhuǎn)慣量置于傳動(dòng)系統(tǒng)中空轉(zhuǎn)；水下航行時(shí)，離合器脫開(kāi)，柴油機(jī)不工作，電池向推進(jìn)電機(jī)供電以驅(qū)動(dòng)泵類(lèi)推進(jìn)器。

圖21 多航態(tài)艇的“二合一”泵類(lèi)推進(jìn)器配置圖Fig.21 Pump-type propulsor plant for multi-navigation craft

作者所在研究室為該多航態(tài)艇設(shè)計(jì)了既滿足水上設(shè)計(jì)航速30 kn 高速、高效航行，又滿足水下設(shè)計(jì)航速5 kn 低噪聲航行（如流激直發(fā)聲不高于115 dB）的泵類(lèi)推進(jìn)器（圖22～圖23）。

圖22 泵及流道內(nèi)部流動(dòng)情況Fig.22 Streamlines in pump& duct

設(shè)計(jì)人員首先為水面30 kn 工況設(shè)計(jì)了噴水推進(jìn)器，對(duì)實(shí)尺度“艇+進(jìn)水流道+噴水推進(jìn)器”系統(tǒng)進(jìn)行水面30 kn 的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)，獲知所設(shè)計(jì)噴水推進(jìn)器在水面30 kn 時(shí)無(wú)空化、推進(jìn)效率滿足設(shè)計(jì)要求。然后進(jìn)行實(shí)尺度“艇+進(jìn)水流道+噴水推進(jìn)器”系統(tǒng)水下5 kn 的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)，獲知該噴水推進(jìn)器在水下5 kn 時(shí)無(wú)空化、推進(jìn)效率也滿足設(shè)計(jì)要求。最后，再進(jìn)行實(shí)尺度“艇+進(jìn)水流道+噴水推進(jìn)器”系統(tǒng)水下5 kn 的非定常流場(chǎng)計(jì)算和流激直發(fā)聲計(jì)算，發(fā)現(xiàn)流激直發(fā)聲達(dá)119.5 dB，不滿足115 dB 的設(shè)計(jì)要求，所以該噴水推進(jìn)器需進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)以降低流激直發(fā)聲。

圖23 多航態(tài)蛙人輸送艇的泵類(lèi)推進(jìn)器裝配圖Fig.23 Assembly drawing of pump-type propulor of multi-navigation craft

上述過(guò)程表明，以水面30 kn 作為設(shè)計(jì)工況、并且考慮若干降噪措施（如葉輪7 葉，導(dǎo)葉12 葉）后，仍不能滿足水下5 kn 航行時(shí)的115 dB 噪聲性能，尚需將泵噴設(shè)計(jì)中的更多降噪措施運(yùn)用到該噴水推進(jìn)器的聲學(xué)性能改進(jìn)上。改進(jìn)設(shè)計(jì)后所得的不再是噴水推進(jìn)器而是泵噴推進(jìn)器，因?yàn)檫@個(gè)泵類(lèi)推進(jìn)器保證快速性易、保證噪聲性能難，最終的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何保證噪聲性能的實(shí)現(xiàn)。

僅舉一個(gè)措施來(lái)說(shuō)明如何進(jìn)一步降低流激直發(fā)聲：該噴水推進(jìn)器初始設(shè)計(jì)采用了葉輪在前、導(dǎo)葉在后的結(jié)構(gòu)，這是出于提高效率的考慮；但這種結(jié)構(gòu)的弊端是流激直發(fā)聲大，即前置葉輪對(duì)水作功后高速、高壓流體沖擊在后置導(dǎo)葉上，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉上的流激直發(fā)聲顯著增大。針對(duì)這一結(jié)構(gòu)弊端，采取了降低動(dòng)、靜部件間流場(chǎng)強(qiáng)耦合的措施，比如加大葉輪和導(dǎo)葉之間的軸向距離。這就減小了葉輪和導(dǎo)葉間的流場(chǎng)強(qiáng)耦合，有利于降低直發(fā)聲。當(dāng)然，這會(huì)造成粘性流動(dòng)路徑變長(zhǎng)、流體流動(dòng)損失增加，降低泵噴推進(jìn)器的水力效率。

采用多項(xiàng)降噪措施后，最終所得新泵噴推進(jìn)器水下5 kn 時(shí)的靜件聲級(jí)110.02 dB，動(dòng)件聲級(jí)109.87 dB，泵噴直發(fā)聲113.82 dB。然后，設(shè)計(jì)者又重新校驗(yàn)了該新泵噴推進(jìn)器水面30 kn、水下5 kn 的推進(jìn)性能，發(fā)現(xiàn)均滿足要求。

多航態(tài)蛙人輸送艇泵類(lèi)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)過(guò)程和結(jié)果表明，在快速性和聲隱身性同時(shí)有較高設(shè)計(jì)要求的工程應(yīng)用中，哪個(gè)設(shè)計(jì)難度大就以哪個(gè)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)命名。因水下5 kn 時(shí)115 dB的聲學(xué)設(shè)計(jì)難度大于水上30 kn 的快速性設(shè)計(jì)難度，所以設(shè)計(jì)結(jié)果是泵噴推進(jìn)器而不是噴水推進(jìn)器（雖然設(shè)計(jì)者最初采用的水力結(jié)構(gòu)是噴水推進(jìn)器的一般形式）。

5 國(guó)外泵類(lèi)推進(jìn)器若干命名的點(diǎn)評(píng)

SCHOTTEL 公司將圖24 所示離心式噴水推進(jìn)器稱(chēng)為Pumpjet［18］。由于該推進(jìn)器沒(méi)有低噪聲設(shè)計(jì)要求，主要是保證所在平臺(tái)的操縱性和機(jī)動(dòng)性，故稱(chēng)其為噴水推進(jìn)器（Waterjet）更名副其實(shí)。

國(guó)外將圖13 和圖14 所示的舷外機(jī)噴水推進(jìn)器稱(chēng)為Pumpjet［19］。由于這種推進(jìn)器設(shè)計(jì)只需考慮高效率、大推力的快速性要求，和低噪聲無(wú)任何關(guān)聯(lián)。故稱(chēng)其為噴水推進(jìn)更貼切。有人將圖13和圖14 所示的推進(jìn)器稱(chēng)為Outboard Jets［20］，譯成中文為“舷外噴射推進(jìn)器”，這較為名副其實(shí)。

6 結(jié) 語(yǔ)

噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器依靠其管道內(nèi)的葉輪和導(dǎo)葉的水力匹配設(shè)計(jì)所形成的噴口軸向射流產(chǎn)生推進(jìn)力，噴口軸向流能量能達(dá)到噴口出流總動(dòng)能的98%～99%，因而它們都具有很高的推進(jìn)效率。

人類(lèi)運(yùn)用自身高超的智慧和創(chuàng)造力已設(shè)計(jì)并應(yīng)用了各種各樣的噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器，若想通過(guò)其具體的結(jié)構(gòu)來(lái)定義和分類(lèi)，結(jié)果都會(huì)掛一漏萬(wàn)，故作者建議從共性提煉和特性區(qū)分來(lái)定義它們。噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器都是水泵，都由管道內(nèi)的葉輪和導(dǎo)葉所組成，都是通過(guò)葉輪和導(dǎo)葉的水力匹配設(shè)計(jì)在噴口產(chǎn)生軸向射流而獲得推進(jìn)力。它們的區(qū)別在于：噴水推進(jìn)器將保證快速性，即高效率、大推力的無(wú)空化推進(jìn)作為第一設(shè)計(jì)目標(biāo)；泵噴推進(jìn)器將保證聲隱身性，即低噪聲、安靜性作為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。

據(jù)此，作者提出了噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的定義：由管道內(nèi)葉輪和導(dǎo)葉共同作用，在噴口產(chǎn)生射流，以快速性作為第一設(shè)計(jì)目標(biāo)的船艇推進(jìn)器稱(chēng)為噴水推進(jìn)器；以低噪聲（聲隱身性）作為第一設(shè)計(jì)目標(biāo)的船艇推進(jìn)器稱(chēng)為泵噴推進(jìn)器。

該定義能涵蓋所有泵類(lèi)推進(jìn)器的分類(lèi)，能準(zhǔn)確區(qū)分且無(wú)一例外。當(dāng)然，當(dāng)有更新的泵類(lèi)產(chǎn)品問(wèn)世且本定義無(wú)法涵蓋時(shí)則本定義應(yīng)再完善。

致 謝

本文撰寫(xiě)是基于所指導(dǎo)的博碩士研究生的有關(guān)研究工作，他們是：丁鐘江、丁江明、劉承江、黃斌、蘇永生、段向陽(yáng)、孫存樓、楊瓊方、常書(shū)平、魏應(yīng)三、靳栓寶、付建、吳森、李翔、李堅(jiān)波、曾文德、聶沛軍、王紹增、孫銘澤、李斌、丁科、李劍、謝天宇、王彬彬、劉強(qiáng)、易文彬、彭云龍、曹玉良、張明宇、仝博、王小二、李留洋、柯亮、魏春陽(yáng)、蔣超、吳湘榮、陳天福。值得一提的是，彭云龍博士所完成的噴水推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器的10 多項(xiàng)出色設(shè)計(jì)及深入研究，為本文撰寫(xiě)提供了詳實(shí)的素材。在此一并表示衷心感謝！