多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計對噴水推進(jìn)組合體水力性能的影響

張巖，王路逸，鐘錦情，龍云*

(1.中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七〇八研究所噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實驗室，上海 200011；2．上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；3．江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

隨著高性能船舶的發(fā)展，噴水推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛[1-3].噴水推進(jìn)泵利用推進(jìn)泵噴出水流的反作用力推動船舶前進(jìn)，噴水推進(jìn)裝置主要包括2種形式，分別為內(nèi)置式和外懸式.內(nèi)置式噴水推進(jìn)裝置安裝在船體內(nèi)部，主要應(yīng)用于高速船舶，其效率大大超過螺旋槳.外懸式噴水推進(jìn)裝置外形類似導(dǎo)管槳，安裝在具有隧道尾部線形的工程船舶上，具有吃水淺、推力大的特點(diǎn).

噴水推進(jìn)泵的泵殼懸掛于船尾，為具有回轉(zhuǎn)體外形的對稱筒狀體，其縱剖面為機(jī)翼型.它的作用在于分割流場，增加推力，并為動葉輪提供良好的工作環(huán)境.軸支架具有梳整來流的作用，文中將原先軸支架的支撐板橫剖面設(shè)計為機(jī)翼翼型，從而優(yōu)化傳統(tǒng)軸支架的形式，其目的是通過改善葉輪入口來流，提高推進(jìn)泵效率.動葉輪是整個裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的主要部件，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成水流動能.導(dǎo)葉體可梳整動葉輪后的尾流，使葉輪的周向誘導(dǎo)速度用于推進(jìn).導(dǎo)葉體后面是噴口，合適的噴口直徑能夠使主機(jī)和泵得以良好匹配并在各種航態(tài)下充分發(fā)揮主機(jī)功率[4].噴水推進(jìn)組合體是否具有高推進(jìn)效率，一方面與組合體的水動力部件有關(guān)，泵本身要有高的效率，這與動葉輪有關(guān)，另一方面考慮到安裝組合體的船舶工作環(huán)境為低速、重載，需對推進(jìn)泵的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確定合理的工況.

一般情況下，噴水推進(jìn)泵的設(shè)計主要通過優(yōu)化葉輪和導(dǎo)葉來保證高速運(yùn)行的高效率.目前已有國內(nèi)外學(xué)者對噴水推進(jìn)泵開展大量研究.龍云[5]基于正設(shè)計和反設(shè)計方法對噴水推進(jìn)泵水力部件的多參數(shù)自動耦合進(jìn)行優(yōu)化，并針對噴水推進(jìn)泵開展了大量的空化流態(tài)機(jī)理試驗研究.郝宗睿等[6]基于改進(jìn)粒子群算法對推進(jìn)泵葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計.蔡佑林等[7]提出了一種用于噴水推進(jìn)收縮流泵導(dǎo)葉水力設(shè)計的三元可控速度矩方法，并驗證了其優(yōu)化效果.常書平等[8]通過改變導(dǎo)邊與隨邊位置研究了其對噴水推進(jìn)泵性能的影響.張?zhí)煨械萚9]采用正交試驗法分析了轉(zhuǎn)子葉片數(shù)、定子葉片數(shù)及定子安裝角度對噴水推進(jìn)器性能的影響.KIM等[10]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究了采用不同葉輪直徑的噴水推進(jìn)泵水力性能.此外，也有針對噴水推進(jìn)泵進(jìn)口流道參數(shù)的研究[11-13]，以及在非均勻進(jìn)流條件下噴水推進(jìn)泵進(jìn)流速度場的數(shù)值分析[14].綜上所述，目前的主要研究集中在推進(jìn)泵葉輪的優(yōu)化上，而針對噴水推進(jìn)組合體幾何參數(shù)優(yōu)化對整體裝置性能影響的研究較少.

文中通過調(diào)整軸支架的葉片數(shù)、軸支架葉片的出口安放角度、軸支架與葉輪之間的距離、葉頂間隙等參數(shù)對噴水推進(jìn)組合體水力性能進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用數(shù)值模擬方法對某型噴水推進(jìn)組合體進(jìn)行全流場數(shù)值計算，分析不同工況下軸支架幾何參數(shù)對噴水推進(jìn)泵水力性能的影響.

1 噴水推進(jìn)泵模型與優(yōu)化方案

1.1 泵設(shè)計參數(shù)與水力部件

噴水推進(jìn)泵水力設(shè)計性能參數(shù)分別為額定流量Qd=14.00 m3/s，揚(yáng)程H=9.73 m，轉(zhuǎn)速n=361 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=895.工作介質(zhì)為水，25 ℃.

文中所研究的噴水推進(jìn)組合體屬于外懸式噴水推進(jìn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由噴水推進(jìn)泵和組合舵組成.

圖1 噴水推進(jìn)組合體

泵水力部件主要包括葉輪、軸支架、導(dǎo)葉體、泵殼體、吸入口、出口等，其中葉輪外徑為1 455 mm，葉片數(shù)為4，導(dǎo)葉體葉片數(shù)為5.軸支架本身無翼型，根據(jù)實際工況，重新設(shè)計了翼型形式.

1.2 優(yōu)化方案

選取軸支架葉片數(shù)Z、軸支架葉片出口安放角α、軸支架與葉輪間距S、葉頂間隙s作為變量進(jìn)行方案設(shè)計，以研究各幾何參數(shù)對噴水推進(jìn)泵水力性能的影響.

1.2.1 軸支架葉片數(shù)

原型軸支架葉片數(shù)Z=4，為確定軸支架合適的葉片數(shù)量，在此基礎(chǔ)之上變化為3，5，7，9，見圖2.

圖2 不同葉片數(shù)的軸支架

1.2.2 軸支架出口安放角

軸支架與葉輪匹配，使來流角度與葉輪安放角度形成最佳穩(wěn)定入口流場.為確定適合本方案葉輪的軸支架，以原型出口安放角0°為基礎(chǔ)，分析不同軸支架出口安放角對泵性能和流場的影響，在出口安放角α從[-25°，25°]內(nèi)，每5°選取一個方案，包括原型共11個方案，構(gòu)建軸支架幾何模型如圖3所示.

圖3 不同出口安放角軸支架幾何模型

1.2.3 軸支架與葉輪間距

軸支架與葉輪間距一定程度上決定噴水推進(jìn)組合體的結(jié)構(gòu)布局，為了使推進(jìn)泵在結(jié)構(gòu)緊湊的同時具有較高的推進(jìn)效率，以原型時軸支架與葉輪間距S為基礎(chǔ)點(diǎn)，將S各增大和減小100 mm及200 mm，共5個方案.軸支架與葉輪間距幾何模型如圖4所示.

圖4 軸支架與葉輪間距模型

1.2.4 葉頂間隙

葉頂間隙的存在不僅會降低葉輪的做功效率，同時還可能誘發(fā)葉頂間隙渦空化，對泵性能有重要影響.以原型為基礎(chǔ)點(diǎn)，分別選取葉頂間隙s分別為1.50，2.00，2.50，3.00，3.25，4.00，5.00 mm，如圖5所示.

圖5 葉頂間隙模型

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ANSYS-CFX 19.0前處理軟件Turbogrid和ICEM對葉輪、軸支架、導(dǎo)葉體、出口、吸入口等計算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分.在正式計算之前，對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性檢驗，當(dāng)總網(wǎng)格數(shù)大于1 000萬，揚(yáng)程變化小于0.5%，基于此最終確定的計算網(wǎng)格總數(shù)為10 368 858，計算域整體網(wǎng)格如圖6所示.

圖6 網(wǎng)格劃分

1.4 數(shù)值計算方法

應(yīng)用商用計算流體動力學(xué)軟件ANSYS-CFX 19.0對噴水推進(jìn)泵內(nèi)部流場進(jìn)行定常計算[15].計算介質(zhì)為25 ℃清水，其密度為997 kg/m3，動力黏度為8.899×10-4kg/(m·s).采用SSTk-ω湍流模型，進(jìn)口邊界條件采用壓力進(jìn)口，出口邊界條件采用質(zhì)量出流，壁面邊界條件采用無滑移壁面.葉輪計算域設(shè)置為轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為361 r/min，葉片和輪轂設(shè)置為轉(zhuǎn)動，輪緣壁面速度設(shè)為“Counter Rotating Wall”，導(dǎo)葉、進(jìn)口段和出口段設(shè)置為靜止，轉(zhuǎn)動部件和靜止部件交界面設(shè)置為“Frozen Rotor Interface”.對流項格式選取“High Resolution”，采用預(yù)設(shè)迭代步數(shù)為3 000.

1.5 流場分析

為了充分展示不同幾何參數(shù)下的泵內(nèi)流場，選取葉輪區(qū)域6個不同截面，如圖7所示，其具體坐標(biāo)分別為IM1=5.955，IM2=6.112，IM3=6.269，IM4=6.426，IM5=6.583，IM6=6.740.在進(jìn)行流場分析時重點(diǎn)關(guān)注不同截面的壓力及速度分布云圖.

圖7 裝置內(nèi)部截面示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 軸支架葉片數(shù)對泵水力性能的影響

對原模型泵，在流量0.647Qd到1.121Qd內(nèi)，共選取14個工況點(diǎn)，計算得到泵的揚(yáng)程、效率及功率曲線如圖8所示.

圖8 原型泵性能曲線

由圖8可以看出：隨著流量的增大，揚(yáng)程逐漸下降，流量在0.647Qd時揚(yáng)程為13.71 m，當(dāng)流量增大至1.121Qd時揚(yáng)程為5.74 m；隨著流量的增大，功率逐漸下降，流量在0.647Qd時功率為1 824.84 kW，當(dāng)流量增大至1.121Qd時功率為1 124.81 kW；隨著流量的增大，效率呈先增大后減小趨勢，最大值在設(shè)計工況點(diǎn).

在額定工況下，通過數(shù)值計算得到不同軸支架葉片數(shù)下泵的性能數(shù)據(jù)，進(jìn)而繪制泵的性能曲線，如圖9所示.

圖9 不同軸支架葉片數(shù)時泵的性能變化曲線

由圖9可以看出：隨著葉片數(shù)的增大，效率呈下降趨勢，當(dāng)葉片數(shù)為4時，稍低于整體趨勢線；隨著葉片數(shù)的增大，揚(yáng)程曲線整體呈下降趨勢，當(dāng)葉片數(shù)為4時，下降幅度較大，比葉片數(shù)為5時還要低；隨著葉片數(shù)的增大，功率曲線整體仍呈下降趨勢，但當(dāng)葉片數(shù)為4時，功率是所有方案中最小的，為1 401.51 kW，而葉片數(shù)為9時的功率為1 402.57 kW.

綜上所述，隨著葉片數(shù)的增大，揚(yáng)程、效率和功率曲線整體都呈下降趨勢，但當(dāng)葉片數(shù)從3增大至4時，下降幅度都比整體趨勢線要低.

2.2 軸支架葉片數(shù)對內(nèi)部流動的影響

為了充分展示不同軸支架葉片數(shù)下的泵內(nèi)流場，選取軸支架中間截面的壓力云圖進(jìn)行分析，如圖10所示.可以看出：隨著葉片數(shù)的增大，軸支架中間截面的最高壓力呈下降趨勢；當(dāng)葉片數(shù)為3，5，7，9時，軸支架中截面各流道內(nèi)部的壓力分布明顯不對稱，而相對地，軸支架葉片數(shù)為4的壓力場是對稱分布的.這主要是由于文中所選取的葉輪葉片數(shù)也為4，因此在運(yùn)行過程中，具有相同葉片數(shù)的軸支架與葉輪會使得內(nèi)部具有對稱分布的流動，同時造成較為強(qiáng)烈的動靜干涉，影響整體裝置的水力性能，這也是當(dāng)軸支架葉片數(shù)為4時泵的水力性能發(fā)生陡降的主要原因.這表明葉輪和軸支架葉片數(shù)的匹配，以及葉輪和軸支架之間的動靜干涉對泵的水力設(shè)計至關(guān)重要.

圖10 不同方案下軸支架中間截面壓力分布

2.3 軸支架葉片出口安放角對水力性能的影響

在額定工況下，通過數(shù)值計算得到不同軸支架葉片出口安放角原型泵的性能數(shù)據(jù)，并繪制性能曲線如圖11所示.

圖11 不同軸支架葉片出口安放角時原型泵的性能曲線

由圖11可以看出，隨葉片出口安放角增大，揚(yáng)程曲線與功率曲線呈線性上升趨勢，而效率的變化規(guī)律則出現(xiàn)了較為快速的增長，但隨著安放角的繼續(xù)增大，效率的變化趨勢趨于平緩.

考慮到當(dāng)軸支架葉片數(shù)為4時的特殊情況，有必要研究軸支架葉片出口安放角對推進(jìn)泵水力性能的影響規(guī)律是否在其他軸支架葉片數(shù)時也適用，因此對軸支架葉片數(shù)為3和5的情況進(jìn)行了不同葉片出口安放角的數(shù)值計算，并匯總不同軸支架葉片數(shù)下不同葉片出口安放角的泵揚(yáng)程、效率及功率等數(shù)據(jù)，繪制性能曲線，如圖12所示.

由圖12a可以看出：不同葉片數(shù)時，揚(yáng)程均隨著葉片出口安放角的增大而上升；當(dāng)葉片數(shù)為3時，隨著出口安放角的增大，揚(yáng)程的變化為2.69 m，而葉片數(shù)為4和5時，該值分別為3.57 m和4.13 m.由此可見，隨著葉片數(shù)的增大，出口安放角對泵揚(yáng)程的影響逐漸加劇.

圖12 不同軸支架葉片出口安放角時泵的性能曲線

由圖12b可以看出：不同葉片數(shù)時，效率均隨著葉片出口安放角的增大而上升；當(dāng)出口安放角為10°之后，不同葉片數(shù)的效率相近；當(dāng)葉片數(shù)為3時，隨著出口安放角的增大，效率的變化為0.038，而葉片數(shù)為4和5時，該值分別為0.054和0.063.由此可見，隨著葉片數(shù)的增大，出口安放角對泵效率的影響逐漸加劇.

由圖12c可以看出：不同葉片數(shù)時，功率均隨著葉片出口安放角的增大而上升；當(dāng)葉片數(shù)為3時，隨著出口安放角的增大，功率的變化為378.5 kW，而在葉片數(shù)為4和5時，該值分別為501.62 kW和579.73 kW.由此可見，隨著葉片數(shù)的增大，出口安放角對泵功率的影響逐漸加劇.

2.4 軸支架葉片出口安放角對泵內(nèi)部流動的影響

將軸支架和葉輪內(nèi)的復(fù)雜流動簡化為圓柱面Span=0.9上的流動，圖13為不同軸支架葉片出口安放角時軸支架與葉輪內(nèi)壓力分布.

圖13 不同方案下軸支架與葉輪內(nèi)壓力分布

由圖13可以看出：軸支架的出口安放角在相對于原型減小或增大一定角度時會在葉片彎曲方向靠出口端處壓力增大，在葉片彎曲方向背面靠出口端處壓力下降，彎曲處兩面壓力差增大，增大程度與出口安放角與原型的增減角度大小正相關(guān)；隨著出口安放角的增大，葉輪葉片工作面的壓力逐漸增大，葉輪葉片后的壓力也逐漸增加，吸力面的壓力逐漸下降，從而提高葉輪的做功水平.

圖14為不同軸支架葉片出口安放角時軸支架和葉輪內(nèi)的速度分布，可以看出：軸支架的出口安放角在相對于原型減小或增大一定角度時會在葉片彎曲方向靠出口端處產(chǎn)生一個低速區(qū)域，在葉片彎曲方向背面靠出口端處產(chǎn)生一個高速區(qū)域，彎曲處兩面速度差增大，高低速區(qū)域的面積及增加程度和出口安放角與原型的增減角度大小正相關(guān)；隨著出口安放角的增大，葉輪葉片兩側(cè)的速度梯度有所增加，尤其是在葉輪葉片前緣處，低速區(qū)域逐漸從葉片吸力面靠近工作面，這表明軸支架的出口安放角的增大，顯著優(yōu)化了葉輪葉片入流沖角，降低了葉輪葉片前緣二次流損失，提高了葉輪做功效率；受葉輪將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能影響，在流體流經(jīng)葉輪后，速度差異逐漸減小.

圖14 不同方案下軸支架與葉輪內(nèi)速度分布

綜上所述，軸支架出口安放角相較原型直翼型的增大或減小改變了軸支架出口處的壓力和速度分布，使液流產(chǎn)生了正向或反向的預(yù)旋，在減小軸支架出口安放角時，正向預(yù)旋的產(chǎn)生使得攻角減小，葉輪做功能力下降，揚(yáng)程減??；在增大導(dǎo)葉出口安放角時，反向預(yù)旋的產(chǎn)生使得攻角增大，葉輪做功能力增強(qiáng)，揚(yáng)程增大.軸支架出口安放角影響進(jìn)入葉輪時的壓力和速度分布，但在葉輪的作用下，更多的轉(zhuǎn)變?yōu)榱黧w壓能的變化，即壓力變化，而流體動能的變化即速度變化較小.

2.5 軸支架與葉輪間距對外特性的影響

通過數(shù)值計算得到不同軸支架與葉輪間距下泵的性能數(shù)據(jù)，繪制性能曲線如圖15所示.可以看出：隨著間距增大，揚(yáng)程曲線逐漸上升后趨于平緩；效率曲線先上升后下降，最大值在原基礎(chǔ)點(diǎn)；功率曲線先下降再上升后趨于平緩；軸支架與葉輪之間的距離對泵性能的影響，不管是在揚(yáng)程、效率還是功率上都十分微小，在優(yōu)化方案中，揚(yáng)程極差為0.025 m，效率極差為0.04%，功率極差為5.75 kW.

圖15 不同軸支架與葉輪之間距離下泵性能曲線

2.6 葉頂間隙對外特性的影響

葉頂間隙的存在不僅會降低葉輪的做功效率，還可能誘發(fā)葉頂間隙渦空化，對推進(jìn)泵的性能有重要影響.通過數(shù)值計算得到不同葉頂間隙下推進(jìn)泵的性能數(shù)據(jù)，并繪制泵性能曲線如圖16所示.可以看出，隨葉頂間隙的增大，揚(yáng)程、效率和功率曲線都呈一致的下降趨勢.

圖16 不同葉頂間隙時泵性能曲線

3 結(jié) 論

為研究多參數(shù)對噴水推進(jìn)組合體水力性能的影響，通過對具有不同軸支架葉片數(shù)、軸支架葉片出口安放角、軸支架與葉輪之間距離以及不同葉頂間隙的噴水推進(jìn)組合體進(jìn)行數(shù)值計算，分析了各參數(shù)對噴水推進(jìn)組合體水力性能的影響，得出如下結(jié)論：

1)隨著軸支架葉片數(shù)的增大，揚(yáng)程、效率、功率曲線逐漸降低，其中當(dāng)軸支架葉片數(shù)與葉輪相等時，揚(yáng)程與功率曲線出現(xiàn)驟降.

2)具有相同葉片數(shù)的軸支架與葉輪會使得軸支架流道內(nèi)部呈現(xiàn)對稱分布，造成較為強(qiáng)烈的動靜干涉，影響整體裝置的水力性能與穩(wěn)定性.

3)當(dāng)軸支架葉片出口安放角為[-25°, 25°]時，隨出口安放角的增大，揚(yáng)程曲線與功率曲線呈線性上升的趨勢.

4)隨軸支架與葉輪間距的增大，揚(yáng)程曲線逐漸上升后趨于平緩，功率變化規(guī)律和揚(yáng)程變化規(guī)律一致，效率曲線先上升后下降，最大值在原基礎(chǔ)點(diǎn).在軸支架與葉輪之間存在一定距離時，兩者的距離變化對葉輪的流場分布影響甚微.

5)隨葉頂間隙的增大，葉輪做功效率下降，揚(yáng)程、效率及功率曲線都呈下降趨勢.