高速巡逻艇喷水推进泵三元优化设计研究*

王小二 张振山 靳栓宝

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

高速巡逻艇喷水推进泵三元优化设计研究*

王小二 张振山 靳栓宝

(海军工程大学兵器工程系 武汉 430033)

针对某新设计高速巡逻艇选型国外某喷泵达不到设计航速的问题，运用CFD方法对该被选喷泵和进水流道内流场进行了数值模拟.结果发现，该喷泵在设计工况下敞水效率较低，导叶处有一定程度的漩涡和流动分离，进水流道背部也存在涡旋.运用泵的三元设计理论，为该巡逻艇的喷水推进泵进行了重新选型和三元设计，在轴面线的绘制过程中使用了贝赛尔曲线，保证了整个轴面线的光滑过渡.同时为了提高抗空化性，增加了叶轮叶片数.数值模拟结果显示，新设计的喷泵效率有了明显提高，设计工况效率可达91.2%，同时泵的低压区较小，保证了泵的抗空化性能，也消除了导叶中的二次流.“喷泵+流道+平板船”数值自航结果表明，该巡逻艇在设计工况下达到了设计航速.

巡逻艇； 喷水推进器； CFD； 三元理论； 优化设计

0 引 言

近年来，喷水推进器以其优越的性能在越来越多的船舶上得到了应用，对于救生艇、巡逻艇、摩托艇等高速船舶，喷水推进更是拥有螺旋桨不能比拟的优势.正是这样的需求,对喷水推进泵的设计提出了越来越高的要求，传统的二元技术已经很难满足高效率喷水推进泵的设计.20世纪90年代，计算机技术和计算流体力学得到了很大发展，这使得喷水推进泵的设计和优化技术也得到了很大提高，设计者得以借助计算机对喷水推进泵进行快速的三元设计.世界知名的喷水推进厂商Kamewa公司、Hamilton公司、MJP公司最近几年也借助三元设计方法，相继推出了多款大型喷水推进器[1-2].Akira等[3-4]运用CFD对混流泵的内流场进行了数值模拟，并用试验的方法验证了数值计算中的二次流问题，通过对三元设计中叶片负载分布的研究，成功的减小了叶轮和导叶中的二次流.运用CFD和三元设计方法对一款离心泵进行了优化设计，经过对比，发现二次流基本消失.Duccio等[5]又对混流泵设计中的导边包角、堆叠条件等几个重要参数进行了研究，运用三元设计理论成功设计出了高效的喷水推进用混流泵.三元设计对流动的假设减少了，但因为考虑了流动的三维性而更具优越性.因此在国内也得到了越来越多的重视和应用.常书平等[6]对三元设计中三种叶轮出口环量形式进行了研究，得出了递增型环量分布泵的效率较高但容易空化的结论.靳栓宝等[7]则通过对紧凑型水泵的轴面形状分析，成功运用三元理论对某高比转数混流泵进行了轴流式设计，喷泵敞水效率达到了92.7%.

针对某巡逻艇选型国外某喷泵达不到设计航速这一问题，首先对该艇所选喷水推进泵进行了建模，运用CFD方法对其进行了水力性能计算，找到了该艇未达到设计航速的原因；然后运用三元设计理论在考虑粘性情况下重新设计了一款喷泵.计算后发现，无论效率还是流动状态都有较大提高，设计工况下，航速也达到了预定航速.

1 控制方程和方法验证

1.1 控制方程

运用基于有限体积法和中心节点控制的计算机程序来求解雷诺-时均方程，湍流模型选用SST模式，该模式既保证了近壁面处湍流耗散小，收敛性好的特点，同时，在湍流充分发展的区域，对复杂流场的流动状况捕捉的也比较好.

不可压粘性流体的控制方程如下.

(1)

(2)

式(1)和式(2)分别为质量方程和动量方程，fi为质量力；μ为流体动力粘性系数；μi为湍流动力粘性系数.

1.2 方法验证

在对该艇所选用的国外某喷水推进器水力性能计算之前，先选择国外某厂家提供比对数据的另一型喷水推进器进行数值模拟，以验证所用数值模型和计算方法的可信性.

该泵叶轮进口直径为710 mm,有6个叶片和11个导叶，其几何模型见图1.

图1 几何模型图

泵的喷口和流道采用ICEM进行六面体网格化分，近壁面处进行网格加密，保证边界层流动模拟y+在200以内.叶轮和导叶的六面体网格采用turbo-grid进行网格划分，叶片周围采用O型网格，叶轮顶端间隙处设置10层网格，保证间隙处流动的详细捕捉，见图2.各部件最终网格数见表1.

图2 叶轮导叶网格图

万个

边界条件设为总压进口、静压出口，不考虑流体重力影响，叶轮和流道、导叶交界面采用稳态多参考系方法进行数据传递，计算步长设为物理时间1/ω，其中ω为叶轮每秒转过的角度.

计算6个不同转速下泵的水力性能，以泵的轴功率为对象，求取数值模拟结果同试验数据的比值，结果见表2.由表2可知，计算值和试验值相对误差在2%以内，满足工程需要，同时也证明了该文中所用数值计算方法的可信性.

表2 某混流泵轴功率计算结果

2 巡逻艇所选国外喷泵性能的CFD计算

研究的对象为某巡逻艇所选国外某喷水推进泵，该泵为一个单级轴流泵.在设计工况下，该巡逻艇未达到设计航速，现用计算流体力学方法对该泵的敞水性能进行计算分析以查找原因.

2.1 几何建模

根据国外某厂家提供的数据，运用三维几何建模软件UG对原喷泵进行几何建模，该泵直径为560 mm，其中，叶轮的叶片数为5片，导叶叶片数为7片.几何模型见图3.

图3 艇用轴流泵几何模型

2.2 网格划分

采用与验证计算中相同的网格划分方法，对该轴流泵进行网格划分，喷水推进器各部件近壁面处考虑流体边界层，对近壁面处网格进行加密，保证y+在200以内.为了对该轴流泵全通道进行网格无关性分析，在设计转速下，使用SST湍流模型对该泵在不同网格数目下的叶轮功率进行计算，计算结果见图4.由图4可知，轴流泵的整体网格在 110万～200万时，轴流泵的叶轮功率基本没有变化，在实际计算过程中，网格节点数采用216万，从而确保了计算精度.

图4 艇用轴流泵网格无关性分析图

2.3 边界条件设置

该泵边界条件设置见图5，其中叶轮中叶片和轮毂设为相对静止壁面条件，叶轮外壳设为绝对静止壁面条件，叶轮转速为 1 329 r/min，计算裸泵水力性能时采用额定转速工况下流量作为进流条件，即2 460 kg/s，泵的出口设为静压出口.其他边界条件同验证试验中的相同.

图5 边界条件设置图

2.4 裸泵计算结果分析

分别在5个不同流量情况下，计算泵的功率、扬程和效率.计算结果见图6.由图6可知，在设计工况下，泵的效率为88.8%，同时当流量在80%设计流量时，泵的效率下降较大，只有82.8%，这说明泵的高效区比较窄，在实际航行过程中经济性会比较差.同时在导叶处也发现存在一定程度的漩涡，导叶轮毂处有比较严重的二次流产生，见图7～8.

图6 所选泵的水力性能图

图7 导叶中的漩涡图

图8 导叶中的二次流图

2.5 “泵+流道+平板船”推进性能分析

在对裸泵进行水力性能计算后，需要进一步对“泵+流道+平板船”组成的系统进行数值计算，以预报该泵装船后船的航速.其中，平板船的长宽高根据文献[8]，分别取为叶轮进口直径的30倍，10倍，8倍.对于来流给定不同的航速作为边界条件，叶轮转速设为额定转速1 329 r/min，计算喷水推进器装船后的效率和推力性能.经过后处理发现，该泵在45 kn航速下，推力远小于厂家提供的阻力.改变航速后，重新计算.最终的航速预报结果见图10.由图10可见，推力曲线和阻力曲线相交在39.7 kn左右，远低于设计航速.通过线性插值，可得此时泵的效率在87%.对流道的内流场进行观察，发现流道背部存在大量涡旋，这对推进器的进流产生了很大影响，同时涡旋也损耗了来流的部分能量.

图9 流道背部流线图

图10 原泵航速预报图

3 三元优化设计与性能分析

3.1 三元设计理论

三元设计理论的基本思想就是将三维的流场分解为周向的平均流场和周期性脉动流场来求解.在求解2个流场过程中为了简化叶轮中水流的流动状态，对水进行无粘、不可压缩、定常假设.用叶片中心的涡面代替叶片对水的作用，涡的强度由周向环量2πrVθ控制.在完成2个流场求解之后，再通过有限差分法和贴体坐标系求解整个流场的速度分布[10-14]；叶切面通过叶片表面流线的一阶双曲型偏微分方程求得，根据输入的堆叠条件生成叶片，对比新旧叶片包角，当前后叶片包角的差别小于10-5rad时，认为该叶片已完成设计.否则，对流场和叶片进行重新计算，直到满足条件为止.

需要在设计之前需要的参数有：叶轮或导叶轴面线；叶轮的转速n；流量Q；叶片数B；叶片负载在轴向上的分布规律∂rVθ/∂m；叶片厚度.其中叶片厚度由叶片的结构强度确定.负载分布规律用来控制流场需要特别给出，其他参数由选型决定.

3.2 新泵轴面线设计

根据该船所要求的航速，原所选喷泵已无法满足要求，因此对该艇所需喷水推进器进行重新选型和设计，具体选型结果见表3.重新选型后，进口流量增大到原来流量的1.2倍，叶轮进口直径缩小为原来直径的89%，考虑高航速下泵的抗空化性能，根据文献[9]，叶轮选取6个叶片，导叶取为11叶.

表3 新泵选型结果

运用三维几何建模软件对选型后泵的轴面线进行设计，原泵中叶轮轮毂直径为165 mm，毂径比为0.59，过流通道横截面115 mm,有些偏小.新的轴面线同时减小了叶轮直径和轮毂比，叶轮直径选为500 mm, 毂径比选为0.5，过流通道横截面增大为125 mm.叶轮直径减小后，叶稍的速度减小，水泵的抗空化性能会进一步提高.同时，叶轮和导叶的轮毂段使用贝赛尔曲线画出，保证在实际使用过程中叶轮和导叶中的水能平滑流动，叶轮导叶连接处同水平线相切.图11显示了新设计泵的轴面形状.

图11 新泵轴面形状

3.3 叶片负载分布

根据文献[5]，在三元设计中，叶片的负载分布对泵的效率和空化有重要影响，也是本设计的关键.采用文献[5]中推荐的负载分布规律，对叶片负载采用前重载分布，即在20%的弦长处负载达到最大，之后保证平稳，在40%弦长处开始下降，这样在保证泵效率的同时，不容易出现流动分离.同时合理分配叶轮轮毂和外壳截面处的负载，整个轴面负载通过线性插值得到，具体分布规律见图12.运用三元反问题设计方法求取叶片中心面，进而采用流体动力性能较好的NACA型厚度分布规律为叶片加厚，导边和随边处进行修圆处理，提高叶片的抗空化性能.经过计算发现，在设计点裸泵的效率较高，空化情况也满足条件，需要进一步分析新泵的全工况水力性能.图13显示的是新设计的叶轮和导叶几何模型.

图12 负载分布图

图13 新设计泵的几何模型

3.4 新泵的水力性能分析

采用同第1节验证中相同的网格划分和水力性能计算方法对新设计的泵进行数值计算，叶轮和导叶全通道网格数为166万.新设计泵的性能曲线见图14，由图14可知，新设计的喷水推进泵在很大的流量范围内具有85%以上的高效率，在设计流量3 010 kg/s时效率达到91.25%.新设计泵导叶中的流动情况见图15.由图15可知，代表水流的速度矢量图光滑平顺，这表明导叶处的漩涡和二次流得到了很好的解决.叶轮表面压力情况见图16，其中深色区域代表低压区，可以看到只有叶轮导边处有一非常小的深色窄带，这是由于非均匀进流条件引起的，对泵的水力性能和使用寿命影响不大.

图14 新泵水力性能曲线图

图15 导叶中流体矢量图

图16 叶轮表面压力云图

3.5 “新泵+新流道+平板船”计算分析

新的推进泵设计出来之后，对“新泵+新流道+平板船”系统进行计算分析，新的流道由作者所在团队其他成员设计提供，其几何见图17.航速45 kn时，其流道效率达到95.7%.加上流道和平板船之后，设定泵的转速为1 315 r/min，来流速度设为45 kn，计算喷水推进器的推力，计算后，发现推力大于阻力，调整来流速度，重新计算.将推力曲线与阻力曲线相交，结果见图18，可以看到航速预报在46 kn左右，满足选型设计要求，此时船后泵效率在89%.

图17 新设计流道图

图18 新泵航速预报图

因此，从总体上来说，新设计的泵各项性能合格，同原来选型泵相比，新设计的泵几何尺寸较小，所以质量更轻；流动分离得到了较好的解决，设计工况下未见空化.

4 结 论

1) 针对原来喷泵的毂径比偏大，导叶中有漩涡的问题，采用三元设计方法重新设计了一款喷泵，新泵的效率达到了91.25%，体现了三元设计方法较传统一元、二元方法的优越性.

2) 三元设计过程中，负载分布对泵的效率和抗空化性能有较大影响，选择合适的负载分布，是三元设计过程中的关键.

3) 设计过程中，泵的轴面线采用四阶贝赛尔曲线绘出，能够保证叶轮和导叶连接的平滑过渡，比用多段圆弧连接要更光顺，同时，可根据需要调节控制点以改变轴面线形状.

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Optimization Design of Water Jet Propulsion Equipped on High Speed Patrol Boat

WANG Xiao’er ZHANG Zhenshan JIN Shuanbao

(DepartmentofWeaponryEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

In order to investigate the reason why a patrol boat could not reach its design speed when abroad waterjet propulsion is chosen, CFD method is used to calculate hydrodynamic and cavitation performance of the axial water jet pump. Through analysis of the flow in the pump, it’s found that the pump’s efficiency is low at the design condition and there are some vortexes and flow separations at the guide vanes and duct. A new pump type is selected and designed through three-dimensional inverse design theory. During the draw of the pump meridional channel, the Bezier curve is used to guarantee the meridional channel smooth. At the same time, the number of rotor blades was increased to suppress the area of low pressure. It’s shown that the efficiency of the new pump has been improved to 91.2% after optimization. The new pump has a good resistance to cavitations and the secondary flow behavior in the diffuser is completely eliminated. Based on numerical self propulsion of “hull+duct+pump”, the patrol boat reaches its design speed successfully.

patrol boat; water jet propulsion; CFD; 3-D inverse design theory; optimization

2016-11-15

*国家自然科学基金项目资助(51309229)

U664.33

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.013

王小二(1988—)：男，博士生，主要研究领域为水下推进技术