曹玉良　王永生　靳栓宝

(海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

喷水推进器推进性能优化研究*

曹玉良王永生靳栓宝

(海军工程大学动力工程学院 武汉 430033)

摘要：为了提高某摩托艇用喷水推进器的推进性能，文中对其流道和导叶进行了优化，运用CFD方法对改进的效果进行分析.以某混流泵为例，对其轴功率进行了CFD计算，不同转速时CFD计算误差在1%以内.进而运用CFD方法分析了某摩托艇用SHS1100喷水推进器的水力性能，发现其流道和第二级导叶内存在漩涡、喷口出流存在较大的旋转能量.从减小流道过流面积，以及流道背部曲率、改变第二级导叶形状等方面对其进行了优化.使喷水推进器的推力效率提高了7%，流道效率提高了5.7%，喷泵效率提高了3.3%，第二级导叶出流不均匀度降低了7.3%、出流周向动能降低了17%，并消除了流道和第二级导叶内的涡流.

关键词：喷水推进器；进水流道；第二级导叶；优化；CFD

曹玉良(1988- )：男, 硕士，主要研究领域为喷水推进器设计

0引言

喷水推进技术近年来在国外得到飞速发展，被越来越广泛地应用到高速性能舰船上.但国内喷水推进器的设计水平还不高，如何设计出满足抗空化要求并且推进效率高的喷水推进器，越来越成为各喷水推进研究人员关注的焦点.

进水流道作为喷水推进泵从船底吸水的过流通道，进水流道水动力性能优越与否，不但影响到流道内的流动损失从而影响推进效率，也明显影响出流的质量从而影响喷水推进泵的性能，提高进水流道流动性能对提高喷水推进器整体性能及推进效率具有重要意义.喷水推进器推力等于喷口和进水口的动量差，出流的速度及其分布对喷水推进器的推力具有重要影响，出流的好坏直接关系到喷水推进器的效率[1-3].随着计算机的快算发展，CFD技术在喷水推进研究中的应用越来越广泛，不仅用于喷水推进器的性能分析，而且用于喷水推进器的优化设计[4-6].本文运用CFD方法分析某摩托艇用SHS1100喷水推进器的推进性能，发现该喷水推进器的来流和出流存在问题，对该喷水推进器的进水流道和第二级导叶进行优化，运用CFD方法分析优化后的喷水推进器的水力性能，以多项指标对优化的效果加以检验.

1国外某混流泵轴功率的CFD计算

喷泵是喷水推进器核心做功部件，由叶轮和导叶组成.为验证本文所用数值方法的可信性，文中先用CFD方法计算了国外某喷水推进混流泵不同转速时的轴功率.该喷泵几何模型见图1，该泵进口直径710mm，叶轮为6片，导叶为11片.

图1　国外某喷泵几何模型

在数值模拟过程中，叶轮采用J形网格, 导叶采用H形网格，叶轮单通道网格数保持在20万左右，导叶单通道网格数保持在10万左右，泵内流场网格总数约300万，均为六面体网格，y+保持在200以下，数值计算时采用剪切应力模型(SST模型)，总压进口、静压出口，叶轮和导叶表面网格见图2.

图2　叶轮和导叶表面网格

不同转速时轴功率的CFD计算结果见表1(数据进行了单位化)，从表中可以看出，各转速下混流泵轴功率的CFD计算值与厂家提供值误差均在1%以内.

表1　混流泵功率计算值与厂家提供数据对比

2SHS1100推力性能分析

某摩托艇用SHS1100喷水推进器叶轮为3片叶片，导叶有6片叶片，喷泵进口直径D为154.5mm，见图3.

图3　SHS1100喷水推进器

采用必须的控制域进行推进器推力性能的数值计算，控制域的长度、宽度和高度分别取喷水推进器进水口直径的30倍、10倍和8倍[7]，(见图4).

图4　控制域示意图

叶轮和导叶采用六面体网格，流道和控制水域采用四面体网格，在流道内壁、控制域的上壁面以及格栅和叶轮轴的表面采用棱柱层网格，第一层网格厚度为0.2mm，全计算域网格数约350万，节点数约200万，y+控制在200以下，对流动剧烈部位的网格进行加密，采用剪切应力湍流模型(SST模型)进行稳态计算，进口设为速度，出口设为opening.通过CFD方法计算出的该喷水推进器在设计转速6 667r/min下的推力见表2.

表2　SHS1100在设计转速下的推力

由表2可见,该型喷水推进器的推力效率在设计航速90km/h时仅有54.3%.经过分析，该型喷水推进器主要存在以下问题：(1)流道背部存在涡旋和流动分离；(2)喷泵第二级导叶内部存在涡流；(3)导叶整流效果不佳，喷口出流存在不小的周向旋转能量.图5为流线及出口速度分布图.该喷水推进器流道背部存在涡流和严重的流动分离，导致来流动能大量损失在流道内，流道效率低下(见图a)).在第二级导叶下部存在明显的涡流(见图5b)),其出流不均匀、存在周向速度(见图5c)).

图5　流线及出口速度分布图

3SHS1100喷水推进器的优化

3.1流道和导叶的流动性能评价指标

1) 喷水推进器的推进效率部件的优化的最终结果都是为了提高喷水推进器整体的推进效率.如果仅是部件得到优化，而推进效率下降，那么这个优化就没有意义.通常情况下都是部件越优化，推进效率也越高，但是也存在推进效率得到提高而部件的某个指标变差的情况.推进效率是否提高，以及提高多少，是评价部件优化的最终指标.在缺乏艇体阻力的情况下，本文引入推力效率的概念来评价推进器推进效率的高低，其计算式为

(2)

式中：T为喷水推进器推力；V为航速；P为推进器的收到功率.

2) 流道效率流道效率是衡量进水流道对来流能量利用程度的物理量，流道效率的定义为流道出口面总能量与进流面总能量之比[8]

(2)

式中：E1，E2分别为流道进流面和出口面的总能量.本文采用长轴为进口宽度1.5～1.9倍的半椭圆形进流面，将进流面的位置取在离流道进口流面切点一个喷泵进口直径的位置处[9].

3) 出口不均匀度流道出流的均匀程度是评判流道性能的一个重要指标.流道出口的速度分布越不均匀，就越容易增加喷水推进泵的周期性脉动,这不仅会造成泵的耗功增大、效率下降，而且会引起振动加剧，噪声增强.出口流场流动不均匀度的定义[10]：

(3)

4) 喷口出流周向动能喷口出流的周向分速度不产生推力，周向速度越大周向动能也就越大，没有利用的能量就越多，推进效率也越低.因此，本文引入喷口出流周向动能这一指标来评价喷水推进器出流的好坏，喷口出流周向动能的定义：

(4)

式中：Vc为出口面上某点的周向速度值.单位时间内喷口出流动能越大，表明出流未利用的能量越多，对推进器的效率越不利.

5) 流道的抗空化性能从流道的压力分布云图可初步去分析流道的空化性能[11].

6) 是否有涡流在CFD后处理中作出流道内部的流线图，能够很清晰的看出流道和第二级导叶内部是否存在涡流.

3.2进水流道的优化

3.2.1进水流道几何形状的优化

流道的优化设计主要从以下几个方面着手.

1) 将原不规则的进水口改为前端矩形后端椭圆形的进水口，进水口宽度由原来的最宽154.5mm改为130mm，见图6.

图6　优化前后流道进水口示意图

2) 借鉴国外流道实例，为消除流道背部涡流，优化后的道靠近流道出口处有个“瓶颈”，在出口前约0.2D处的直径设为140mm，小于流道出口直径154.5mm，见图7.

图7　优化后流道中剖面示意图

3) 为避免流道背部发生空化，将流道背部曲线的斜率减小50%，见图8.

图8　流道对比图

3.2.2进水流道优化前后参数对比

用优化后的流道替代原流道，保持推进器的喷泵不变，进行数值计算，在设计航速90km/h时，通过喷水推进器的流量从201kg/s增加到205kg/s，喷水推进器的推力效率由原来的54.3%提高到59.9%，流道效率由原来的83.9%提高到89.6%，喷泵效率由75%提高到76.9%.

图9为流道内部流线图.由图9可见，优化后流道背的涡流和流动分离已基本消除，流动状态有了较大改善.

图9　流道内部流线图

3.3第二级导叶的优化

3.3.1第二级导叶几何形状的优化

保持第二级导叶出口面积不变、轴线投影长度不变和导流锥不变，多次优化第二级导叶形状，得到一个较为理想的第二级导叶(见图10b)).第二级导叶外壳改为旋转体，为消除第二级导叶内的周向速度，将第二级导叶内导流格栅延伸至锥体.

图10　第二级导叶几何形状图

3.3.2第二级导优化后性能的变化

用优化后的第二级导叶替换原第二级导叶，保持喷泵和进水流道不变，在设计航速时，喷水推进器的推力效率由54.3%提高到55.8%，喷泵效率由75.0%提高到76.7%，喷口出流的不均匀度下降了4.6%、单位时间内周向动能下降了10.6%.

3.4优化后喷水推进器性能的CFD分析

采用与前文相似的计算控制域进行推进器推力性能的数值计算，叶轮和导叶采用六面体网格，流道和控制水域采用四面体网格，在流道内壁、控制域上表面以及格栅和叶轮轴的表面采用棱柱层网格，第一层网格厚度为0.2mm，对流动剧烈的部位网格进行加密，全计算域网格数约360万，节点数约210万，y+控制在200以下，采用剪切应力湍流模型(SST模型),进口设为速度，出口设为opening.

用优化后的流道与第二级导叶同时替换原喷泵的流道和第二级导叶，在设计航速90km/h时，喷水推进器的推力效率提高了7%，流道效率提高了5.7%，喷泵效率提高了3.3%，流道出口不均匀度降低了0.2%，喷口出流不均匀度降低了7.3%，单位时间内喷口出流周向动能降低了17%.

图11为推进器内部对比图.喷水推进器经过优化，内部流线平顺，流道背部的涡流基本消除.

图11　推进器内部流线对比

图12为流道中剖面压力分布对比图.由图12可见，经过优化，喷水推进器流道背部的低压区和流道唇部的低压区基本消除，流道中剖面上压力分布更加均匀，流道的抗空化性能得到提高.

从图13可以看出，优化后第二级导叶内部流线更加平顺，底部的涡流也基本消除.

4结论

1) 文中通过对流道和第二级导叶的优化，提高了流道效率、喷泵效率、喷水推进器的推力效率，降低了喷水推进器的出流不均匀度和周向动能，消除了流道背部和第二级导叶底部的涡流.

图12　流道中剖面压力分布图对比

图13　第二级导叶内部流线对比

2) 前端矩形后端椭圆形的进水口能比原不规则的进水口能更好地利用来流动能；适当的减小流道的过流面积，不会降低流道的过流能力；“瓶颈”形流道能够较好地消除流道背部的涡流，改善流道的流动性能；减小流道背部曲率，能让水流更平缓的进入流道，能避免流道背部压力过低；导叶内导流格栅能够有效地降低导叶出流的周向速度.

参 考 文 献

[1]刘承江,王永生,张志宏，等.喷水推进器推力的CFD计算方法研究[J]. 计算力学学报，2008,25(6): 928-929.

[2]丁江明,王永生.喷水推进器进水流道参数化设计方法[J]. 哈尔滨工程大学学报,2011,32(4): 424-428.

[3]孙存楼，王永生，丁江明.喷水推进器推力的动量计算法[J]武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2006, 30 (6): 1099-1101.

[4]vanESCHBPM，BULTENNWH.Numericalandexperimentalinvestigationofhydrodynamicforcesduetonon-uniformsuctionflowtoamixed-flowpump[C].2005ASMEFluidsEngineeringDivisionSummerMeetingandExhibition，Houston,TX,USA:2005：1-7.

[5]LAVISDR,FORSTELLBG,PURNELLJG.Advancedcompactwaterjetpropulsionforhigh-speedships[C]. 9thInternationalMarineDesignConference2006，AnnArbor,MI: 2006:22-41.

[6]VANT.Thespecialistcommitteeonvalidationofwaterjettestprocedure[R].UK: 24thITTC, 2005.

[7]VERBEEKR,BULTENN.InterpretationofmodelscaletestresultswithaidofCFDcalculations[C].RoyalinstitutionofNavalArchitects.InternationalConferenceonWaterjetPropulsionIII，Sweden:RINA, 2001:350-358.

[8]DELANEYK，DONNELLYM，EBERTM，etal．UseofRANSforwaterjetanalysisofahigh-speedsealiftconceptvessel[C].FirstInternationalSymposiumonMarinePropulsors,Trondheim，Norway：SMP'09， 2009:408-415.

[9]DINGJIANGMING，WANGYONGSHENG.Researchonflowlossofinletductofmarinewaterjets[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity(Science)，2010，15(2)：158-162.

[10]BULTENNWH.Numericalanalysisofawaterjetpropulsionsystem[D].Eindhoven：EindhovenUniversity，2006.

[11]刘承江、王永生.混流式喷水推进器空化性能数值分析[J]. 机械工程学报,2009,45(12)：80-82.

中图法分类号：U664.33

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.048

收稿日期：2014-09-09

PropulsivePerformanceOptimizingofaWaterjet

CAOYuliangWANGYongshengJINShuanbao

(College of Marine Power, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

Abstract：In order to improve hydraulic performance of a marine waterjet, this paper optimized its inlet duct and second stator, and analyzed its performance by CFD. The power of a mixed-flow pump was calculated by CFD method, the error is less than 1%. This paper also analyzed the performance of a motor boat's SHS1100 waterjet by CFD, the results showed that it had turbulence in the inlet duct and second stator and had large amount of circumfluent energy in the outflow. The paper reduced the cross area and curvature of the inlet duct and redesigned the pump's second stator. Finally, the propulsion efficiency improved by 7%，inlet duct efficiency improved by 5.7%, pump efficiency improved by 3.3%, no-uniformity of nozzle outlet reduced by 7.3%, circumfluent energy of pump outlet reduced by 17%, and turbulence in the inlet duct and pump's second stator had disappeared.

Key words：CFD; waterjet; inlet duct; stator; optimizing

*海军“十二五”预研项目资助