2001, Vol. 44
2. 南方海洋科学与工程广东省实验室，广东 湛江 524006
2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory, Zhanjiang 524006, China
船舶高速喷水动力推进装置，主要是通过喷水动力推进泵，将海水介质压缩喷射出去，利用相互作用的水作用力即反作用力，推动船舶前行，从而达到为船舶提供前进动力的功能[1-3]。众多船舶推进方式中，船舶高速喷水动力推进器以其效率高、操作性能高、抗气蚀性能强、振动小、噪声低、装置简单等众多优势受到青睐。其中，喷水推进技术先后经过船舶液泵喷水推进、间歇式喷水推进、底板式喷水推进、尾板喷水推进、舷外喷水推进5个阶段的发展[4]。随着相关理论知识的完善和各类仿真软件的发展，喷水动力装置逐渐得到应用。但由于喷水动力推进装置中倒车装置的设计和推进机构速度优化有待完善，故喷水动力推进装置在船舶动力推进系统中还不是很普遍。本文展开了船舶高速喷水动力推动器的设计和仿真研究，基于喷水动力推动装配进水流道、叶轮与导轮、喷嘴和倒车机构的仿真分析，提出优化方案，进一步提高船舶的减振降噪和喷水动力推动装配的高速机能，为高速喷水动力推动船舶的推动装配设计提供理论依据。
1 船舶高速喷水推进系统船舶高速喷水推进是一种比较传统的船舶推进方式。其推进装置工作原理相对螺旋桨推进较为简单，即把喷水动力推进泵安装在船舶尾端，推进装置沉没水中，由喷水推进泵提供能量的马达启动，就可以实现一个简单的船舶推进过程。
一般而言，喷水式推进系统主要包括空心圆柱形的进水管、带有喷射式输送出口的泵、转向和换向装置3个部分，即主要包括进水流道、叶轮、喷嘴以及倒车斗，如图1所示。其中喷水式推进泵由可旋转叶轮、叶轮壳体、喷嘴和导叶体轴系组成，是喷水式推进系统的一个重要核心组成部件，能够完成机械能和水力能的转化[5]。
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图 1 船舶高速喷水动力推进系统组成图 Fig. 1 Composition diagram of ship high speed water jet propulsion system |
进水管设计成流面形状，与船舶外表面形成大流线面，避免了喷水流泵内发生激流。主机做功输出能量通过轴系带动叶轮旋转，通过进水流道将船底的水抽出来。泵中的水由叶轮加压，通过导叶整流，然后从收缩喷嘴高速喷出。喷射出来的水在其上产生一定的逆向作用力，推动船舶前进。
2 船舶高速喷水动力推进器结构设计与建模 2.1 高速喷水动力推进器建模影响船舶喷水推进器高速性能的主要因素：进水流道、叶轮和导轮、喷嘴以及倒车装置，进行设计优化，提高船舶喷水推进装置高速性能，进而改善船舶航速和操纵性能，为船舶高速性能研究提供理论依据[6]。图2为喷水推进系统三维建模图。舷外水从进水流道进入喷水推进系统，经过喷水流道流经叶轮，主机带动叶轮旋转对流体做功。压缩水体介质通过流道从喷嘴喷出，利用相互作用力，推动船舶前行。
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图 2 喷水系统Ansys三维模型图 Fig. 2 3D model of water spray system based on Ansys |
船舶高速喷水推进器的进行水流道系统组成大致可分为直管段、弯曲式进行水泵管段、叶轮轴、倾斜式进行水泵管段和船体进行水泵过渡段5个部分，船舶高速喷水泵的进水流道系统如图3所示，进水流道弯管段三维模型如图4所示。
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图 3 进水流道系统二维图 Fig. 3 2D diagram of inlet channel system |
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图 4 进水流道弯管段三维模型图 Fig. 4 3D model of elbow section of inlet channel |
弯管段的主要功能是控制流道中各种流体的位置和流动速度。通过对弯管圆弧半径和弯曲半径的控制，可以实现改变弯曲半径圆弧的长度和弯曲量，从而降低了流体介质对喷射泵的冲击，降低能量的损失；倾斜直管段的2条直线和入口流路中圆弧弯曲处圆弧相切，保证高度或长度发生较大变化时入口流路的运动变迁；流道和船身之间的过渡点是由出口通道中最复杂面积的唇部和斜坡所构成，该部分能够改善推进泵入口流体的均匀性，减少纵向水流对叶轮脉动冲击[7-8]。
图5为常见的流道吸入口形状，有椭圆形、长方形和综合型。
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图 5 流道吸入口形状二维图 Fig. 5 2D diagram of inlet shape of runner |
入口形状与位置对通过流体的流道性能有很大的影响。入口通道的唇部曲率可变性高，易发生空化反应。为使喷水推进泵入口通道效率最大，要求倾斜直管段的倾斜角度小，通道出口的速度均匀，唇角的角度适当而尖锐。
2.2.2 进水流道流体建模仿真一般情况下，进水流道弯管段倾斜角越小，水体介质在流道弯管段中受到的阻力越小，管道能量损失越小[9]。然而，在其他参数不变情况下，倾斜角不断变小，弯管段纵向长度必然会变长，导致流体介质在流道中的能量损失增加，故要确定一个范围内最优倾斜角，达到倾角和纵向长度最优，方可提高喷水推进效率。
基于原始喷水推进器存在的问题设计进水流道优选方案，利用 Solidworks 软件建立三维模型，在Ansys Workbench中建立Fluid Flow(Fluent)项目，并将建好的3D模型导入到Geometry模块建立理想化模型；创建流道内流体体积，隐藏实体管道；约束流体边界，对流体介质体积进口和出口条件进行设定，利用Ansys Fluent 软件对进水流道进行数值模拟，分析其流体动力学特性。针对流体介质在管道内压力分布，选出最好的进水流道工况设计方案，然后确定进水流道的形状。
通过流体仿真得到初设结果如图6所示。图6(a)为管道流体压力分布图，可知流体介质压力主要集中在流道弯管段上边沿，下沿负压严重，管道中的静压容易引起空化现象，增加流体介质能量损失，进而降低喷水泵推进效率；图6(b)为流体介质在管道内速度分布图，高速流体分布主要集中在流道弯管段下边沿。针对流体介质在流道弯管段能量损失，进行8种不同流道倾角流道建模，分析流体介质在流道中压力变化。
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图 6 流体压力/流速分布 Fig. 6 Fluid pressure / velocity distribution |
建模数据如表1所示
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表 1 建模数据表 Tab.1 Modeling data table |
为了使仿真图能够直观地体现分析图表，清晰对比出流体在管道内的压力分布情况，建模数据表采用递减方式进行设定。表中管道纵向长度随着管道倾角减小而增加。
仿真结果如图7所示。
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图 7 压力分布图 Fig. 7 Pressure distribution diagram |
设计出的进水流道参数，对计算模型进行数值模拟，选出最好的进水流道倾角。根据以下的基本要求，对进水流道是否符合最优解进行判断：
1）进水流道弯管处下沿静压影响程度；
2）进水流道上沿压力影响程度；
3）进水流道弯管处速度情况；
4）进水流道纵向长度对船舶空间占用情况；
5）进水流道中流体介质对不同倾斜段倾角的适应程度。
8种工况是在初设值基础上进行优化，结果表明：随着倾角减小，流道弯管段下沿静压降低，相应的流道纵向长度增加，将会导致流体介质在管道中能量损失增加，影响推进效率；此外随着管道的加长，占用船舶空间也会增加。同时，在其他参数不变下，弯道倾斜角应该选取33°，流道中流体介质能量损失最小，流道纵向长度小。
3 高速喷水推进装置结构优化 3.1 高速喷水推进装置叶轮和导叶分析导叶和叶轮导管设计如图8所示[10]。导叶的作用是尽可能高效地将流体动能转为压能，从而将动能转换为一部分推力。随着喷水泵在进行时空气流量的不断提高，叶片在吸、压力表面上的压力也不断增加，叶片的表面压力从引入边(进口侧)到随边(出口边)也增加。叶片由构件带动旋转做功，将轴所带有的轴功率传递给流道中水流体介质，流道中的水流体介质流过叶型栅栏，不断从管道中吸收能量，然后泵内压头不断增加，所以在同一纵向截面位置处，流道内叶片的压力面高于进水流道口吸入面。在喷泵中叶轮叶面吸入面处于高压状态，过大的流量使流体直接冲洗叶轮，对叶轮扰动大，强度要求相对要很高。在叶轮正面入口叶顶部门，呈现压力最低值，该处易发生空化的部位，检验时应注重空蚀水平。随着喷泵内水流体介质不断从舷外吸入，水流量不断增加，低压区位置沿着叶顶向出口边位置有所偏移，低压值也慢慢增大。
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图 8 导叶和叶轮导管段三维模型图 Fig. 8 3D model of guide vane and impeller duct section |
喷口段设计如图9所示[11]。喷嘴形状能够改变喷嘴的有效面积和流出的速度方向，从而影响喷水推进装置性能。一般来说，喷嘴部的面积比推进泵的入口和出口的面积小，水流经过高速化流出，产生一定的收缩，使水的流速方向不同。当喷水动力推进装置中喷嘴的有效工作面积变化为收缩区域时，整个水喷射推进器的工作参数将会发生变化。喷嘴周口直径可以扩大水喷射推进的有效工作区域，是影响喷泵性能的主要因素。
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图 9 喷口段三维模型图 Fig. 9 3D model of nozzle section |
通过在导杆出口处添加导杆帽，可以有效提高导杆后方的逆流问题，使水流更加稳定。同时，利用导向盖改善流场也提高了水喷射螺旋桨的性能，使喷嘴的流速分布面积均匀。合理改进喷嘴形状，使流速方向与喷嘴部垂直，流量和推力增加[12] 。
3.3 高速喷水推进装置倒航机构分析倒车机构设计如图10所示。使用喷水动力推进装置的船舶，其舵机主要安装在喷嘴背面，利用喷泵喷射出的高压流体经过舵改变船舶航向。利用方向舵换向机构改变射流方向，产生方向舵效应实现转向。良好舵响应能力的船舶能够快速响应操纵装置的动作，在喷水推进船停止时，舵一启动就能迅速操纵；相反，即使喷水推进船有较大的航速，只要推进泵射流停止，船舶也不会对舵的运动作出反应。另外，由于水射流推进系统中导叶的导流作用，喷嘴后面的高速射流不旋转。
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图 10 倒车机构三维模型图 Fig. 10 3D model of reversing mechanism |
喷水推进船舶的转向性能，特别是反航时的舵响应效果，因舵机类型不同而有显著差异。而且，当舵在高速满舵时，喷水推进船的推力将比常规推进船大，使得切向速度下降更多，因此比螺旋桨推进更容易控制船舶的自转。此外，喷水推进船还可以通过调节换向机构使其处于不同的相对位置，实现微速、换向、驻车等多种航行状态[13]。结合转向，喷水推进船可以非常灵活地转弯和原地转弯，在多个推进通道的情况下也可以实现横向导航。因此，喷水推进船进出码头时，不需要停车维持舵效，同时利用转向换向机构实现微速并停止制动。在熟悉喷水推进船方向舵换向机构性能的基础上，可以看出其良好的操纵性能。
4 结 语本文主要介绍了喷水推进系统的工作原理、系统结构组成，分析影响船舶推进效率的因素，进水流道倾斜段倾角，导叶和叶轮页数形状，导航机构形状。对进水流道进行流体介质体建模，分析了进水流道弯管段静压分布，以及流速损失分布。主要总结如下：
1）运用Solidworks，CAD，Ansys等软件对喷水推进器进行二维和三维建模，Visio作结构图。
2）介绍船舶高速喷水动力系统中的进水流道，叶轮和导轮机构，喷口机构和倒车装置。
3）针对影响船舶喷水推进系统推进效率因素，主要研究了流道倾角对推进效率的影响。
4）基于喷水推进器进水流道模型中存在缺点，对流道倾角进行不同工况的方案设计，主要针对进水流道倾斜管段的倾角进行流道方案优选设计，进行流道的数值模拟，分析流道弯管处压力分布等，选取静压和流道纵向长度相对好的进水流道。
5）通过Solidworks对进水流道进行三维建模，建成流体体积模型进行分析，针对流体在流道弯管段的压力分布进行优化，结合流道纵向长度以及弯道下沿静压因素，在其他参数不变的情况下，分析得到5种工况中最优流道倾角为33°。
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