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



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

（海军驻武汉四三八厂军事代表室，武汉 430061）

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。

船舶 喷水推进泵 选型设计 工作参数 几何参数

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：

初始设计时，还需要假定以下几个参数：

1.2工作参数计算

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：

则喷水推进器喷射效率为：

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。

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：

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（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，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，泵进口值为一常数，其值也为一定值。

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：

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

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：

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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Calculation of Operating Conditions and Geometry Parameters for Waterjet Pump Design

Nie Jiandong, Zhu Chaofeng

(Naval Representatives Office in No.438 Factory, Wuhan 430061, China)

As a main component of the propulsion system, there are significant differences in the selection and design of the waterjet pump from conventional pump, and its operating conditions must lay the foundations for performances in propulsion system. The optimum jet velocity ratio is selected on the basis of the maximum jet efficiency of the propulsion system under design vessel speed, and the rotating speed is determined after considering the cavitation characteristics under the hump-drag condition for which design rotational speed is required, and the engine power is mated at the same time. Given design speed required and ship’s resistance-speed curve, after 8 assumed non-dimensional parameters are introduced, and the pump operating conditions are determined with 5 parameters. The main geometry parameters of the pump can be rationally linked to the operating conditions by the specific speed and the suction specific speed, so that the rotor inlet and outlet diameter, nozzle diameter can be calculated, and additional geometric constraints for a waterjet pump and its power density and weight are all considered at last when the design parameters are determined.

ship waterjet pump; selection and design; operating conditions; geometry parameters

TQ04

A

1003-4862（2015）03-0059-07

2014-12-18

聂建栋（1981-），男，工程师。研究方向：船舶机械。