船舶喷水推进泵的研究

船舶喷水推进泵的研究

摘要：喷水推进是近20余年急速发展成熟起来的一种特殊的推进方式，它利用喷水推进装置中推进泵喷出的高速水流的反作用力推动水中载体前进，并通过操舵倒航机构分配和改变喷流方向实现载体操纵。所以喷水推进装置具有推进和操纵双重功能。本文对喷泵的应用前景、优缺点、喷水推进的基本原理、推进装置和推进泵种类及喷泵推进装置设计的基本思路进行了简单介绍。

喷水推进装置通常由进口流道、推进泵、操舵倒航机构、液压系统和控制系统五大部分组成，如图l所示，推进泵是该装置的主体。

图1 喷水推进装置的组成

一、喷泵推进的应用前景

（1）在民用船及高性能船上的应用按相关统计，截止2003年的13年中，全世界共建造了655艘高性能船，包括双体船、三体船、穿浪艇等。据统计，这655艘船中有75％采用喷水推进，另外25％采用螺旋桨或可调桨推进。显然，喷水推进已经在轻型高速船上占有主导地位。普通高速双体船、穿浪艇、三体船、单体船、侧壁式气垫船(SES)、高速货船，如小水线面船(SW ATH)、三用拖轮、stolkraft(一种中体在水面以上的三体船)等的其他船舶都采用了喷水推进。

（2）在军用领域的应用喷水推进技术在高速攻击艇FAC(Fast Attack Craft)，从高速车客渡船到海军高速运输舰、护卫舰和轻护卫舰、两栖装甲车辆、安静型核潜艇等领域都有所应用，并在某些方面具有特殊的优势。

一、喷泵式推进的优缺点

优点：

（1）推进泵叶轮在泵壳内受约束的水流中工作，运行平稳，水下噪声小。

（2）推进泵在高速范围内较螺旋桨有更好的抗空泡性能，从而能有更高的推进效率。

（3）推进泵较螺旋桨更适用于重载荷以及限制直径的场合。

（4）喷水推进适应变工况的能力强，在工况多变的船舶上能充分利用主机功率，延长主机寿命。

（5）具有优异的操纵性和动力定位性能。

（6）推进泵叶片在管道中不易损坏，可靠性好。

缺点：

（1）在航速低于25kn或叶轮直径不受限制时，喷水推进的推进效率一般较螺旋桨低。

（2）由于增加了管道中水的质量，加大了船舶的排水量。

（3）在水草或杂物较多的水域，进口容易出现堵塞现象而影响航速。

（4）推进泵叶轮拆换较螺旋桨复杂。

三、喷水推进的基本原理

喷水推进的基本原理与喷气式飞机的推进原理基本相同，喷水推进通常是由推进泵将水从载体底部吸入，通过喷口以高速水流向载体后面喷出，利用出流和进流动量变化产生的推力来推动载体前进（如图2所示）。只不过是喷气式推进的介质是空气，而喷水推进的介质是水。与螺旋桨推进相比，喷水推进叶轮上的力只是内力，而螺旋桨是靠叶片上的力直接推动载体运动。

图2 喷水推进原理图

四、推进装置和推进泵种类

喷水推进装置是推进泵、进口流道、操舵倒航机构、液压系统和控制系统的统称。推进

泵是喷水推进装置的主体。世界各大喷水推进公司提供的是整套喷水推进装置。

由于喷水推进要求喷出水流是连续的，这样得到的推力也才是连续的，所以间歇式泵很难用作喷水推进，而叶片泵出流连续、效率高、抗汽蚀性能好，因而作为喷水推进泵的首选。

用于喷水推进泵的泵型主要是轴流泵(如图3所示)和导叶式混流泵(如图4所示)，离心泵(如图5所示)用得很少。这主要有两个原因。

图3 轴流泵

图4 导叶式混流泵

图5 离心泵

（1）大推力的需要由于推力方程)(0v v Q P j ⨯-⨯⨯=αρ 可知，推力与泵的流量Q 成正比，大推力要求有大的流量，上述三种泵是按比转速s n 来分类的，比转速可按式(4)计算：

H

Q n n s 65.3= (4) 三种泵相比较，轴流泵比转速高，即流量大，扬程低；离心泵比转速小，即流量小，扬程高；

而混流泵居于轴流泵和离心泵之间，流量和扬程适中。由此不难看出，从推力的角度考虑喷水推进采用轴流泵较为理想。但是由于轴流泵扬程低，对于高速船喷速高损失大，要求推进泵的扬程也较高，这样轴流泵只能靠多级串联才能满足要求，这就带来布置、重量等一系列矛盾。因而喷水推进轴流泵大多用在航速相对较低的船上，而导叶式混流泵大多用在相对航速较高的船艇上，因为它流量和扬程都适中，采用单级就可满足要求。离心泵流量小，产生的推力相对较小，且推进效率相对较低，只在特殊场合才应用。

（2）布置上的原因轴流泵和导叶式混流泵基本是沿轴线方向进流与出流，因而它可与主机、传动机构成直线布置，这在船舶推进系统上是十分合理的布局。但离心泵和蜗壳式混流泵进流和出流成 90布置，因而在船舶上传动机构及轴系很难布置。

五、喷泵推进装置设计的基本思路

喷水推进船推进装置的设计一般讲分为两步：

（1）第一步有了船型及阻力、尾部型线、吃水状况、布置约束要求、发动机性能参数等条件，确定应该配置一台什么样的喷水推进泵才是相对最优的，即能达到高的推进效率或航速，同时又不会产生汽蚀(空泡)。这就是喷水推进主要参数优化计算的内容，通过对喷水推进三个主要方程的叠代求解，可得到无数个喷水推进泵的参数，即流量)/(3s m Q 、扬程(m 水柱)、功率e N (kW)、转速n 、叶轮直径0D (m)、喷口直径j D (m)、比转速s n 。、汽蚀比转速C 、航速s v (kn)等。然后从中分析比较优化，得到认为相对最佳的方案。这一过程通常称喷水推进主要参数的优化选择。

（2）第二步有了由喷水推进主参数优化得到的推进泵参数，通过什么方法，设计出所需要的喷水推进泵及相应的操控机构和自动控制系统。

结语：综上所述，喷水推进技术在确保水上载体高航速、无空泡运行的性能上比螺旋桨有明显优势外，对军用舰艇及两栖战车的隐身性能的提高也极具潜能。因而无论是在民用船舶和军用舰艇，还是在水面舰船和两栖战车以及水下潜艇上，喷水推进技术都有广阔地应用前景。