噴水推進(jìn)裝置在船上的配置數(shù)與布置研究

周加建，李貴斌，張志遠(yuǎn)，尹曉輝，劉雪琴

(1. 噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011；2. 中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

大功率噴水推進(jìn)裝置已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1]，國內(nèi)正在建造的鋁合金高速客滾船“平潭之星”號(hào)裝備的噴水推進(jìn)裝置單機(jī)已達(dá)到9.1 MW。但國內(nèi)這些船很大一部分都是國外設(shè)計(jì)或整船進(jìn)口的，因?yàn)閲鴥?nèi)很多船舶設(shè)計(jì)師對(duì)噴水推進(jìn)裝置了解還不多，噴水推進(jìn)裝置推力產(chǎn)生的原理和測(cè)試技術(shù)[2-3]，以及在船上的配置數(shù)與布置和常規(guī)螺旋槳存在較大的差異，因此帶來諸多疑問。本文主要探討并回答有關(guān)噴水推進(jìn)裝置選型與裝船應(yīng)用最常見的問題。

1 噴水推進(jìn)裝置的數(shù)量配置

相似的噴水推進(jìn)裝置的功率和空化余量應(yīng)該滿足以下公式：

式中：N1和N2為功率；n1和n2為轉(zhuǎn)速；D1和D2為名義直徑；NPSH1和NPSH2為空化余量。

相似的噴水推進(jìn)裝置若運(yùn)行于相同的航速下，則它們應(yīng)該具備相同的空化余量，那么：

把式（3）代入式（1），可以得到：

假設(shè)把1 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置的功率平均分配給滿足上述要求的m臺(tái)相似的噴水推進(jìn)裝置，即N1=mN2，代入式（4），可以得出：

那么m臺(tái)噴水推進(jìn)裝置和1 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置的重量比為：

根據(jù)式（6），把1 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置功率平均分配給2、3、4 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置，噴水推進(jìn)裝置的總重將下降為原有的約71%，58%，50%。噴水推進(jìn)裝置著名生產(chǎn)商KaMeWa 公司的技術(shù)專家魯爾夫·斯文森（Rolf Svensson）提到過典型的例子，對(duì)一艘40 kn 左右的渡船來說，如果在設(shè)計(jì)時(shí)采用4 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置代替2 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置的話，其總重量(包括噴水推進(jìn)裝置內(nèi)的水)占全船排水量的比例將從6%下降到4.5%[4]。實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)和以上推導(dǎo)分析結(jié)果完全吻合。

根據(jù)式（4），不同數(shù)量噴水推進(jìn)裝置占據(jù)尾板面積相同，但是假如推進(jìn)裝置并排布置，那么根據(jù)式（5），噴水推進(jìn)裝置數(shù)量增加后，需要更大的尾板寬度。相同總功率的1，2，3，4 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置需要尾板寬度之比約為1∶1.4∶1.7∶2。

根據(jù)以上結(jié)論，尾板的面積決定了能安裝多少臺(tái)噴水推進(jìn)裝置，由于“品”字形等疊加的布置方式比較困難且罕見，所以尾板寬度是噴水推進(jìn)裝置布置數(shù)量的最大影響因素。在尾板寬度允許的條件下，應(yīng)該盡量布置更多噴水推進(jìn)裝置以減輕重量。因?yàn)閲娝七M(jìn)裝置位于船的最后端，對(duì)整船重量重心和縱傾的影響也比較大，所以噴水推進(jìn)裝置的數(shù)量對(duì)高速船的快速性有重大影響，需謹(jǐn)慎權(quán)衡抉擇。

2 噴水推進(jìn)裝置的軸線高度

如圖1 所示，噴水推進(jìn)裝置一般安裝于船體尾部艙室，從船底進(jìn)流，穿過尾板向船后噴射，所以噴水推進(jìn)裝置軸線是穿越尾板的，這和螺旋槳船存在較大的差異。

一般要求噴水推進(jìn)裝置的軸線不高于輕載靜吃水線，否則可能影響該噴水推進(jìn)裝置的靜止啟動(dòng)。柴油機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速一般為額定轉(zhuǎn)速的30%左右，軸線不高于靜吃水線時(shí)，可確保噴水推進(jìn)裝置在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)就可以完成自吸和噴水。在工作中，曾接到報(bào)告船在主機(jī)接排時(shí)不噴水的故障，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是船尾的設(shè)備裝載臨時(shí)撤除后導(dǎo)致軸線高于水線的原因。

如果噴水推進(jìn)裝置的軸線過高，就可能需要拉高發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速才能實(shí)現(xiàn)靜止啟動(dòng)，或在航行中借助航速的來流沖壓來完成啟動(dòng)。后一種情況僅針對(duì)用于加速的噴水推進(jìn)裝置。由于提高水位需要額外做功，因此噴水推進(jìn)裝置的軸線若高于水線，將會(huì)降低推進(jìn)效率。

為了在尾板上布置噴水推進(jìn)裝置，隨著軸線淹沒于水線下的深度增加，則要求尾板處的吃水要增加，如圖1 中dA。但尾板吃水對(duì)噴水推進(jìn)船的性能有較大影響，需權(quán)衡設(shè)計(jì)。

圖1 噴水推進(jìn)裝置布置示意圖Fig. 1 Waterjet propulsion unit layout

3 噴水推進(jìn)船的尾板吃水

低速時(shí)，噴水推進(jìn)船尾板后的水流無法隨船體底部和兩舷側(cè)水流向后脫離船體，所以在船尾部形成大量漩渦。這些漩渦和噴射流相互作用，并和伸出尾板的噴水推進(jìn)泵和操舵倒航機(jī)構(gòu)碰撞摩擦，將產(chǎn)生附體阻力。噴水推進(jìn)船如果僅開展阻力船模試驗(yàn)時(shí)，那么船體模型上一般不會(huì)制作出噴水推進(jìn)泵和操舵倒航機(jī)構(gòu)；即使開展自航船模試驗(yàn)，那么船體模型上會(huì)安裝噴水推進(jìn)泵，但一般也不會(huì)安裝操舵倒航機(jī)構(gòu)。目前按照這些試驗(yàn)方法，無法準(zhǔn)確計(jì)入尾板脫水前的附體阻力，最終這些附體阻力可能會(huì)被計(jì)入推力減額中。

當(dāng)航速提高到一定程度，船尾部的水流具有足夠的速度慣性，沿著船體底部和兩舷側(cè)迅速脫離船體，在船尾形成一個(gè)空穴凹陷，這時(shí)噴口噴出的水柱將直接噴在空穴的空氣中，如圖1 所示。

一般認(rèn)為，水線長弗汝德數(shù)Fr>0.4～0.5 以后，方尾船才會(huì)發(fā)生水流突離的尾板脫水現(xiàn)象[5-6]。但Doctors 通過一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以方尾處的吃水dA為長度參數(shù)的弗汝德數(shù)Frd是一個(gè)更為重要的衡量參數(shù)，認(rèn)為方尾船完全脫水的Frd下限值為2.5[7]。尾板吃水弗汝德數(shù)公式為：

式中：Frd為尾板吃水弗勞德數(shù)，無量綱；Vs為船的航速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；dA為尾板處的吃水，m。

減小尾板處的吃水dA有利于尾板盡早脫水，消除噴水推進(jìn)船的附體阻力。

表1 為參與研制的2 艘噴水推進(jìn)船試航時(shí)船尾板脫水情況的觀察對(duì)比。

表1 兩型船尾板脫水時(shí)的參數(shù)比較Tab. 1 Parameter comparison between two ships for transom un-wetting

2 艘船的排水量幾乎相同，A 船的主船體比B 船略長。A 船安裝4 臺(tái)同型噴水推進(jìn)裝置，B 船安裝2 臺(tái)同型噴水推進(jìn)裝置。2 艘船的總裝機(jī)功率相當(dāng)，設(shè)計(jì)航速是B 船略高于A 船。A 船和B 船噴水推進(jìn)裝置尺度之比約為1∶1.5，接近所提的1∶1.4 的比例。由于A 船的噴水推進(jìn)裝置較小，所以它的船尾吃水dA也較小，該船尾板在18 kn 左右就脫水了，此時(shí)長度弗汝德數(shù)Fr還不到0.4，尚處于排水狀態(tài)。其尾板吃水弗汝德數(shù)僅為2.6，逼近Doctors 所述的2.5 下限值。

B 船的主船體要窄很多，無法布置更多噴水推進(jìn)裝置，所以單臺(tái)噴水推進(jìn)裝置的尺寸就比較大，導(dǎo)致船尾吃水較深，尾封板在航速27 kn 時(shí)才完全脫水，這時(shí)船已經(jīng)從排水狀態(tài)進(jìn)入到過渡狀態(tài)了。

分析可知，為使船尾板盡快脫水，噴水推進(jìn)裝置安裝法蘭下方的尾板區(qū)域應(yīng)盡量減少。這樣還會(huì)帶來一個(gè)好處，噴水推進(jìn)裝置倒航時(shí)的噴射水流更少地噴濺到尾板造成倒航力損失，倒航噴射水流與船尾板、船底板的相對(duì)位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 噴水推進(jìn)裝置倒航噴射水流示意圖Fig. 2 Waterjet reversing jet flow

但是噴水推進(jìn)裝置下方的尾板區(qū)域經(jīng)常要考慮截流板的安裝空間，如圖3 所示。噴水推進(jìn)船通常航速較高，高航速段易使船舶產(chǎn)生尾傾，通過截流板的伸出可在尾部產(chǎn)生足夠的升力以有效降低尾傾、減少阻力。截流板的不同組合還可用于調(diào)節(jié)高速船的其他姿態(tài)，包括橫傾、橫搖和縱搖，甚至可用于操舵[8]。

圖3 噴水推進(jìn)裝置和截流板的緊湊布置Fig. 3 Compact layout of waterjets and interceptors

噴水推進(jìn)船和螺旋槳船相比，尾部取消了諸如尾軸架、舵等附體，從減阻的觀點(diǎn)看是有利的，但船的航向穩(wěn)定性也相應(yīng)變差了。噴水推進(jìn)裝置下方尾板底部空間的減少，必然要減少船尾部的側(cè)投影面積，這將會(huì)加劇船舶航向穩(wěn)定性的負(fù)面效果。如果尾部側(cè)投影面積確實(shí)損失比較多的話，可以通過在尾部布置分水鍾、固定鰭等方式來改善，如圖4 所示。在試驗(yàn)研究方面，目前國內(nèi)在拖曳水池中開展了利用平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究噴水推進(jìn)船航向穩(wěn)定性的試驗(yàn)和分析[9]。

圖4 分水鍾、尾鰭布置示意圖Fig. 4 Deadwood or skeg layout

4 噴水推進(jìn)裝置軸線間距

4.1 進(jìn)流寬度和最大法蘭直徑對(duì)噴水推進(jìn)裝置軸線間距的限制

船舶航行時(shí)，從前方沿船底流進(jìn)噴水推進(jìn)裝置的水流寬度范圍一般為進(jìn)口流道寬度的1.6～2.0 倍。航速較低時(shí)，船底水流是加速進(jìn)入噴水推進(jìn)裝置進(jìn)口流道，表現(xiàn)為“吸水”，進(jìn)流寬度較寬；航速增加后，進(jìn)流寬度會(huì)逐漸減少，航速較高時(shí)，水流是自己沖入進(jìn)口流道，而且是減速。為防止相鄰2 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置發(fā)生“搶水”問題，工程設(shè)計(jì)上，軸線間的最小間距一般不推薦小于1.8D（D為噴水推進(jìn)裝置名義直徑，通常等于進(jìn)口流道寬度）。

噴水推進(jìn)泵的最大法蘭直徑依據(jù)不同泵型(混流泵和軸流泵)，其變化范圍在1.3D～1.7D，均小于進(jìn)流限制的1.8D，正常情況下不是影響布置的主要因素。例如圖3 舷側(cè)2 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置的軸線間距已經(jīng)逼近1.8D的下限，但其混流泵型的尾板處最大法蘭之間仍有空檔。

4.2 操舵倒航機(jī)構(gòu)對(duì)噴水推進(jìn)裝置軸線間距的限制

噴水推進(jìn)裝置操舵倒航機(jī)構(gòu)對(duì)軸線間距的限制更大。目前噴水推進(jìn)裝置的操舵倒航機(jī)構(gòu)主要有蝶形和廂形2 種形式，如圖5 和圖6 所示。

圖5 蝶形操舵倒航機(jī)構(gòu)Fig. 5 Butterfly-type steering and reversing gear

廂形操舵倒航機(jī)構(gòu)的倒航斗和方向舵是集成在一起的，操舵時(shí)倒航斗是和方向舵一起轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以其相鄰2 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置向內(nèi)操滿舵互不干涉才是布置的約束條件（見圖6）。目前廂式操舵倒航機(jī)構(gòu)要求噴水推進(jìn)裝置軸線間距一般為2.3D～2.5D，極限的能設(shè)計(jì)為2.1D。當(dāng)然沒有操舵倒航機(jī)構(gòu)（加速型噴水推進(jìn)裝置）就不受這個(gè)限制，或者可以通過硬件或軟件的方法實(shí)現(xiàn)相鄰操舵倒航機(jī)構(gòu)的同步動(dòng)作，也可以解除這個(gè)限制。例如圖3 中，該型操舵倒航機(jī)構(gòu)異步操舵不干涉的最小軸間距為2.1D，中間2 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置軸間距為2.5D，不受限制；舷側(cè)2 臺(tái)噴水推進(jìn)裝置軸間距接近1.8D，通過控制系統(tǒng)的軟件設(shè)置為同步運(yùn)動(dòng)。

圖6 廂形操舵倒航機(jī)構(gòu)Fig. 6 Box-type steering and reversing gear

5 其他布置相關(guān)問題

噴水推進(jìn)裝置在運(yùn)行中吸氣，將引起功率和推力瞬時(shí)下降[10]。因此噴水推進(jìn)裝置進(jìn)口流道的進(jìn)水口要布置在即使在航行中各種船體姿態(tài)下也不易吸氣的區(qū)域（對(duì)于多體船尤需強(qiáng)調(diào)）。

噴水推進(jìn)裝置進(jìn)水口的附近和前方獲流區(qū)域的一定范圍應(yīng)避免布置船上其他設(shè)備的吸水口或排水口，以及可能引發(fā)渦流的附體。

單體船舷側(cè)的噴水推進(jìn)器更容易吸氣和吸入異物，特別是橫傾或橫搖時(shí)，布置噴水推進(jìn)裝置和設(shè)計(jì)尾部線型時(shí)需考慮。

6 結(jié) 語

根據(jù)以上分析和討論，針對(duì)噴水推進(jìn)裝置在船上的配置數(shù)以及布置問題可以得出以下結(jié)論：

1）在船上空間允許的條件下，應(yīng)該盡量布置更多數(shù)量的噴水推進(jìn)裝置以減輕總重量。

2）一般要求噴水推進(jìn)裝置的軸線不高于輕載靜吃水線，這樣在各種裝載情況下，都不會(huì)影響噴水推進(jìn)裝置的靜態(tài)自吸啟動(dòng)。

3）在滿足截流板布置空間的條件下，應(yīng)盡量減少尾板吃水，讓尾板盡早脫水，以縮小尾板后噴水推進(jìn)裝置在尾流中形成附體阻力的航速范圍。

4）為避免進(jìn)流相互干擾，各噴水推進(jìn)裝置軸線間的最小間距一般不推薦小于1.8D，如配置操舵倒航機(jī)構(gòu)，最小間距可能還需增大。