喷水推进装置推进泵空泡分析

喷水推进装置推进泵空泡 圜隘盛I Design&Development 喷水推进装置推进泵空泡分析 何秦珊 (广州船舶及海洋研究院广卅1510250) 摘要:本文介绍喷水推进应用,分析了喷水推进泵在船舶应用上进入空泡区的特性, 喷水推进的空泡 特点,空泡的危害性以及避免进入空泡区的措施. 关键词:喷水推进空泡措施 VacuoleAnalysisforPropulsionPumpofWaterjetPropulsionDevice HeQinshan (GuangzhouMarineEngineeringCorporationGuangzhou510250) Abstract:Thispaperintroducestheapplicationofwaterjetpropulsion,analyzesthecharacter sofpropulsionpump whichentersvacuolearea,thefeaturesofvacuoleinducedbywaterjetpropulsion,thehazardn essofvacuoleandputs forwardthemeasurestoavoidpropulsionpumpenteringvacuolearea. Keywords:WaterjetpropulsionVacuoleMeasures 1喷水推进的应用情况 喷水推进装置的工作原理是通过柴油机带动的水泵将 能量传递给水流,使水流以更高的速度从船舶的尾部喷射出 去,喷射出水流形成反作用力,并通过方向舵及倒航斗改变 水流方向来实现船舶的操纵.它具有机动性高,操纵性好, 抗空泡能力强,高速时推进效率高,船外附体少而阻力小, 振动与噪声低,浅水航行适应性强,工况多变的船舶能充分 利用主机功率延长主机寿命等优点,在世界各国的高速客渡 船及军用高性能船舶上有/,一泛的应用. 以往,喷水推进装置在我国一般只用在内河浅水船舶和 水陆两用战车上,随着新船型的开发以及船舶航速的提高, 国内喷水推进的应用越来越广泛.如珠j角地区到香港,大 连到烟台等的高速客轮,目前也开始在军用船舶上应用. 随着大功率,高性能喷水推进器的相继开发,喷水推 进装置在中大型水面舰船上应用逐渐增多.例如,南非海 作者简介:何秦珊(1966.9一)女.工程师. 收稿日期:2009年5月14日 军3500t级的MEKOA200型轻型护卫舰,采用了"柴燃联合 CODAG"+"喷水推进和调距桨混合推进WARP"方式的动力装 置,其喷水推进泵叶轮直径为2.8m,输入功率2万kW.这是 国际上首次在35O0吨级,航速接近30kn的水面战斗舰艇上 采用喷水推进.美国海军租用的HSV一2号双体穿浪船,船长 97.22m,船宽26.6m,吃水3.43m,满载排水量1800t,载 重680t;4套动力装置对称分布在2个片体内,每套动力装置 由1台功率为7200kW的Caterpillar3618柴油机驱动LJ120E型 喷水推进器,最高航速可达45kn. 2喷水推进的推进特性及空泡区域 喷水推进作为船舶的推进装置,其推进特性与常规螺 旋桨推进方式不同,螺旋桨推进的"船一桨一机"推进系 统中主要的限制因素是主机超负荷,而喷水推进的"船一 泵一机"推进系统中主要的限制因素是喷水推进泵工作限 制区.在船舶启航,加速,转弯,倒车,拖带和部分喷水推 进泵T作时,喷水推进泵很容易进入空泡工作区.喷水推进 泵在和船构成推进系统时其工作范围在其"船速一泵转速" 图中分为二个区域.第一个域是连续工作区,它山泡 和最大柴油机功率限制线组成.在这个区域喷水推进器工作 不受任何限制.第_1个区域是连续T作受限区,每年只允许 工作几百小时,用于像在航道中船体阻力增大时的情况.在 这个区域工作时,由于负荷较大,已产生有害性窄泡,其后 果,一是开始影响液力性能,如推力和效率有所下降等,二 是开始轻度剥蚀叶轮,导叶体和泵壳,因此,对此区域的工 作小时数有所限制.第三个区域是间歇使用区,每年只允 许工作几十小时,如于加速,减速和部分柴油机工作时等工 况.喷水推进器在这个区域_T作时已处在较为严重的空泡状 态,性能下降和气蚀更为严重,故在区域j对年工作小时数 有更为严格的限制. 以一艘四机四推进泵实船为例来说明推进泵的空泡区 域.图1为四机四泵加速过程喷泵转速与航速变化规律图, 表示喷水推进系统四机四泵工作时,柴油机从600r/miniM速 N2o53r/min(加速时间为30S),柴油机的负荷一直在允许 范围内(没超过MCR限制),没有出现超负荷的现象,而此 时喷泵的工作轨迹进入了限制运行区.因此,对采用喷水推 进的船舶,影响加速速率的主要因素不是推进主机在加速过 程中出现超负荷现象,而是唢泵的运行轨迹会进入限制运行 . 暑 {, 蛑 螫 航速《ln1 图1四机四泵加速过程喷泵转速与航速变化规律 对螺旋桨推进的船舶而言,船舶在回转lT况,推进系统 将承受很大的负荷;而采用喷水推进,在船舶回转时,呈现 出与螺旋桨推进船舶不同的动态特性.图2四机泵全速回 转过程喷泵转速与航速变化规律图,表示喷水推进系统四机 四泵全速全偏角回转(喷管偏角30.)时,四台柴油机的负 荷上升,这一点与螺旋桨推进船舶的回转特性类似.与螺旋 桨推进船舶不同的是,采喷水推进的船舶在回转时,柴油 机的负荷虽有所上升,但负荷增加的幅度十分有限.在整个 回转过程中,柴油机的负荷始终在允许范围内.船舶在高速 回转时,航速会很快下降并稳定下来(幅度约为30%).而 蹑嘣疆量 Design&DeVeIopment 喷泵的转速没有大变化,这导致喷泵很快进入限制工作区. 言 葫 样 聪 罄 航速fkJ'1 图2四机四泵全速回转过程喷泵转速与航速变化规律 当喷泵进入空泡区域后,不仅喷水推进泵的推力减小, 效率下降,噪声增大,而且会导致喷水推进泵的叶轮,导 叶体和流道的表面金属剥蚀.高速船平常频繁进行加速,转 弯,倒车和部分喷水推进泵工作等航行机动,因而喷水推进 泵会频繁进入空泡区,这会引起剥蚀加速,振动加剧和喷水 推进泵性能进一步下降.如叶轮,导叶体和流道的表面发生 明显剥蚀时,必需停航修理或部件更换,这既降低船的航 速,又造成修理费用的增加.喷水推进泵性能的显着降低又 会明显影响船舶操纵性,机动性和快速性的正常发挥. 3喷水推进泵的空泡特点 1)螺旋桨和喷水推进泵的工作原理不同.螺旋桨推进 是螺旋桨转动时,桨叶拨水向后,而自身受到水流的反作用 力,其推力通过桨轴和推力轴承传递至船体上;喷水推进是 将水流从船底吸入,经过推进泵增速后通过喷口向船后高速 喷出,利用喷出水流的反作用力来推动船舶航行. 2)螺旋桨推进和喷水推进产生的宁泡环境空间不.一样. 螺旋桨是外部流中产生的空泡;喷水推进是内部流中产生的 空泡. 3)喷水推进与螺旋桨推进的空泡形成不同.螺旋桨在水 中工作时,桨叶的叶背压力降低形成吸力面,如某处的压力 降至临界值以下时,导致爆发式的汽化,水汽通过界面,进 入气核并使之膨胀,产生空泡.喷水推进泵是流道水流冲压 值产生空泡,航速越高,喷水推进器来流的冲压值越大,叶 轮的空泡裕度越大,解决了高速时的空泡汽蚀问题,使推进 器可以在较高的转速下工作,从而使推进器尺寸减小以减轻 重量,还可减小齿轮箱的减速比而采取体积更小重量更轻的 齿轮箱. 4)不少研究结果表明,螺旋桨的空泡现象是噪声的主 要原因.喷水推进对于抑制空泡,降低船舶的声学信号具有 很好的效果,喷泵高速空泡现象下小会有船体颤动,扭矩影 响,水下低噪音.有关测试数据表明,在高速航速时,喷水 推进的噪声要比传统的螺旋桨推进低1OdB左右. (下转第37页) 表1负荷计算结果 题同蜀秘 Design&Development 由表1可见,码头,堆场装卸机械用电负荷占扩建港区用电负荷的比重将近84%. 根据计算结果,选用二台1000kVA 10/0.69kV和一台400kVA—lO/O.4kV变压器,基本可满足使用要求. 为便于比较660v,~H38oV供电的优缺点,现将两种电压在相同配电条件下的电缆 选择计算结果列于表2. 表2两种电压在相同配电条件下的电缆选择计算结果 (注:电缆采用VV22—1kV铜芯电缆,Aua为A/km电压损失百分比,?Ua为低压线 路电压损失百分比.) 由于低压电压等级的提高,线路电流减少,在相同配电条件并满足线路压降要求的情况下,配电电缆可减少一半,线路 损耗也相应减少.再由于660V配电电压仍属于1kV以下电压范围,现有的低压配电设备,元器件和材料等基本可直接采用, 或由生产厂家略加改进即可满足应用要求.可见,选择660V供电可大大节省配电电缆的投资,与10kV供电相比也大大降低 了安全防护和维护管理的难度. 但是,由于照明和其它动力设备还是需要380V供电,因此码头变电所需要设置660viu38oV两套低压配电系统,变电所 投资会相应提高一些. 综上所述,当港口配置的大型电动装卸机械数量较多,单台机械装机容量较大,或配电距离较远时,采用660v供电是一 个符合现实条件的可行的较好解决,也是符合建设节约型社会的要求的.圜藿鄹 (上接第35页) 5)与螺旋桨系统不同,喷水推进装置由单一全套组件替 代了舵,桨轴,螺旋桨,轴支架和密封装置等.此外,螺旋 桨和喷水推进泵安装位置(船外和船内)差异较大,这对喷 水推进泵空泡分析思路的确定和实用而有效的预防空泡措施 均有影响. 4喷水推进泵空泡的应对措施 对于螺旋桨推进系统,在经常性的船舶航行机动中,一 旦主机工作时参数越限,状态失常时,为主机配备的监测报 警装置可以通过音,视手段等进行警示.但在喷水推进系统 中,目前国内船舶尚无任何监测手段显示是否进入空泡区, 并提示操作人员改变工况以尽快避开空泡区.由于喷水推进 ,必需采取措 泵对空泡区的工作小时数有严格的限制,因此 施在船舶正常航行时,避免推进泵进入空泡区. 1)从喷水推进泵设计上,需研究沿滑道和边缘进水口 的压力分布的情况,进水口设计的原则为流场必须尽可能均 匀,避免空泡和水流分离. 2)在船舶航行时柴油机工作工况,特别船舶加速,减 速和部分柴油机工作等工况,操作人员应符合喷水推进装置 的操作限制,应按照"船速一泵转速"图中三个运行区域有 不同的应用限制,即对主机转速的限制.船舶正常航行时尽 可能在区域三即安全区,防止推进泵频繁进入空泡区而引起 叶轮,导叶体和流道的表面金属剥蚀,振动和推进泵性能进 一 步下降. 3)当船舶需要加速或减速等工况而必须进入运行区域 三时,需在主机调速器上增加由开足油门到全功率的延滞时 问时问,避免推进泵长时间进入空泡工作区. 5结语 喷水推进较螺旋桨推进所具有的独特优点正逐步得到人们 所了解.随着对喷水推进技术研究的不断深入和大功率船用柴 油机的开发与成熟,以及高速,高性能船舶或其他特殊要求船 舶的需求增大,喷水推进是极具竞争力的推进方式之一.疆匿I圈