【word】 船舶喷水推进器特殊工况性能研究

【word】 船舶喷水推进器特殊工况性能研究 船舶喷水推进器特殊工况性能研究 第32卷第7期 2011年7月 哈尔滨 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 大学 JournalofHarbinEngineeringUniversity Vo1.32No.7 Ju1.201l doi:10.3969/j.issn.1007-7043.2011.07.006 船舶喷水推进器特殊工况性能研究 孙存楼,王永生,黄斌 (海军工程大学船舶与动力学院,湖北武汉430033) 摘要:喷水推进船推进装置中的薄弱环节为喷水推进泵的空化而非主机的超负荷.为预防喷水推进器在空化状态工 作,对喷水推进船转弯,加速及部分推进器工作时的性能进行了研究.借助计算流体力学方法数值模拟特殊工况喷水推 进器的流场,从流体动力特性角度 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 特殊工况易发生空化的原因.建立了某喷水推进船推进装置及船体阻力的数学模 型,以空化限制线为约束,研究特殊工况避免产生空化的使用方法.研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,喷水推进船转弯时泵的有效进流净正吸头 随舵角增大而减小,高转速,高航速时降低幅度更大,实际使用时应限 制高速时转弯的舵角,采取缓慢转弯;加速过程中, 泵的汽蚀余量增加速度要大于进流的有效净正吸头,可采取分段加 速的方法预防空化的发生;部分推进器工作时,空化 裕度降低,转弯时限制的最大舵角更小,加速过程分阶段更多. 关键词:喷水推进;特殊工况;空化;汽蚀余量 中图分类号:U664.34文献标识码:A文章编 号:1006-7043(2011)07-0867-06 Researchonwaterjetperformanceinspecialworkconditions SUNCunlou,WANGYongsheng,HUANGBin (CollegeofNavalArchitectureandPower,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China) Abstract:Thewaterjetistheweakcomponentinawaterjetpropulsionsystembecauseitispronetocavitationbe— foreengineoverloading.Inthefollowingresearch,waterjetperformancewasresearchedduringoperation,andone ormorewaterjetswerebrokeninordertoavoidcavitation.Flowconditionsofawaterjetinthreespecialworkcondi: tionsweresimulatedbyfirstsolvingRANSequations.Hydrodynamicperformanceofthewaterjetwasanalyzedin ordertodiscoverthecavitationreasons.Thenmathematicmodelsofawaterjetpropulsionsystemandshipresistance werebuiltandthecavitationrestrictionlinewasusedtoresearchhowtoavoidc avitationinspecialworkconditions. Someconclusionswerederivedfromthisresearch.Thenetpositivesuctionheadofeffectiveinflownpshawillbe— comesmallwhenincreasingtherudderangleduringaturnanditissmallerforhigherrotationspeedandship speed.Cavitationcanbeavoidedbyrestrictingrudderangleduringaturn.Thenpshrofawaterjetpumpincreases fasterthantheNPSHaresultingfromwhenashipaccelerates.Amultilevelaccelerationmethodshouldbecarried outtoavoidcavitation.Maximumrudderangleissmallerandaccelerationstepsaremoreduetolesscavitationre— dundancywhenaportionofthewaterjetsareworking. Keywords:wate~et;specialworkcondition;cavitation;NPSH “船体一推进器一主机”匹配研究表明 进船有别于螺旋桨推进船最显着的特点 喷水推 最薄弱 环节从柴油机,螺旋桨推进中的主机变成了相应的 喷水推进泵.喷水推进船稳定航行时(本文称为正 收稿日期:2010-03-02 作者简介:孙存楼(1982一),男,博士,E—mail:sclhgd@126 王永生(1955一),男,教授,博士生导师. 通信作者:孙存楼 常工况),推进泵可有效利用来流的动能增加进流的 净正吸头,延迟和抑制空化的产生.在部分推进器工 作,或在进行船舶机动时(本文称为特殊工况),如加 速,转弯过程中,进流的净正吸头要明显减小或低于 该转速下泵所要求的最低限制,推进泵容易产生空 化.从设计角度减小泵汽蚀余量是提高推进泵抗空化 性能的方法之一,但已装船使用的喷水推进泵空化性 ? 868?哈尔滨工程大学第32卷 能主要与工况有关.近年来,计算流体力学被广泛应 用于喷水推进器流体动力性能的研究,通过两相流数 值计算并利用水与常温下水蒸气的等值面描述推进 泵的空化性能也有报道,但该研究大多针对单独 泵或直航状态的喷水推进器,研究结果主要用于指导 泵的设计或分析空化对喷水推进器性能的影响.利用 数值方法研究喷水推进船特殊工况的流体动力性能 很少见报道. 本文用数值方法模拟了喷水推进船高速转弯,加 速及部分推进器工作时喷水推进器的流场,计算和比 较了3种工况有效净正吸头及力矩等参数的变化规 律,从流动特性角度分析空化发生的原因.建立了某 喷水推进船主机,传动装置,推进器及船体阻力的数 学模型,以喷水推进器外特性曲线中的空化限制线为 约束,提出预防特殊工况推进泵空化的具体 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 . 1喷水推进船特殊工况描述 1.1喷水推进器的性能曲线 工程实际中,为了便于推进器的选型,厂商会提 供不同型号喷水推进器的性能曲线,以供船舶设计者 参考和使用.喷水推进器的性能曲线一般包括多个等 功率条件下推力随航速的变化曲线以及转速随航速 的变化曲线,如图1,2所示.将船体阻力曲线与推力 特性曲线叠放到一起,可进行船舶的快速性预报;转 速特性曲线中可以看出,等功率条件下喷水推进器力 矩随航速的变化率很小,驱动喷水推进器的主机很容 易从低速加速至额定转速.喷水推进器的性能曲线还 划分成不同区域以区分空化程度.图1,2中区域I为 无空化区,该区域内无工作时间限制;区域II为轻度 空化区,工作时数有一定的时间限制;区域III为严重 空化区,工作时数限制更为严格.船舶设计者在进行 喷水推进器的选型时一般会考虑空化的影响,船舶稳 定航行工况与空化限制线留有一定的裕度,裕度越 大,推进泵越不容易进入空化区,但空化裕度的确定 还考虑推进效率等因素. 矗 ? 高 ,-/ (V/Vdesi~)/% 图1喷水推进器推力与航速关系曲线 Fig.1WaterjetthrustVeUSUShullspeeddiagram 墨 {\ lO5 lOO 95 9O 85 80 75 70 图2喷水推进器转速与航速关系曲线 Fig.2WaterjetrotationspeedV~USIIIShullspeeddiagram 1.23种特殊工况 喷水推进器性能曲线中区分空化程度的曲线称 为空化限制线.空化限制线为泵的等比转速曲线], 可根据泵试验时扬程随流量的下降程度计算得到.为 了保证泵不工作在空化区,泵进流的有效净正吸头 NPSH需大于泵的汽蚀余量NPSH.喷水推进船稳定 航行时泵进流的有效净正吸头可表示为 nn, 2? NPSH=+(1—)(1一).(1) psg 式中:p为大气压力,P为水汽化压力,~)ship为航速, s为流道损失系数,W为进口伴流系数,P为水的密 度,g为重力加速度. 从式(1)可以看出,正常航行时因船体存在一 定的航速,进水流道进流带进的动能将增加泵进口 的总压,有效净正吸头增加,使得高航速时推进泵亦 不易产生空化.因进流增加的有效净正吸头与船体 的伴流系数及流道的损失有关,伴流系数越大,流道 损失越严重,增加的净正吸头越小. 泵的汽蚀余量与泵的几何及工作参数有关,可 表示为J: NPSH:D.(2) g 式中:k与泵的几何参数有关;n为泵的转速;D为泵 的直径.几何形状确定的泵,转速越高,汽蚀余量越 大.喷水推进船在如下3种工况泵的汽蚀余量增加, 而有效净正吸头减小或增加缓慢,推进泵容易产生 空化. 1)高速转弯.转弯时因船体阻力改变,航速下 降,伴流系数增大,流道进流带进的动能对泵进流净 正吸头的贡献(式(1)中右边第2项)将减小.转弯 舵角越大,有效净正吸头下降越快,推进泵越容易产 生空化. 2)加速过程.从式(2)知,推进泵的汽蚀余量与 泵的几何及工作参数有关,泵的转速受航速影响较 小,在加速时主机转速很容易升高,而航速的增加需 要一定的过程,如加速过快,进流有效净正吸头将小 第7期孙存楼,等:船舶喷水推进器特殊工况性能研究?869? 于泵的汽蚀余量,推进泵将发生空化. 3)部分推进器工作.当推进系统中的一台或多 台主机,轴系,喷水推进器因故障停止工作时,剩余 喷水推进器的负载将增加,船体航速降低,进流净正 吸头减小. 推进泵的空化主要与流体动力性能相关,下文 借助计算流体力学方法分析上述3种特殊工况喷水 推进器的流体动力性能,从流动特性角度分析特殊 工况易空化发生的原因. 2特殊工况流场数值模拟及性能分析 2.1流场数值模拟 喷水推进器特殊工况的流场通过求解雷诺时均 的RANS方程进行模拟.喷水推进船通过倒车机构 改变喷射水流的方向实现船体的转弯及平移运动, 紧急加速及部分推进器工作时属于直航工况,不需 要改变舵角.数值计算输入的已知量为转速与航速, 通过改变进流的角度模拟不同舵角下的转弯情况. 作者在文献[7-9]中用数值方法研究了喷水推进器 正常航行全工况范围内的流场及性能预报,与试验 值相比,数值预报结果有较高的精度,此处关于数值 方法的准确性及可信性等问题不再阐述.整个数值 计算区域用结构化网格进行离散,采用的湍流模型 为SST模型,如图3所示. 图3喷水推进流场数值计算区域网格 Fig.3Numericalmeshofwaterjetflowdomain 2.2高速转弯 喷水推进船通过倒车机构改变喷射水流的方向 实现转弯过程.文章对87%de100%ndesign及70% i50%rtdesign2种工况进行研究.舵角(倒车机构 转向的角度)改变的范围为一3O.一3O..图4为用流 线表示的87%de目i…100%ndesign工况4种舵角情况 下喷水推进器吸入水流情况.随着舵角的增加,喷水 推进器吸入水流的方向逐渐向舵角方向偏移,流道 进水口流动紊乱增强,同时伴有旋涡出现.图5为泵 进流的有效净正吸头随舵角变化情况.随着舵角的 增加,净正吸头逐渐减小,正负舵角皆显示同样的规 律.2种工况比较表明,航速,转速高,有效净正吸头 下降幅度大,喷水推进泵越容易产生空化.图6为转 弯舵角对喷水推进泵叶轮力矩影响情况.舵角摆动 方向与喷水推进泵叶轮旋转方向相同时(此时舵角 为负),转弯引起的进流方向改变相当于给泵的进 流增加一定的预旋,泵的力矩减小;相反,泵的力矩 增加.可以看出,当主机满负荷工作时,负舵角转弯, 主机容易超转速;正舵角转弯,主机容易超负荷,如 图7所示.. 图4喷水推进不同舵角流线 Fig.4Waterjetstreamlinesatdifferentdriftangles 1. 1 0. 皇0. 0. 皇0. 舵角/(.) 图5净正吸头随舵角变化情况 Fig.5NormalizedNPSHversusdriftangle 舵角/(.) 图6喷水推进器力矩随舵角变化情况 Fig.6Normalizedtorqueversusdriftangle I 负舵角转l正舵角 弯,主机:转弯, 容易超转I主机容 速I易超负 图7喷水推进船转弯示惫 Fig.7Sketchmapforwaterjetshipsteering 2.3加速过程 喷水推进器的功率性能受航速影响较小,在加 速过程中,主机容易从低转速增加至额定转速,而航 速增加缓慢.该过程推进泵汽蚀余量迅速增加,而进 流的净正吸头增加缓慢,喷水推进泵先产生空化,随 着航速的增加,进流净正吸头增加,空化逐渐消失. 1. 一 斟 LD9 o ? 870?哈尔滨工程大学第32卷 图8为额定转速下泵进流净正吸头与航速的关系, 即相当于紧急加速时,主机先达到额定转速,航速逐 渐增加的过程.低航速时泵进流的净正吸头要明显 小于额定转速下正常航行时的值,在25%设计航 速,如转速突然增加至额定转速,进流的净正吸头只 占额定转速正常航行时对应值的40%,喷水推进泵 将产生严重空化.紧急加速的另一缺点是主机容易 超负荷,额定转速下泵的力矩随航速的变化关系如 图9所示,25%设计航速的力矩比正常航行时的力 矩大4.3%. l 重0 皇0 v/vdesi印 图8额定转速下净正吸头随航速的变化关系 Fig.8NormalizedNPSHversushullspeedatthedesign rotationspeed l 1 2 V/Vd~ 图9额定转速下力矩随航速变化关系 Fig.9Normalizedtorqueversushullspeedatthedesign rotationspeed 2.4部分推进器工作 喷水推进船在航行过程中因主机,轴系或喷水 推进器本身发生故障导致一台或多台喷水推进器停 止工作后,推进器的推进性能曲线与船体阻力曲线 的匹配关系将发生改变.图10为某喷水推进船一台 喷水推进器停止工作剩余3台推进器推力与阻力匹 配曲线.与正常工作时4台喷水推进器联合推进 (图1)相比,最大航速降低约10%,空化裕度由原 来的20O~/)design下降到6%vi额定转速工作时,进 流的净正吸头下降幅度约为8%(图8),此时喷水 推进船在机动,转弯及加速过程中更容易产生空化. 晷 , 图103台喷水推进器工作推力曲线 Fig.10Waterjetthrustdiagramof3waterjets 3预防喷水推进泵产生空化的方法 前面从流体动力特性角度分析了特殊工况喷水 推进泵容易产生空化的原因,接下来以某喷水推进 船为对象,通过建立柴油机,轴系,喷水推进器及船 体阻力的数学模型,结合船体操纵性模型,分析实际 使用中如何避免泵产生空化. 3.1仿真模型的建立 建立的数学模型主要包括的子模型有:调速器, 柴油机,传动装置,喷水推进器,船体阻力模型.为了 研究转弯,加速等工况,还建立船体操纵性数学模 型.上述模型借助MatlabSimulink工具实现,整个仿 真模型如图11所示.仿真计算时喷水推进泵不产生 空化的约束为图1,2中的空化限制线. 图l1喷水推进船Matlab仿真模型(第1层) Fig.11Matlabsimulinkmodelforwaterjetship(thefirstlayer) 第7期孙存楼,等:船舶喷水推进器特殊工况性能研究 3.2高速转弯 转弯时最大舵角限制为30.度.船体转弯前A, B,C3个稳定工况的转速及航速分别为:A:100% dig,100%dig;B:90%ndign,88%d.ig;C:76% ni62%i;3个工况避免泵产生空化的最大舵 角及在此舵角下稳定转弯航速如图l2所示.工况A 最大舵角为l7.,回转稳定航速为81%Vde日;工况B 最大舵角17.5.,回转稳定航速为59%;工况C 可以达到最大舵角30.,回转稳定航速为30%i 从上述分析可以得出,高航速,高转速工况,泵汽蚀 余量大,所需进流净正吸头大,需利用来流的动能增 加进流的净正吸头,喷水推进船转弯时应限制舵角 的变化范围;而低转速,低航速工况时,泵汽蚀余量 小,所需来流净正吸头小,元需进流增加的净正吸头 也可满足无空化工作. 图123种转弯工况避免空化的最大舵角限制 Fig.12Themaximumdriftanglesatthreeoperationcon? ditionsforavoidingpumpcavitation 3.3加速过程 喜 图13喷水推进船避免空化的分段加速过程 Fig.13Waterjetmultilevelacceleratingprocessforavoi- dingpumpcavitation 加速是船舶运动中常用工况.加速过程中,如果 快速增加主机转速,此时航速来不及变化或者变化 很小,泵的汽蚀余量迅速增加,而进流的净正吸头几 乎没有增加,泵将产生空化.为防止加速过程泵产生 空化,应控制加速速率.以柴油机异步加速法为例, 航速从38%设计航速增加至最大航速可分为A,B, C这3个阶段进行,如图l3所示,即增加柴油机转 速后,保持转速不变,等待航速增加达到一定值后再 增加转速,依此方法,直至达到目标航速.按照分段 加速过程操纵,可防止喷水推进泵产生空化. 3.4部分推进器工作 部分推进器工作时,因推进器负载增加,船体航 速下降,推进泵的空化裕度减小,操纵转弯及加速过 程应更加小心.3台喷水推进器转弯时最大舵角及 转弯稳定航速如图12所示.与4台喷水推进器工作 相比,100%r/,i工况(A)最大转弯舵角下降至 7.5.;90%凡des工况(B,)最大转弯舵角下降至8., 小于4台喷水推进器联合推进时的最大转弯舵角. 图l3中虚线表示3台喷水推进器工作时的加速过 程.与4台工作相比,其加速过程所需阶段更多,由 原来的3个阶段增加至5个阶段,已超出设计加速 档位,需额外手动控制. 4结论 本文通过求解雷诺时均的RANS方程及建立喷 水推进船整体的数学模型,从流体动力特性角度分 析3种特殊工况推进泵容易产生空化的原因,从实 际使用的角度研究预防推进泵产生空化的使用方 法,通过研究主要得到如下结论: 1)喷水推进船转弯时泵的有效进流净正吸头 随舵角增大而减小,高转速,高航速时降低幅度更 大.实际使用时应限制高速时转弯的舵角,采取缓慢 转弯. 2)喷水推进船加速时主机容易从低转速迅速 增加至额定转速,而船体速度增加缓慢.泵的汽蚀余 量先大于有效净正吸头,泵产生空化,随着航速的增 加,有效进流净正吸头增加,空化逐渐消失.实际使 用中,可采取分段加速的方法避免空化的产生.增加 转速后,待航速增加至一定值后再进行下一步加速, 直至目标航速. 3)部分推进器工作时,负载增加,航速下降,空 化裕度降低,转弯时最大舵角变小,加速过程分阶段 更多,实际操纵使用过程应更谨慎. 参考文献: [1]王永生,常广晖,丁江明.”船一泵一机”匹配方法研究[J]. 清华大学:自然科学版,2007,47(5):623-626. WANGYongsheng,CHANGGuanghui,DINGJiangming. Matchingofship,waterjetandengine[J].JournalofTsing— huaUniversity(Sci&Tech),2007,47(5):623-626. [2]SETHS,KIMS,JASKH.Towardpredictingperformance ofanaxialflowwaterjetincludingtheeffectsofcavitation ? 872?哈尔滨工程大学第32卷 andthrustbreakdown[C]//FirstInternationalSymposium 334. onMarinePropulsors.Trondheim,Norway,2009:327— [3]LIUChen~iang,WANGYongsheng.Numericalsimulation andanalysisofcavitationperformanceofwate~jet[C]// WaterjetPropulsion.London,UK,2008. [4]刘承江,王永生.混流式喷水推进器空化性能数值分析 [J].机械工程,2009,45(6):76—83. LIUChen~iang,WANGYongsheng.Numericalsimulation ofamixed—flowwaterjetcavitatingperformance[J].Journal ofMechanicalEngineering,2009,45(6):76—83. [5]ALLISIONJ.Marinewaterjetpropulsion[J].Transactions ofSNAME,1993,101:275—355. [6]BULTENN,VERBEEKR.Off-designbehaviorofwaterjets [C]//WaterjetPropulsion5.London,UK,2008. [7]SUNCunlou,WANGYongsheng.Researchonhydrodynan— icperformanceofhybridpropulsionsystem[C]//Waterjet Propulsion5.London,UK,2008. [8]孙存楼.喷水推进器流场的数值模拟与性能预报[D]. 武汉:海军工程大学,2007:. SUNCunlou.Numericalsimulationandperformancepredic. tionofmarinewaterjet[D].Wuhan:NavalUniversityof Engineering,2007. [9]孙存楼,王永生.CFD在船舶喷水推进器设计与性能分 析中的应用[J].哈尔滨工程大学,2008,29(5): 444-448. SUNCunlou,WANGYongsheng.Computationalfluiddy— namicsformarinewaterjetdesignandperformanceanalysis [J].JournalofHarbinEngineeringUniversity,2008,29 (5):444-448. [责任编辑:陈峰] (上接第866页) [8]方廷勇,冯文兴,李辉亮.火灾烟气毒性评价新的”RRC” 动态模型及工程应用[J].火灾科学与技术,2005,3 (24):156.158. FANGTingyong,FENGWenxing,LIHuiliang.Establish— mentofanewdynamicRRCmodelinsmoketoxicityevalua- tionandengineeringapplication[J].FireScienceand Technology,2005,3(24):156—158. [9]BURSTEDDEC,KLAUEKK,SCHADSCHNEIDERA,et a1.Simulationofpedestriandynamicsusingatwo—dimen— sionalcellularautomaton[J].PhysicaA,2001,295:507— 525. [10]BURKSAW.Essaysoncellularautomata.Vonneumann~ self-reproducingautomata[R].Urbana:UniversityofIlli— noisPress,1970. [11]WOLFRAMS.Theoryandapplicationofcellularautomata [M].Singapore:WorldScientific,1986:5—8. [12]KIRCHNERA,NISHINARIK,SCHADSCHNEIDERA. Frictioneffectsandclogginginacellularautomatonmodel forpedestriandynamics[J].PhysicalReviewE,2003,67 (2):056122.1-056122.10. [13]KIRCHNERA,SCHADSCHNEIDERA.Simulationofe- vacuationprocessesusingabionics?-inspiredcellularau?? tomatonmodelforpedestriandynamics[J].PhysicaA, 2002,312:260-276. [14]陈淼.舰船通达性仿真评估系统初步研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2009:3,40-41. CHENMiao.Preliminaryresearchonthesimulationof passengerevacuationperformanceofpassengerships[D]. Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2009:3,40_41. [15]HELBINGD,FARKASI,VICSEKT.Simulatingdynami— calfeaturesofescapepanic[J].Nature,2000,407 (6803):487-490. [16]ZHAOJinchao,QIHuan,ZHANGYongming.Modeling andassessinganewwarshipmaintenancesystem[J]. JournalofMarineScienceandApplication,2010,9(1): 69—74. [17]YANRujian,PANGShuo,SUNHanbing,PANGYongjie. Developmentandmissionsofunmannedsurfacevehicle [J].JournalofMarineScienceandApplication,2010,9 f4):451-457. [责任编辑:孟玮]