喷水推进器设计

喷水推进器设计

喷水推进器的水力设计包括喷水推进泵水力设计及进水流道水力设计两部分。

图 1 喷水推进系统

螺旋喷水推进泵水力设计

喷水推进器主要由进水流道、叶轮、导叶与喷嘴四部分组成。螺旋喷水推进器装置如图 2 所示，其中进水流道的作用是将流体引入推进泵中；叶轮是喷水推进泵核心部件，也是唯一做功部件；导叶与喷嘴通常合并为导叶体，流体经导叶体整流之后从喷嘴喷出。本文中喷水推进泵的水力设计包括螺旋叶轮水力设计与导叶体水力设计两个部分。

1.进水流道 2.转轴 3.螺旋叶轮 4.导叶体

图 2 喷水推进器示意图

如图 3 所示，喷水推进器主要有轴流式、斜流式以及诱导轮式等多种类型。对比分析这几种不同的叶轮形式，可以得出如表 1 所示的结论。

（a）轴流泵叶轮（b）混流泵叶轮（c）诱导轮

图 3 不同类型的叶轮

表 1 不同形式的叶轮性能比较

与诱导轮相似，螺旋叶轮本身抗汽蚀性能好。主要原因有以下几点：（1）由于离心力的作用，轮毂处液流挤压外缘的气泡使其被控制在叶轮外缘局部，难以造成流道堵塞；（2）在汽蚀过程中螺旋喷水推进泵性能下降缓慢，叶轮可以在一定空化条件下工作；（3）较薄的叶片进口厚度、较大的叶栅稠密度设计均可以提升抗汽蚀性能。但高抗汽蚀性能也会牺牲一部分能量指标，所以需要选择合适的几何参数以提高泵的抗汽蚀性能与效率。

螺旋喷水推进泵参数选择

在对螺旋喷水推进泵进行设计之前，首先要明确其设计流量、扬程和转速，然后根据这些数据初步估算螺旋叶轮尺寸、导叶尺寸以及其他几何参数。本文给定的设计参数为：Qd=15m3/h，Hd= 0.5m，nd=1500r/min。由于喷水推进泵仅靠喷嘴节流，其最高效率点可能会向大流量偏移=。

1、叶轮直径 D

或

式中，Q 为泵体积流量，m3/s；n 为泵转速，r/min；φ为流量系数，0.1~ 0.14。

2、轮毂比与轮毂直径

对于轮毂比的选择，不仅要满足强度方面的要求，同时要考虑水力性能方面的要求。若减少,可增加过流面积，改善水力性能。推荐轮毂比=0.3 ~ 0.4。

3、叶片数 z

为防止叶片产生交替叶片汽蚀，叶片数为奇数时较优。而单叶片泵难以解决平衡问题，所以如果设计参数允许，优先选择 3 叶片或 5 叶片。由于螺旋式叶轮需选用抗汽蚀性能较好的叶片，故优先选用较多叶片，以增加叶片承载面，减小单位面积负载。

4、叶栅稠密度 l/t

叶栅稠密度不仅影响叶片的负荷和汽蚀性能，也影响推进泵的水力效率。稠密度越大，叶轮抗汽蚀性能越好，可以减轻汽蚀引起的震荡。一般选择 l/t = 2.0~2.5。这种稠密度使汽穴在流道负荷压力下有充足时间无扰动消失。若 l/t 过大，水力损失会增加。

5、叶片厚度

叶片厚度由流体动力强度决定。叶轮轮毂处厚度最大，轮缘截面处叶片厚度由工艺条件决定，通常取 δ = 1~3mm。

将设计参数代入以上所述相应计算公式，计算得到了螺旋叶片叶轮的基本参数。通过以上公式计算可得 D = 60mm，= 20mm，= 0.33，z = 5，l/t = 2.5。δ = 2mm。

螺旋式叶轮水力设计

根据圆柱层相关性假设，即在叶轮流场中，理论上不存在径向分速度。由于无限平面直列叶栅内部流动求解方法差异，可以将叶片设计方法分为以下三种：升力法、圆弧法与流线法。

升力法假定叶轮叶片数很少，流体在叶栅中的流动类似于单个机翼绕流，故叶栅中叶片相互作用对绕流特性影响较小。但是这种方法的缺点也很明显：不仅过度依赖试验数据，而且依赖设计人员的设计经验；单个机翼特性是在风洞试验中获取的，空气与水的流动差别很大，所以难以准确描述喷水推进泵内部流动；升力法计算得到的轮缘冲角很小，轮毂处却很大，叶片扭曲程度很大，从而降低推进泵的水力性能。

圆弧法是采用薄圆弧翼型代替叶片，通过求解圆弧翼型积分方程将翼型修正到具有适当厚度的方法。与升力法类似，此方法依赖实验数据，需要凭借经验修正，存在误差，计算方法复杂且难以计算翼型上各处速度与压力。

流线法根据叶片流线设计获取表面形状。该方法由进出口速度三角形计算出叶片进出口安放角，是传统一元理论在轴流泵上的应用。不仅叶轮性能稳定、设计简便且满足各种设计要求。

1、轮缘叶片进口角 βy1 与轮毂断面叶片进口角 βh1

进口直径相对液流角满足以下公式

其中，进口轴面速度

进口圆周速度

式中，为叶片排挤系数，0.8 ~ 0.95。

2、轮缘叶片出口角 βy2 与轮毂断面叶片出口角 βh2

3、轮缘翼型安放角 βcy 与轮毂翼型安放角 βch

4、叶片进出口边形状及进口后掠角、叶片进口后掠角半径 R

与诱导轮相似，螺旋叶轮进口边不在同一轴面上。图 4所示为常见不同进出口边

形状，进口直径转过一定角度时，叶轮半径才达到外缘半径。这样设计可以提高抗

汽蚀性能。图 4（a）所示为苏联杜莫夫推荐的进口形状，如图 4（b）所示被普遍认

为是抗空化能力最强的形状。图 4（c）所示为螺旋叶片的出口形状。本模型初步选

用图 4（b）中所示的方案。其中

（a）（b）（c）

图 4 叶片常见进出口形状

5、叶片轮缘包角 φ1 与叶片轮毂包角 φ2

6、导程 S、螺距 P、轮缘轴向高度 hy 和轮毂轴向高度 hh

本文螺旋叶轮采用圆柱等螺距叶轮，其中

7、叶片进出口打磨

叶片进口厚度的大小很大程度上影响了泵的汽蚀性能，厚度越小，叶轮抗汽蚀性能越好。如图 5 所示，打磨叶片进口背面修圆 R1 =（0.1~0.4）mm，叶轮直径越大，R1值越大。叶轮入口打磨长度 L1 =（8~12）δmm。叶片出口边工作面修圆 R2 =（0.1~0.4）mm，叶轮出口打磨长度 L2 =（6~8）δmm。

图 5 叶片进出口打磨

将设计参数代入以上所述相应计算公式，计算得到了螺旋叶片叶轮的结构参数。其中：轮缘进口相对液流角为 23.7°；出口直径相对液流角为 30.3°；轮毂进口叶片角为58°，轮毂出口叶片角为 62°。

导叶体水力设计

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。一般认为，导叶是喷水推进泵的必备部件。与叶轮设计方法相同，本研究中采用流线法设计导叶体。翼型选择机翼型剖面。本文选择 NACA661-012 水翼，该翼型具有叶片较薄、阻力小、抗汽蚀能力强等优点。导叶体的水力图如图 6 所示。具体设计参数如表2 所示。

图 6 导叶与喷嘴水力图

表 2 导叶主要设计参数

进水流道水力设计

进水流道的流动性能对整个推进器的推进能力有决定影响。喷水推进器进行工作时，流体在进水流道内部损耗的功率约占总功率的 10%。因此，设计性能优良的进水流道对提升喷水推进器性能十分重要。

进水流道三维建模

构建进水流道几何结构分两步进行：首先采用最少参数集来构建流道纵中剖面几何形状，以降低建模复杂程度。然后在二维建模的基础上设计进水口形状，从而生成三维几何模型。

如图 7 所示，流道纵中剖面由水平直管段、圆弧弯管段、倾斜直管段、流道与船体过渡段以及叶轮转轴组成。水平直管段与喷水推进泵进流段相连接，其直径等于喷水推进泵进口直径，作用是提升喷水推进泵进流的均匀度。圆弧弯管段由与两个水平直管段直线相切的同心圆弧组成，其弧长与弯曲程度与圆弧半径和圆弧中心角有关。倾斜直管段由两条平行直线段构成，两直线分别与弯管段的同心圆相切，其作用为保证进入流道的流体能够平稳过渡。流道与船体过渡段包括唇部与斜坡两个部分，这两部分的结构对流道出流品质、推进器空化性能影响明显，是进水流道设计中最重要的部分，本文中唇部与斜坡段形状均采用圆弧形设计。圆弧不仅而且造型简单、易于加工，并且方便灵活调整形状。