喷水推进泵选型设计时工作参数和几何参数计算

喷水推进泵选型设计时工作参数和几何参数计算
聂建栋;朱朝峰
【摘要】作为推进装置中的一个主要部件,喷水推进泵在选型设计上与传统的泵差别很大,其工作参数的确定必须建立在推进系统分析的基础上,由设计航速下系统的最高喷射效率决定最佳喷速比,由额定转速和驼峰阻力处航速对应的工况点的抗空化性能来设定泵设计转速,并且要满足主机功率的要求.在已知设计航速和船体阻力曲线的条件下,引入8个假定参数后,计算得到了泵的5个工作参数值;由比转速和吸口比转速建立工作参数和几何参数之间的联系,进而求得转子进、出口直径和喷口直径等主要设计参数.
【期刊名称】《船电技术》
【年(卷),期】2015(035)003
【总页数】7页(P59-65)
【关键词】船舶;喷水推进泵;选型设计;工作参数;几何参数
【作者】聂建栋;朱朝峰
【作者单位】海军驻武汉四三八厂军事代表室,武汉430061;海军驻武汉四三八厂军事代表室,武汉430061
【正文语种】中文
【中图分类】TQ04
0 前言
当泵用作船舶推进器时，它应当满足水动力推进器的一般要求：保证船舶推进的设
计航速；推进装置总的推进效率尽可能高；巡航航速到设计航速区间推进器效率较高且变化平缓。

与陆用水泵相比，喷水推进泵的效率和抗空化性能要求更严。

并且，为了产生尽可能大的推力，泵流量相对较大，尺寸和重量也限制较严，从而使得推进泵比转速较高、功率密度较大。

与该要求相适应的现代船用喷水推进泵主要为单级混流泵或者是比转速更高的轴流泵。

喷水推进泵作为喷水推进装置中的主要部件，其运转参数必须匹配推进装置的运转参数，进而由运转参数所决定的泵的主要设计参数也要兼顾推进装置的结构和布置要求。

本文针对喷水推进泵在设计使用时上述考虑因素，选取计算初始设计阶段泵的运转参数和主要设计参数，为船用喷水推进泵的自主设计迭代程序开发奠定基础。

1 喷水推进泵运转参数确定
常见艉板式喷水推进器如图1所示，由进水流道、喷水推进泵、喷口和操舵倒航
机构四部分组成。

通常在分析喷水推进器直航状态下推进性能时不考虑操舵倒航装置。

常用的喷口形状有收缩型喷口和平行喉部喷口两种[2]。

在喷水推进器性能分
析时通常假定为平行喉部喷口，使射流收缩截面面积正好等于喷口出流面积[2,3]，如图2所示，即认为截面⑦与⑥重合。

泵的设计任务就是在一定的转速下，通过一定的能量头的提升来产生特定的流量。

喷水推进泵的设计目标进一步转换为产生轴向推力。

推进泵转速、体积流量、轴向推力和泵进口能量头的抗空化裕度（Net Positive Suction Head）组合描述了泵
的运转工况。

1.1设计时已知条件和假定条件
通常喷水推进器在选型设计时给出的已知条件有：
①设计航速。

②船体阻力特性曲线。

对于排水型船，阻力与航速近似满足二次方曲线关系，如图
3中虚线所示，其中为与水深、海况和污底等因素有关的系数[5]。

而对于水翼艇、气垫船和小水线面的双体船等，其阻力随航速的变化规律更加复杂，在中低航速时存在驼峰阻力[5]，如图3中实线所示，其值通常接近设计航速时船体阻力甚至有
可能超过设计航速时阻力。

现有喷水推进器的主要应用对象正是对应图3中实线
所示船体。

在高转速低航速时泵运行点远离设计工况，性能下降严重，对应地进水流道能量损失大，若设计时不对这些运行工况进行全面考虑，很可能在航行时无法越过驼峰阻力航速，从而达不到设计航速要求。

③当主机可选用的型号较少时，其额定功率或额定转速相当于已知条件，在一定的减速比下，泵设计转速可直接求取。

通常喷水推进器厂商在设计时，是针对大致的功率需求范围进行设计，并未事先给出设计转速，而是在确定其它运转参数后反过来校验设计转速是否满足推力要求和空化性能要求。

本文接下来分析时泵设计转速为未知条件。

初始设计时，还需要假定以下几个参数：
①泵效率。

目前，喷水推进泵的效率一般可达0.85以上，设计优异的泵效率可达
0.9[3]。

采用混流泵时，泵效率可取在0.88～0.90之间，采用轴流泵则可取在
0.85～0.88之间。

具体选取时参照泵效率随比转速和流量的变化关系，如图4所示。

②泵相对旋转效率。

反映了不均匀进流对泵效率的影响程度，可近似取为0.99[3]。

③轴系传动系统机械效率。

反映了原动机将能量传递给喷水推进泵的过程中轴系上的能量损耗，分析时近似取为0.97～0.99。

④喷口能量损失系数。

反映了水流喷射时在喷口段的能量损失，以喷口速度头的百分比来表示，通常取为=0.02～0.03[7]。

⑤进水流道进口能量损失系数。

通常以进水流道进流速度速度头的百分比来表示，其值与船型有关，设计分析时通常取为=0～0.5[3]。

⑥推力减额系数。

反映喷水推进器对船体阻力的影响。

与螺旋桨推进时对船体影响作用不同的是，随航速而变化，在高航速时可以为负值，可理解为使船体阻力减小。

荷兰海事研究所的Terwisga（1997）对滑行艇模型试验的结果表明随着航速增加在0.2～-0.06之间[8]。

⑦船体边界层流对喷水推进器进口来流动量的影响系数。

喷水推进器流管控制体轴对称截面特征参数定义如图5所示。

图中虚线表征为流管分界面[1,9]，和为泵进
口的特征速度和特征面积，和为喷口出流速度和面积，为对应图2中A点截面的
来流平均速度。

喷水推进器工作时，吸入部分船底边界层流，进流速度要小于航速。

船底湍流边界层厚度采用Wieghardt公式近似求取[10]：
式（1）中，为图2中点截面至船首的距离，为基于航速和船长的雷诺数。

边界层对推进器进流的动量影响系数为[7]：
式（2）中，为图2中A点截面不同径向位置轴向速度，为进流面积。

则进流速度表示为：
分析时通常取为=0.88～1.0。

⑧喷口中心距水线面高度。

对应为提升水流的势能（见图5），也理解为部分能量损失，因为其减小了泵进口来流的压能，对泵空化性能是不利的。

分析时通常取为hj=0.2～0.5 m。

1.2工作参数计算
需要确定的喷水推进泵运转参数有：转速、流量、扬程、比转速、吸口比转速。

具体步骤如下：
1）根据喷水推进系统的效率公式求取设计航速下的最佳喷速比
设计喷水推进器时，一个基本要求是满足设计航速下的喷射效率在最佳喷射效率附近。

喷射效率将喷水推进泵的运转参数与“船-泵-机”组成的推进装置运转参数有机地结合起来。

喷射比是决定喷射效率最重要的参数[3]，其定义为：
根据动量定理，喷水推进器产生的轴向推力为：
喷水推进器提升单位重量流体的能量头（扬程）为：
则喷水推进器喷射效率为：
喷射效率达到最大值时对应的喷速比即为最佳喷速比。

取设计航速，喷射效率随
喷速比的变化关系如图6所示。

由图6-a可知，喷口提升水的高度一定、进口和
喷口能量损失系数一定时，随边界层动量影响系数增加最佳喷速比反而减小，即喷口速度增加；同时最佳喷速比对应的喷射效率也在减小，因为式（7）分母中速度的平方项比分子中速度的变化更显著。

由图6-b可知，随进口和喷口能量损失系
数增加，喷射效率都会降低，且进口能量损失系数的影响更加明显，这表明在喷水推进系统中的进水流道设计更为重要。

为简化分析，式（7）和图6中并未包含推力减额系数的影响。

由图6可得到给定设计航速时不同假定参数下的最佳喷速比，进而得到一组喷口速度，以用于下文多个参数的权衡选择。

根据动力装置能量的传递关系[5]，考虑推力减额系数，得到喷水推进系统总的推
进效率为：
由船体阻力特性曲线查得设计航速下船体阻力，则对应的主机输出功率为：
由式（9）可初步确定考虑一定的速度滑差后的轴转速，或者是决定多台主机的功率分配及相应的轴转速，作为下文选取泵转速时的一个校核标准。

2）由吸口比转速上限选定泵设计转速
将喷口速度代入（4）式求得泵体积流量为：
进一步将代入（5）式求得泵扬程为：
比转速用来统一泵的各性能参数，通常以此来划分泵的类型，其定义为：
其中，()为泵角速度，单位为，单位为。

三种常用泵的比转速范围为[11]：
离心泵：
混流泵：
轴流泵：
高质量的喷水推进泵对应的比转速值通常比较高。

在泵扬程和流量一定时，高比转速即对应为高的轴转速，输入功率一定时，对应的力矩小，意味着设计的泵更小、更轻，费用也更少。

在不考虑流体张力强度、泵工作时间和流体中未溶解气体的影响时，泵内空化初生区域对应为压力低于流体汽化压力区域[12]。

通常采用净正吸头NPSH（Net Positive Suction Head)参量来描述空化，用来表征进入泵流体的抗空化裕度，定义为：
其中，为泵进口流体总压，为工作温度时流体汽化压力。

结合图5和式（5），求得：
常用空化性能指数为泵吸口比转速，定义为：
其中，NPSH单位为m。

泵空化初生时吸口比转速对应一个特定的临界值，直接
反映了泵的抗空化性能。

喷水推进器厂商（包括KaMeWa公司）通常采用等吸口比转速值在推进性能图谱上划分喷水推进泵的工作区域，用以界定泵产生空化与否以及空化发生的程度[3]。

运转参数确定时，泵进口NPSH值为一常数，其值也为一定值。

当要求泵工作时无任何空泡现象产生，（对应美制单位为8000）[13]；若允许出
现一些空泡，该上限值可增加到193.5（对应美制单位为10000）。

上述上限值
多是针对早期使用的离心式喷水推进泵而言的。

文献[3]叙述KaMeWa公司在界
定喷水推进泵产生空化与否时一般取。

该公司生厂的喷水推进泵系列以混流泵为主，本文设计分析也是针对混流泵或者是轴流泵，所以将泵内不产生空化的上限值也取为193.5，代入式（15）后，联立式（12）求得比转速上限为：
进而由比转速可以确定泵的类型。

同时，由式（15）可求得泵转速的上限值，结
合本节第一步中对所需主机功率的分析，可初步确定泵设计转速。

在一组假定参数下，把泵的运转范围用吸口比转速对航速而以泵转速为参变量的曲线表示，如图7所示。

这里假定值与设计值相同。

由图7可知：航速为零时，三
种转速下的泵吸口比转速值均超过上限一定范围，在设计时需要引起注意；在转速为880 rpm、驼峰阻力处航速约为20 kn时，，空泡已经非常严重，设计时空化
性能的上限点就应该取在设计转速下驼峰阻力对应的航速处。

若仅从抗空化能性讲，该设计流量下转速定为800 rpm最优。

取图7中同样的3个假定参数值再加上，在设计航速50 kn下，由图6-b查得最佳喷速比为，喷射效率为，则由（4）式得喷口速度，代入（11）式和（12）式，求得比转速为2.82，属于混流泵，此时转速取为800 rpm，并且认为单台泵功率满足推进要求。

最后根据式（15）求出泵
吸口比转速值，即确定了喷水推进泵的运转参数。

2 喷水推进泵主要设计参数计算
2.1运转参数和设计参数之间的关系
仍然取上面分析得到的混流泵进行设计参数计算。

混流泵转子和定子轴面轮廓参量定义如图8所示。

用于推进的混流泵在几何尺寸上较陆用泵通常有一些额外的限制，比如：
其中，下标和分别代表转子和定子，为轮毂锥角，为轴向长度，为叶片数，为直径。

根据图8中定义参数，可得：
将式（17）分别代入式（12）和（15），建立运转参数和设计参数之间的联系：
式（18）反映了转子进口形状与出口外径之间的关系，式（19）反映了转子进口
形状与吸力面局部低压区之间的联系。

若设计泵为轴流泵时，转子进出口直径相等，式（18）和（19）可进一步简化。

2.2主要几何参数计算
由第1节中计算得到的比转速可查图初步选定转子叶片数、毂径比和叶栅稠度，
其中为叶栅弦长，为节距。

喷水推进泵转子进口直径与进水流道出口直径相等。

进水流道存在能量损失，分析时可将管道中流动的能量损失归入到参数内，对应的范围约为0.1～0.3，从属于
前文给出的分析范围。

则转子进口平均速度为：
从而得到转子进口直径为：
喷口直径会直接影响到泵最佳工作点的确定[3]。

由流量和喷口速度即可求得喷口
直径：
泵性能分析时通常采用无量纲性能参数，如流量系数和扬程系数，这里再引入吸头系数：
将式（22）和代入式（19）可得到和的一一对应关系。

为了满足设计航速下的推
力需求，通常应尽可能大，但是，过小又可能使吸口比转速超过其上限值，无法保证其空化性能，所以应折中选取设计流量系数。

在比转速已知的情况下，可由扬程系数-比转速图初步选定值。

将、和同时代入式（18）即可求得转子进出口直径比，进而求得。

其余转子叶片设计参数和定子设计参数可参照文献给出的采用速度系数法或者是相似换算法得到的计算程序进行迭代计算。

最后在参数确定时还需要兼顾考虑喷水推进泵的额外限制因素。

3 结论
喷水推进泵的设计目标与传统陆用泵差别很大。

作为推进装置中的一个主要部件，其运转参数的选择必须依赖于推进系统分析。

由系统的最高推进效率决定最佳喷速比，由额定转速和驼峰阻力航速对应的工况点的抗空化性能来设定泵设计转速，同时要满足主机功率的要求。

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