全墊升氣墊船墊升系統(tǒng)風(fēng)機(jī)性能模型試驗(yàn)研究

習(xí)琪航，吳如坤

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266042）

全墊升氣墊船是一種能夠高速航行的特種船舶，最大航速可超過100 節(jié)，它可以克服大多數(shù)不利的環(huán)境航行，具有其他一般艦船無法比擬的優(yōu)勢(shì)[1]。全墊升氣墊船之所以能夠具有這樣的優(yōu)勢(shì)，是由于它有一套常規(guī)船舶不具備的系統(tǒng)——墊升系統(tǒng)。

在墊升系統(tǒng)中有專門使氣墊船能浮在接觸面上的墊升風(fēng)機(jī)，其將產(chǎn)生的高壓氣流持續(xù)注入氣墊船底部的圍裙中，使氣墊船底部有一層薄薄的空氣層，船體不再與航行面接觸，通過船尾部的空氣螺旋槳提供推動(dòng)力供船舶高速航行。氣墊船結(jié)特殊，功能優(yōu)異，能夠適應(yīng)多樣化的環(huán)境，非常適合海上兵力和補(bǔ)給的快速運(yùn)輸，具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事價(jià)值[2-3]。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)氣墊船的研究都做了不少，但是全墊升氣墊船模型試驗(yàn)中墊升系統(tǒng)的研究難度和工作量很大，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究較少，很難滿足全墊升氣墊船模型試驗(yàn)對(duì)墊升系統(tǒng)的相似性要求。本文基于相似性理論，針對(duì)全墊升氣墊船模型試驗(yàn)中墊升系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行試驗(yàn)，為進(jìn)一步研究全墊升氣墊船模型試驗(yàn)墊升系統(tǒng)的相似性問題提供一種可行性方案。

1 試驗(yàn)條件

1.1 墊升風(fēng)機(jī)相似性要求

墊升系統(tǒng)包括墊升風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、圍裙三個(gè)部分，要進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能模型試驗(yàn)，模型風(fēng)道要與實(shí)船風(fēng)道滿足幾何尺寸和形狀的相似，即相似性要求。這樣模型風(fēng)道內(nèi)空氣流的流量和壓力與實(shí)船的大致相同，在雷諾數(shù)超過某一值時(shí)，風(fēng)道在突擴(kuò)部分的損失和彎頭部分的損失可看作與雷諾數(shù)無關(guān)。

墊升風(fēng)機(jī)的性能特性曲線決定了氣墊船的飛升特性，根據(jù)氣墊船模型試驗(yàn)的基本相似準(zhǔn)則中的壓長(zhǎng)比和流量系數(shù)相似，墊升風(fēng)機(jī)應(yīng)該滿足在風(fēng)機(jī)工作區(qū)域附近的風(fēng)機(jī)壓頭和流量無因次特性曲線相似。

風(fēng)機(jī)總壓與墊升比：pf/pc=pfpb/pbpc，這個(gè)指標(biāo)決定氣道效率。

1.2 墊升風(fēng)機(jī)的選取

根據(jù)幾何相似，模型墊升風(fēng)機(jī)的葉輪直徑可直接由縮尺比計(jì)算得到，實(shí)船所采用的風(fēng)機(jī)葉輪直徑是2.5m，根據(jù)縮尺比計(jì)算出模型應(yīng)選取葉輪直徑為125mm 的風(fēng)機(jī)。但在實(shí)際過程中，因?yàn)闅鈮|船內(nèi)部氣道空氣的雷諾數(shù)無法達(dá)到相似條件，再加上風(fēng)扇的葉片形式、驅(qū)動(dòng)軸形式、風(fēng)道粘性也無法做到完全一致，模型中墊升風(fēng)機(jī)的壓頭、流量與氣道效率都會(huì)偏低[4]。根據(jù)第16 屆ITTC 國(guó)際水池會(huì)議的建議，對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了必要的修正來滿足模型流量壓頭的相似性要求。采用穆迪公式模型與實(shí)船風(fēng)機(jī)效率的關(guān)系1-ηm/1-ηs=λ0.2，式中下標(biāo)是s、m 分別代表實(shí)船和模型，該式在最高效率點(diǎn)流量的±25%范圍內(nèi)是比較正確的。為了解決由于雷諾數(shù)無法達(dá)到相似條件而引起的風(fēng)機(jī)效率與氣道效率降低的問題，必須把模型風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高5%左右，即。同時(shí)，目前已有的試驗(yàn)風(fēng)機(jī)沒有葉輪直徑為125mm 的，若要滿足葉輪直徑完全按縮尺比計(jì)算得出的尺寸則需要定制，定制成本很高，生產(chǎn)制造時(shí)間較長(zhǎng)，不太滿足經(jīng)濟(jì)性要求。葉輪直徑太小也無法提供與實(shí)船相當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣量，因此我們采用現(xiàn)有的葉輪直徑為148mm 的風(fēng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)所參照的裝置圖

本次模型試驗(yàn)所依照的實(shí)船采用四個(gè)墊升風(fēng)機(jī)將重約80 千克的船體墊起，每個(gè)墊升風(fēng)機(jī)流量為250m3/s。風(fēng)機(jī)葉輪直徑2.5m，轉(zhuǎn)速1285r/min。在前文已經(jīng)說明了本次模型試驗(yàn)會(huì)選擇現(xiàn)有葉輪直徑為148mm 的風(fēng)機(jī)，而單個(gè)現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)條件無法滿足測(cè)試的工作條件，為進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)的全壓，可以采用將兩臺(tái)相同風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。從理論上來說，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)后的特性曲線相當(dāng)于是一臺(tái)風(fēng)機(jī)在相同體積流量時(shí)，將壓力提高兩倍。但實(shí)際上由于第一臺(tái)風(fēng)機(jī)提供的氣流在第二臺(tái)風(fēng)機(jī)處密度增大了，氣體體積流量會(huì)有所減少，風(fēng)機(jī)性能特性曲線越平緩串聯(lián)的效果就越差。對(duì)于本次試驗(yàn)來說，風(fēng)機(jī)性能曲線在流量變化較大時(shí)，壓力的變化也較大，因此可采用將兩臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)的方式進(jìn)行試驗(yàn)[6]。

1.3 風(fēng)機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)裝置的選取

根據(jù)工業(yè)通風(fēng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)中所提供的一些實(shí)驗(yàn)裝置圖，選取出一個(gè)能固定住風(fēng)筒且連接簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)總體裝置圖作為參照[7]?？紤]到串聯(lián)風(fēng)機(jī)的使用和測(cè)點(diǎn)的位置等因素，確定本次風(fēng)機(jī)性能特性測(cè)試試驗(yàn)的裝置圖和連接方式。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

先測(cè)試初始條件數(shù)值，即用密封膠帶封住所有開孔，待風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在5600r/min 附近，記錄此時(shí)的頻率和轉(zhuǎn)速，用風(fēng)速儀和流量計(jì)測(cè)出此種情況下的壓力和流量，記錄在表格中。

將試驗(yàn)變量依次設(shè)置為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、風(fēng)孔的位置、風(fēng)孔的總面積（即風(fēng)孔數(shù)量）和風(fēng)孔的密集程度。每次控制單一變量，采用不同直徑的擋風(fēng)板放置在風(fēng)筒尾端，保證擋風(fēng)板開孔圓心和風(fēng)筒截面圓心在一條直線上。記錄每次試驗(yàn)條件下的壓力和流量。

將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制，挑選出誤差較大和存在異常的數(shù)據(jù)，重新測(cè)量這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比修正。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將試驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，可分為在相同開孔位置和面積下，轉(zhuǎn)速為4800、5200 和5600r/min 時(shí)的流量和壓力；在相同轉(zhuǎn)速和開孔面積下，不同區(qū)域內(nèi)開孔時(shí)的流量和壓力；在相同轉(zhuǎn)速和開孔區(qū)域下，不同開孔面積時(shí)的流量和壓力。將各組數(shù)據(jù)整理繪制對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)特性曲線，探究其規(guī)律。

3.1 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性的影響

在相同排氣面積和區(qū)域情況下，對(duì)比數(shù)據(jù)探究風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性曲線的影響。具體實(shí)施為在區(qū)域2 分別開兩圈孔，轉(zhuǎn)速設(shè)置成4800、5200 和5600r/min。

分析曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，在開孔位置和開孔面積相同的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，在相同流量下壓力越大，曲線走勢(shì)也基本相同，但是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)有效工作區(qū)間的影響并不明顯，在轉(zhuǎn)速越大時(shí)，有效工作區(qū)間會(huì)稍大一點(diǎn)。

3.2 風(fēng)孔位置對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性的影響

在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和相同排氣面積情況下，對(duì)比數(shù)據(jù)探究風(fēng)孔位置對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性曲線的影響。具體實(shí)施為將轉(zhuǎn)速設(shè)置為4800r/min，三個(gè)區(qū)域分別開一圈孔。

分析發(fā)現(xiàn)，凡是進(jìn)行開孔所測(cè)的數(shù)據(jù)，其有效工作區(qū)間都要比未進(jìn)行開孔時(shí)的初始狀態(tài)下有效區(qū)間長(zhǎng)。且在轉(zhuǎn)速相同時(shí)，無論在哪個(gè)區(qū)域開孔，開孔面積越大，其喘振區(qū)越小，有效工作區(qū)間越大。而在相同轉(zhuǎn)速和開孔面積的情況下，開孔位置離風(fēng)機(jī)的距離對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響并不明顯，它們的性能曲線走勢(shì)基本相同。

3.3 風(fēng)孔面積對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性的影響

在開孔區(qū)域和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下，對(duì)比數(shù)據(jù)探究不同排氣面積對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性曲線的影響。具體實(shí)施為將轉(zhuǎn)速設(shè)置為4800r/min，在區(qū)域1 分別開1、2和3 圈孔。

圖2 開孔面積相同區(qū)域2 處兩圈開孔時(shí)風(fēng)機(jī)性能特性曲線圖

分析發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和開孔位置相同的情況下，開孔面積越大，其喘振區(qū)越小，風(fēng)機(jī)的有效工作區(qū)間越大，可調(diào)控的流量范圍越大。

4 結(jié)論

當(dāng)流量增大時(shí)，壓力會(huì)有減小的趨勢(shì)，這符合流體力學(xué)中氣體流速越快壓力越小的規(guī)律。但當(dāng)流量增大到一定程度后，壓力會(huì)出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，之后再按符合流體力學(xué)規(guī)律的情況繼續(xù)減小。這種在一定范圍內(nèi)流量增大壓力不降反升的現(xiàn)象被稱為喘振，喘振是因?yàn)闅饬靼l(fā)生倒流，在整個(gè)過程中產(chǎn)生了周期性振動(dòng)[8]。

在實(shí)際氣墊船墊升過程中，要避免喘振區(qū)的出現(xiàn)，若把所繪曲線壓力隨著流量增大，第二次減小的點(diǎn)默認(rèn)為是喘振結(jié)束的點(diǎn)，之后壓力隨流量增大而減小的區(qū)間則完全符合流體力學(xué)的一般規(guī)律，我們把這個(gè)區(qū)間看作風(fēng)機(jī)在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的有效工作區(qū)間。分析性能曲線可以看出：

1.氣道的開孔面積對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性曲線中的喘振區(qū)和有效工作區(qū)的范圍有明顯的影響，開孔面積越大，有效工作區(qū)間越大，其他三個(gè)參數(shù)對(duì)曲線的喘振區(qū)和有效工作區(qū)基本沒有影響。

2.風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性曲線中的相同流量時(shí)的壓力大小有較大影響，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，相同流量下的壓力越大。

3.風(fēng)筒開孔位置、氣孔密集程度對(duì)風(fēng)機(jī)性能特性曲線整體幾乎無影響，在所設(shè)置的幾種情況中所得到的曲線基本重合。

本次試驗(yàn)以風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)氣墊船墊升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定參考作用，為進(jìn)一步研究全墊升氣墊船模型試驗(yàn)關(guān)鍵的墊升系統(tǒng)相似性問題提供思路和可行性方案。在實(shí)船設(shè)計(jì)過程中，風(fēng)機(jī)為額定轉(zhuǎn)速下且氣孔位置確定時(shí)，可增大氣孔面積來提高有效工作區(qū)間的調(diào)控范圍。然而墊升系統(tǒng)還包括氣道和圍裙結(jié)構(gòu)，從氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化和圍裙的材料特性等角度著手進(jìn)行氣墊船模型墊升系統(tǒng)的研究，也是日后可以探究的方向。