面向中低速船的浸沒式噴水推進技術

蔡佑林 張 恒 陳 剛 邱繼濤 汲國瑞 王建強

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

噴水推進是利用推進泵噴產生的高速射流與進流動量差形成推力，進而驅動船舶航行的推進方式，具有高航速時推進效率高、水動力噪聲低及操縱性優(yōu)異等特點，廣泛應用于新型高速船舶[1-2]。該類船舶尾部艙容較大，可以在艙內布置多臺噴水推進裝置。21 世紀以來，隨著中低速船舶對推進裝置效率、操縱性與弱尾跡要求的日益提升，浸沒式噴水推進裝置也隨之誕生。該類裝置對艉部艙容沒有要求，泵體可以露出于船體以外，噴口完全浸沒在水下。浸沒式噴水推進裝置如圖1 所示。

圖1 浸沒式噴水推進裝置

美國在著名的DDG1000 驅逐艦總尺度的1/4試驗艇海噴號上應用了代號AWJ-21 的浸沒式噴水推進裝置。公開資料表明，AWJ-21 是為提高船舶航速而設計的，應用后可使船體更加光順，工作時沒有舵、軸系和螺旋槳支架。AWJ-21 推進系統效率低于同等級的螺旋槳，但綜合考慮螺旋槳系統的附體阻力后，AWJ-21 優(yōu)于螺旋槳，不僅在相同航速下可減少4%功率，而且AWJ-21 在重負荷領域表現更佳[2]。德國福伊特（Voith）公司近年推出了布置于船底的推進器，稱為線性推進器，如圖2 所示。

圖2 福伊特公司的線性推進器

福伊特公司稱該推進器適用于20 ~ 40 kn 航速范圍，目前已經應用于1 艘21 m 的海上風電場保障船[3]。由圖2 可見，該推進器更像帶導葉的導管槳，操縱機構為螺旋槳的平板舵。從導葉形狀看，該推進器誘導的周向誘導速度不高，用泵的術語表達，即比轉速高。

盡管國外有浸沒式噴水推進裝置相關產品及應用的報道，但由于牽涉到商業(yè)技術保密的原因，報道均未涉及技術，而國內尚處于研究階段。本文基于傳統噴水推進理論，針對該型式，從概念、效率、裝置與船體的相互影響、泵型參數等方面開展分析論證，結合案例分析，建立水動力數學模型并掌握相關規(guī)律，為具體工程應用奠定基礎。

1 浸沒式噴水推進

傳統噴水推進裝置整體布置于船艙內部（如圖3 所示）。裝置軸線與船體水線平齊，通過裝置的進口流道將水從船底吸入推進泵。這種型式的噴水推進裝置需要船體尾部線型足夠豐滿，能完全容納推進裝置。當船體尾部型深不足時，泵體下部必然露出船底板，浸沒式噴水推進裝置便應運而生。

圖3 典型尾板式噴水推進器結構圖

圖4 是由本院設計的典型浸沒式噴水推進結構示意圖。由圖可見：浸沒式噴水推進裝置上部包絡于船體內，下部從船體露出，噴口完全位于船體水線以下。

圖4 典型浸沒式噴水推進器結構圖

與噴水推進的水線噴射相比，該結構水下噴射尾跡弱[4]，進口流道型式為半沖壓式，長度與彎度小于尾板式，損失較小。

2 推進效率

推進效率為泵效率與管道系統效率的乘積，公式與推導過程如下：

根據噴水推進推力方程，船體阻力與推力相等[5]，阻力R為：

按照目前技術水平，推進泵效率可達到88%。提升推進效率的關鍵是系統效率，根據推力與管道損失公式可得系統效率表達式，見式（6）。

其中，根據管道系統能量平衡方程，管道系統損失為推進泵需要提供的揚程H可由下述算式獲得：

以上公式及推導過程中：T為推力，N；ρ為流體密度，kg/m3；Q為管道系統流量，m3/s；V0為船速，m/s；k為噴速比，k=Vj/V0；α為邊界層動量影響系數；β為邊界層動能影響系數，β≈α2；k1為進口流道損失；kj為噴口損失系數。

由式（6）可見，系統效率與航速沒有顯性關系，只與噴速比、邊界層影響系數、進口損失和噴口損失有關。當噴速比k為1.4 ~ 1.5 時，系統兼具高效與小尺度。與此同時，浸沒式裝置的進口流道為半沖壓型，長度短，進口損失k1小于尾板式。

3 推進裝置與船體相互影響

浸沒式噴水推進也存在船與推進裝置間的相互影響現象，船體伴流對推進裝置的影響在式（6）中充分體現。傳統尾板式噴水推進裝置的進口流道采用平進口，吸收的邊界層流體較多，船體伴流對推進裝置進口動量影響較大，α相對較??；浸沒式噴水推進裝置的進口流道為較短的半沖壓式，吸收船體邊界層低速流體較少，α較尾板式略大。

與螺旋槳相同，噴水推進裝置對船體的影響也由推力減額體現。對于螺旋槳船舶而言，由于船后螺旋槳的抽吸作用，槳盤前方的水流速度增大而壓力降低，使螺旋槳抽水作用所及的船尾部壓力均下降，整個船體壓差阻力增大。對于噴水推進船舶而言，其進速比IVR一般小于1，即推進裝置水流有減速增壓作用，同時船后噴射流也能增加船尾壓力，噴水推進對船體的推力為推力增額，這也是噴水推進裝置在高航速時效率高的原因之一。對于浸沒式噴水推進裝置而言，由于推進裝置有一部分在船體外，高航速時附體阻力顯著增加[6]，因而適用于25 kn 以下的中低速船舶。

4 泵型選擇

比轉速ns是水泵水動力特性的綜合判別數。離心泵的比轉速一般小于300，混流泵的比轉速為300 ~ 700，軸流泵的比轉速為500 ~ 2 000。[7-8]流量轉速相同的條件下，比轉速高則揚程低。對于噴水推進而言，推力大小由泵的流量與揚程產生的高速噴射流決定。對于高速船，除較大的流量外，還需要較高揚程以提高噴射速度，泵型一般為轉速較低的混流泵；對于中低速船，因噴射速度相對低，故不需要過高揚程，泵型一般選擇比轉速較高的軸流泵。比轉速在2 000 以上時，揚程過低，周向誘導速度小，一般不需要設置回收能量的導葉，這時推進泵型式便演化為導管槳或者螺旋槳。

根據水泵比轉速的定義：

水泵揚程為：

定義管道損失系數：

式中：進速比IVR為泵進口速度比船速，一般為0.6 ~ 1.0；KQ為水泵流量系數，一般為0.65 ~ 0.9；n為推進泵轉速，r/min；D0為泵特征直徑，m。

由式（8）與式（9）可得，噴水推進的進速系數[9]：

將流量系數與進速比代入式（8）可得，噴水推進的進速系數一般為0.83 ~ 1.9，高于螺旋槳船的進速系數。等航速與轉速下，噴水推進的規(guī)格尺度小于螺旋槳。

由式（6）、（7）、（10）與（11）可得，以船與推進器特征參數描述的比轉速為：

式（13）表明：在船體阻力確定的條件下，航速低的船需要比轉速高的推進泵，選擇比轉速高的推進泵能相應降低推進裝置規(guī)格尺度；在給定航速的條件下，阻力大的船推進泵比轉速高；噴速比k大，特征直徑D0小。因此，浸沒式噴水推進適用于25 kn 以下中低速船舶，所應用的推進泵比轉速在1 000 以上。

5 案例分析

針對某船，根據其18 kn 時的阻力開展模型浸沒式噴水推進方案論證。模型長約6 m，對應航速2.66 m/s、阻力121 N，配2 臺推進泵，考慮附體阻力后的單泵推力為62.9 N。取噴速比k=1.45，根據數值模擬結果，邊界層動量影響系數α=0.95，邊界層動能影響系數β=0.9，進口損失系數k1=0.05，推力減額0.04，推進泵效率88%。計算過程與結果分別見表1 與表2。

表1 不同噴速比下的管道系統計算表

表2 不同泵轉速下的推進泵規(guī)格

表1 為管道系統水動力參數隨噴速比的變化，噴速比范圍為1.41 ~ 1.50，此區(qū)域兼具系統效率與規(guī)格尺度。由表1 可見，隨著噴速比增加，管道系統總損失增大、流量減小，在泵效不變的條件下，系統效率與推進效率下降。以當前的設計水平，推進泵水力模型效率可達88%，按88%計算。管道系統參數隨噴速比的變化趨勢如圖5 所示。

圖5 管道系統參數隨噴速比的變化趨勢

表2 為給定噴速比k=1.45 時，泵參數隨轉速的變化。流量系數取0.78，給定兩參數的條件下，隨著轉速的降低，比轉速降低而直徑增大。進速比在0.9 附近進口流道效率較高，此時轉速920 r/min，比轉速1 274。換算至標準模型，流量0.51 m3/s、揚程4.26 m、功率24.14 kW。圖6 反映了泵特征參數隨轉速的變化趨勢。

圖6 泵特征參數隨轉速的變化趨勢

6 結 論

本文針對浸沒式噴水推進裝置，從推進效率、裝置與船體的相互影響、適用的泵型等方面開展機理分析，首次建立了以船體與推進裝置主要參數描述的比轉速及噴水推進船進速系數的數學模型，論證了其應用的航速與推進泵比轉速范圍，并通過案例進行驗證，掌握了裝置主要參數隨噴速比與轉速的變化規(guī)律。主要結論如下：

（1）船體航速對推進泵管道系統效率影響不明顯，系統效率只與噴速比、管道進口與噴口損失及船體伴流相關。在選擇合適的噴速比與高效的推進泵情況下，低速船應用浸沒式噴水推進裝置能實現高效推進。

（2）浸沒式噴水推進裝置適用的航速范圍為10 ~25 kn。航速高于25 kn 時，推進裝置露出于船體外的部分阻力過大，間接降低了推進效率；航速低于10 kn時，比轉速過高，超出了泵的范圍，實為螺旋槳。

（3）推進泵比轉速與航速的精確匹配是浸沒式噴水推進裝置的關鍵，航速與比轉速成反比例關系。航速25 kn 時，推進泵比轉速應在1 000 左右；航速10 kn 時，比轉速約為1 800。通過增加比轉速，能降低推進裝置的規(guī)格尺度。

（4）噴水推進的進速系數高于螺旋槳船的進速系數，在相同航速與轉速下，噴水推進的規(guī)格尺度小于螺旋槳。