模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性能
模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性
能 2002年第7期国外舰船工程总第281期 模型试验确定吸气式喷水推进器水动力性能 周轶美译何汉保校
摘要对于运行时可能吸气到推进器叶片系统的船舶(高速船,浅吃水运输船等),吸
气式喷
水推进器是很有前途的推进器.介绍在空泡水筒中测量吸气式喷水推进器水动力
性能的
方法
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,并
给出基本试验结果.
关键词推进器水动力性能模型试验
1引言
吸气式喷水推进器(VwJ)最适合于推进器安装 于近水面的船舶.理论和试验数据
表
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明,吸气式喷 水推进器的特点是推进效率高,结构简单,重量轻, 噪声低,操作性能优良,特别是在有波浪影响的近水 面航行时性能稳定.
吸气式喷水推进器由水导管和安装于导管出口 处的轴流式叶轮组成.因此可获得推进器喷流的水 上或半浸入水的喷射,而不需要传统的水流矫直系 统.当推进器工作时,与水导管出口接触的空气顺 着导管至叶轮叶片并在叶片上形成空泡,然后在喷 流边缘与大气汇合.这些空泡分隔,作用如同收敛 导管,从而减小推进器的水压力面.吸气式喷水推 进器示意图见图1.
图1吸气式喷水推进器布置图
吸气式喷水推进器水动力性能的理论计算要求
考虑水和空气两种介质的存在,推进器叶片上空泡 的形成条件等复杂问
题
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.当前大量的问题通过简化 假设得到了解决,但是在某些情况下,这些结果没有 达到要求的精度.这就是讨论吸气式喷水推进器推 进引起的水动力时,试验是很重要的原因.我们可 以注意到,关于吸气式喷水推进器水动力性能的论 一
26一
文非常少,而且至今也没有发现国外有关的研究信 息.
2吸气式喷水推进器模型试验特性
必须指出,能进行吸气式喷水推进器模型试验 的设备,不仅要满足模型和实船的几何相似及水动 力相似,还要满足一些附加条件.附加条件如下: ?
提供推进器喷流与大气之间的接触;
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在大气压力和真空条件下进行试验的可能 性.
提出后面一条要求的理由如下:
1)在某一给定进速系数.,下,对不同流动速 度,叶轮叶片上流动分离点(空化起始的地方)的位 置不是单一的,引起无因次水动力特性也不同.吸 气式喷水推进器模型试验和表面螺旋桨模型试验表 明,尽管可观测到叶片完全充满大气,但在相同进速 系数下,低空泡数的推力系数和扭矩系数比大气压 力条件下的小.
2)由于导管提供吸气式喷水推进器的部分推 力,导管空化时推进效率可能降低.
因此,在确定推进器水动力性能时,必须考虑叶 轮叶片上和其他一些细结构上空化开始的可能性, 以及空化程度对推进效率的影响等.试验设备应能 观测叶轮和导管区域的流动.为了确定吸气式喷水 推进器的水动力性能,建造了一台特殊的水动力试 验台,还设计了在空泡水筒中进行吸气式喷水推进 器模型(叶轮一轴一水导管)的试验方法. 水动力试验台应能进行大气压力和真空压力下 吸气式喷水推进器叶轮模型轴向流动的试验.安装
2002年第7期国外舰船工程总第281期 在试验台工作段出口的模型将来流推向蓄水池中水 面.在试验中,测量叶轮推力和扭矩q,转速n, 总压力P和静压力P..叶轮上的压力为P0.试验结 果表达为无因次推力系数K:r/(pnD),无因次
空泡数 扭矩系数=Q/(pnD)以及导管压力,
=
2(p一Po)/(』D/嵋)与进速系数-,=v3/(nD)的 关系.这里,V3=~/r_二,D为叶轮直径.
到目前为止,在水动力试验台上已进行了一些 试验一理论研究和不同几何尺寸的推进器模型系列 试验.根据水动力试验台上得到的推力和扭矩曲线 图以及其他一些水动力特征,可以初步近似确定吸 气式喷水推进器水动力元件,计算船舶推进性能. 3在空泡水筒中进行吸气式喷水推进器模 型试验的方法及结果
在水动力试验台上进行模型试验时,吸气式喷 水推进器进口段壁面上产生的力并未计入,而且在 带有进口段一起工作时,叶轮的水动力特征还会发
生变化.为了确定吸气式喷水推进器的水动力特 性,特设计出包含"导管一轴一叶轮"的水动力测试 成套设备在空泡水筒中进行模型试验的方法.为保 证推进器喷流与空气的接触,可通过安装在空泡水 筒上部的气阀调节,使空泡水筒达到较低水位.吸 气式喷水推进模型在空泡水筒中的布置见图2. 试验将测量下列参数:叶轮推力,轴扭矩q; 6
作用在进口壁面上沿运动方向的力R;叶轮前的压 力P,由此确定实效空泡数.推进器的实际推力是叶 轮推力和进口阻力的差值.=一只.试验结果表 达为无因次叶轮推力系数K=r/(pnD),无因次 叶轮实效推力系数:/(D),无因次扭矩
系数=Q/(pnD),无因次阻力系数CR=
2R/(』D俨)与进速系数J=v/(nD)的关系.其中, 是用皮托管在工作段测量叶轮处的水流速度,17,为 轴转速,D为推进器直径.空泡水筒中模型试验分两 步进行:
1)研究阻力最小及在运动时无空泡的进口段 形状.
2)确定推进器组合体的水动力性能,其进口形 状由1)确定,其中叶轮几何形状利用由水动力试验 台确定的水动力特性图谱在设计第一阶段确定. 在第一阶段的试验中,分别观察大气压力及真 空下叶轮区域和导管区域的流场.导管形状和叶轮 叶片轮廓形状在空化起始时要进行修正.因此,每 次进行水动力测量都须完整重复一遍上述步骤. 根据试验第二步VwJ最终形式的试验结果,推 进器组合体水动力特征用,,关于-,的函数
来描述.对选定的进口,螺距比H/D=1.2的吸气 式喷水推进器的特征曲线见图3.在这种情况下,可 以设计进口形状使系数,在整个变化范围内吻 合,例如导管推力完全抵消轴和尾轴架的阻力及进 图2空泡水筒中进行吸气式喷水推进器模型试验的设备示意图
1空泡水筒轴
2吸气式喷水推进器叶轮模型
3吸气式喷水推进器导管模型
4船体模型7尾轴架
5测力计支架8轴承
6空泡水筒外壳9水密封装置
口壁的摩擦阻力等.因此,效率
仇=r,J/(2rrK0)达到0.64.
类似可得螺距比H/D=1.0,
1.8,1.9的吸气式喷水推进器
特征曲线.
值得注意的是上述所有吸
气式喷水推进器的特征曲线是
低压力条件下测得的,适用于
包括高速船在内的各类船舶.
由吸气式喷水推进器的水
动力特征可看到,对所有的吸
气式喷水推进器,叶轮推力与
进速比的关系都有明确的表
一
27—
2002年第7期国外舰船工程总第281期 征.对这些推进器,水动力特征曲线由两个分支组
成,一支对应低进速比(低航速),曲线随着J的减小
而减小.这部分曲线特点是存在由叶片导边分离的
空泡.曲线的右边部分对应全速,这时,在叶片吸力
面的部分或仅仅随边存在充气现象.推进效率的最
大值通常出现在曲线的一支与另一支相交区域(或
者说进速比稍大的区域).
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图3吸气式喷水推进器性能曲线
应该注意到,在空泡水筒中进行吸气式喷水推 进器模型试验的方法,允许静水位与气阀下边缘重 合,水筒工作段上边平齐.通常,吸气式喷水推进器 的叶轮轴线与此水位平齐.因此,静水压力对流经 推进器的流速没有影响,对于不同航速,模型试验的 结果重合,即没必要满足傅汝德数相似. 对实船,水自由表面与尾封板处的船底是不重 合的,尾封板处相当于模型试验中气阀的下边缘.对 低速船,这个差别尤其大.这种情况下,由于静水压 力由尾封板相对于静水面的浸深决定,叶轮前面总 的水压头增加.为此,可在计算中引入与傅汝德数有
关的伴流系数来考虑,伴流由公式wh=l一 ~/l+2/F,计算.
一
28一
对于低速,系数可能为很大的负值,这导致 推力系数曲线在大进速比时减小,相应的低速时计 算的推力偏大.对于高速,系数为小的正值,计 算中可以不予考虑.图4示出叶轮轴线在不同浸深 时,螺距比H/D=1.2的吸气式喷水推进器模型的 特征曲线.
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图4吸气式喷水推进器性能曲线与傅汝德数的关系曲线
4结论
由上述讨论可以得出结论:水动力试验台上进
行的吸气式喷水推进器叶轮的模型试验,以及在空
泡水筒中进行的吸气式喷水推进器试验结果,可以
用来确定推进器的尺寸和水动力要素,还可确定装
备了吸气式喷水推进器的船舶推进性能.
参考文献
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namiecharacteristicsofventilatedwater—jetimpellers.Proceedingsof KrylovShipbuildlngResearchInstitute.1996,286(2) (收稿13期2002—02—08)