第４２卷第５期　２０１３年１０月　船海工程　ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＶｏＩ．４２　Ｎｏ．５　０ｅｔ．２０１３　

ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７９５３．２０１３．０５．００１　

泵喷水推进器研究进展　

倪永燕，刘为民　（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江２１２００３）　

摘要：分析泵喷水推进器的基本工作原理及其与系统的匹配；重点讨论泵喷水推进器高效率的实现所　涉及的设计问题、现代分析方法与结论以及推力计算领域的内容。介绍泵喷水推进器在转向和倒车领域的问　题及发展潜力。　关键词：泵喷水推进器；船舶；综述；设计；ＣＦＤ　中图分类号：Ｕ６６４．３４　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１￣９５３（２０１３）０５－０００１－０５　

泵喷水推进器（ｗａｔｅｒｊｅｔ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ）又称为喷　水推进泵。随着２０世纪后期ＴＳＬ（ｔｅｃｈｎｏ　ｓｕｐｅｒ　

ｌｉｎｅｒ）船、ＳＥＳ（Ｓｌｌｌ＇ｆａｃｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｓｈｉｐ）船、水翼艇以及　高速渡船等高性能船舶为代表的水上运输高速化　

的发展，由于泵喷水推进器优越的抗空泡特性等　

水力性能以及结构特性的优势（机动性和操纵性　好、适合浅水航行、振动噪声小、水声信号低、高航　

速时效率高、抗空泡能力强等）使其适用及需求　范围越来越广，发展势头迅猛。以泵喷水推进器　

为动力装置的高性能船舶是现代新型船舶工业体　系的重要内容，对泵喷水推进器的深入研究是我　

国造船工业发展战略的一个核心课题。喷水推进　技术大致经历了液泵喷水推进、间歇喷水推进、底　

板式喷水推进、艉板式喷水推进和舷外喷水推进　５个阶段…。从目前在船舶上的应用情况看，艉　

板式喷水推进已成为喷水推进的首选形式。　

虽然喷水推进和螺旋桨推进的历史同样长　久，但是喷水推进技术的发展相当缓慢，直到近年　

来才得到一定的推广应用。造成这种状况的原因　很多，主要是下述这３个关键问题还没有得到有　效解决，即高推进效率实现，转弯力保证以及倒车　装置控制。喷水推进的系统总效率取决于两个方　面，即水泵效率和系统效率。二者都与推进水泵　

收稿日期：２０１３—０４—０１　修回日期：２０１３—０４—２３　基金项目：国家自然科学基金（青年基金）（５１２０９１０８）　第一作者简介：倪永燕（１９７５一），女，博士，讲师　研究方向：船舶流体力学、船舶（仿生）推进及深海结　构物涡激振动　Ｅ・ｍａｉｌ：ｎｉｙｏｎｇｙａｎ＠ｓｉｎａ．ｔＯｍ　的喷速比有关。要取得喷水推进的高效率，关键　

在于取得推进水泵效率和系统效率的最佳综合效　

果。对提高喷水推进效率的研究重点放在系统总　效率优化、推进水泵的研究及制造、减小进水管道　

损失等三个方面。喷水推进的另一个关键技术是　保证船在转弯时其推力不会丧失。目前可以通过　

单片水平操舵变流装置来引导水流喷向左舷或右　舷，以此获得最大转弯力。喷水推进的第三个关　

键技术是配备操作灵活、水动力性能优良的倒车　装置。通常采用由液压驱动的分隔式双瓣导管倒　

车变流装置在船下改变水流方向，使船得到强有　

力的向后推力，随后控制系统允许可倒车变流装　置在保持全舵力时置于零速度位置。　

本文主要以艉板式泵喷水推进器为例，介绍　喷水推进器在上述三个方面关键技术的研究进　展。　

１　基本工作原理及基本方程式　

图１所示为典型艉板式泵喷水推进器。　

图１　典型艉板式泵喷水推进器示意　

从泵喷水推进器的功率和效率需求、舰船布　

置的需要以及传动机构的合理、方便、可靠等因素　出发，通常选用轴流式叶轮或斜流式叶轮，特殊情　

况下也会采用离心式叶轮。泵喷水推进器不是像　

１

　第５期　船海工程　第４２卷　

螺旋桨那样直接产生推力，而是利用其喷出水流　的反作用力推动船舶前进。　

泵喷水推进器的推力计算基本方程式为　

Ｔ＝ｐＱ（ｃｉ—Ｃ　）＝ｐＱｃ　（ｎ一１）　（１）　式中：　轴向推力；　ｐ——流体密度；　

ｐ——体积流量；　ｃ　——喷嘴出口处射流速度；　

ｃ　——吸人管路平均速度；　

——射流速度比，　＝Ｃｉ／Ｃ　。　在实际运行中，由于有能量损失的存在，水流　

的动量并不会全部转化为推进船舶前进的推力，　因此根据式（１）得到的泵喷水推进器的推力与实　际值有差距。　

２　泵喷水推进器与系统的匹配　

喷水推进装置最常见的原动机及传动装置配　

置有燃气轮机与减速齿轮箱驱动、柴油机与减速　齿轮箱驱动、燃气轮机或柴油机直接驱动等形式。　

在采用全电力综合推进的舰船上则一般采用电动　机直接驱动泵喷水推进器的形式。泵喷水推进器　

要满足主机、管道系统（包括泵）和船体三方面的　

平衡，即主机的功率和转矩要与泵喷水推进器吸　收的功率和转矩相平衡，泵喷水推进器的扬程要　

在系统效率较佳的前提下与管道系统及喷射损失　相平衡，泵喷水推进器的推力要和设计工况下的　

船体阻力以及系统的附加阻力相平衡。　２．１扬程与管道损失的平衡　泵推进器的扬程等于其出口处单位重量液　

体的能量减去进口处单位重量液体的能量以及进　出口之间的能量损失之和　，即　

Ｈ　（Ｚｊ＋　十　）一（Ｚｍ＋　＋　）＋　２　

式中：　——单位重量液体的损失，包括叶轮和管　路中的水力损失、叶轮的轮缘泄漏损失（容　

积损失）以及叶轮下游整流导叶和喷嘴的　收缩损失。　

根据式（１）和（２），可根据推力需求得到泵推　进器的扬程。在计算得到扬程以后据其设计叶　轮。　

２．２推力与船舶阻力的平衡　由于泵喷水推进器是由其进出口流速的不同　

所形成的动量来实现船舶推进的，因此其推力的　

２　大小及其功率特性受航速的影响小。泵喷水推进　

器功率和推力的调节通常通过变换转速来实现。　

如前所述，泵喷水推进器的叶轮通常为轴流式和　斜流式，即高比转速叶轮，因此都具有无过载特　

性，基本不会出现主机过载现象。　船舶阻力曲线通常由船舶设计方提出＿３　Ｊ。　

船舶阻力Ｒ随着航速　的增加而增大，此外船舶　

阻力还受载重量的影响，满载和空载时的船舶阻　力不同。　泵喷水推进器的性能曲线一般为多个功率条　件（对应不同的转速）下推力　随航速　的变化　

曲线　Ｊ，见图２。将船舶阻力曲线与泵喷水推进　

器的推力曲线叠放在同一幅图上，就可以得到船　舶阻力与泵喷水推进器推力的平衡点。泵喷水推　

进器的负载（船舶阻力）不能太大，也就是其推力　

有工作上限。当推力过大（转速升高）时，根据方　程（１）可以看出其流量或者流速会较大，这时候　

就会发生空化。船舶设计者在进行泵喷水推进器　的选型或者设计时通常都会考虑空化的影响。图　

２中，曲线①为空化初生曲线，曲线②是空化达到　某种程度时的曲线。由上述两条曲线分割的区域　

Ｉ为无空化区，区域ＩＩ为轻度空化区，区域ＩＩＩ为　

重度空化区。要求泵在无空化区内运行。船舶稳　定航行工况（泵喷水推进最优效率工况）与空化　

限制线①之间留有一定的裕度，通常喷水推进器　在额定转速条件下运行时该裕度取为泵额定航速　

的２Ｏ％。　

图２泵喷水推进器性能　

对于主机的匹配，可以在船舶阻力以及所配　备的泵喷水推进器设计完成后根据所需求的配备　

功率和转矩选取或者设计合适的原动机。　

３水力设计及流动分析　

３．１水力设计理论与绘型方法　叶轮是泵喷水推进器的核心过流部件，泵喷　

水推进器的叶轮主要有斜流式和轴流式两种形　泵喷水推进器研究进展——倪永燕，刘为民　

式，见图３。到目前为止，叶轮的设计主要参考泵　叶轮的设计方法。传统叶片泵中离心叶轮的设计　

已经有近百年的发展积累，主要采用模型换算法　和速度系数法。但是，这种基于经验积累的设计　

方法虽然比较可靠，但却限制了设计的创新。同　

离心式叶轮不同，斜流式和轴流式叶轮的水力设　计方法多种多样，各有特点。　

图３斜流式和轴流式叶轮示意　

斜流泵在泵领域的应用优势也是近些年才被　

人重视的，斜流式叶轮的设计方法有传统的用于　离心泵设计的一元设计理论、逆向求解设计法以　及控制速度矩设计法等　Ｊ。轴流泵的设计主要　

有圆弧法和升力法，这些方法借用了航天翼型的　

叶栅理论。为了获得期望的叶轮出口速度分布，　有自由旋涡法和强制旋涡法或者介于二者之间的　出口速度控制方法　Ｊ。在泵喷水推进器的相关　

文献中，虽然也有些论文提到了叶轮设计所采用　的方法　Ｊ，但是还没有具体的介绍叶轮水力设计　

过程的资料。因此，针对泵喷水推进器的具体使　

用环境和推力需求，建立相应准确、可靠的水力设　

计方法还有很大的潜力。　

需要说明的是，在借用泵叶轮设计的速度系　数法和模型换算法设计泵喷水推进器的叶轮时，　

不能忽略叶轮下游整流导叶的影响：由于泵喷水　推进器叶轮下游的整流导叶和喷嘴是收缩的，同　

一叶轮应用在泵喷水推进器上以后，其最高效率　

点与泵相比会向小流量方向偏移，也就是其比转　速会略微降低。　

泵喷水推进器的其它过流部件，例如进水管　

道、叶轮下游的整流导叶以及喷嘴和倒车水斗等　的水力设计资料还很少见。　

当前的水力设计方法都是一元设计。由于斜　

流式和轴流式叶轮从轮毂到轮缘的距离较长，也　就是叶轮较宽。因此通常是在不同的回转流面上　

进行平面绘型，然后再将平面绘型串联成为空间　叶片。基于一元设计理论的绘型方法存在下述两　

个不足之处，一是现有的一元设计理论并不关心　

叶片翼型进口边到出口边的过渡过程，但是已有　研究发现叶片形状的微小差别会对其运行的稳定　

性产生关键性影响；二是由平面绘型串联成的空　间曲面往往不平滑。在手工制作模具的过程中，　

模具制作工可以依据个人的丰富经验对这种不平　滑进行修整。但是在应用数控加工进行模具制作　

的工艺中，这种绘型方法已经无法满足加工精度　的要求。　

３．２流场分析　近３０年来，现代ＣＦＤ技术突飞猛进并在泵　喷水推进器领域也得到了广泛的应用。ＣＦＤ计　

算方法与传统的理论分析方法、试验ｉ见０量方法组　成了研究流体流动问题的完整体系。目前对泵喷　

水推进器的ＣＦＤ分析基本上都是采用雷诺时均　法（ＲＡＮＳ方程），应用ｋ一８湍流模型封闭方程进　行计算　ｊ。泵喷水推进器的工作环境非常复杂，　

典型的问题是其吸人口和喷出口（喷入空气中还　

是喷射到水中或者二者之间）的流态都受环境的　影响很大，流动结构与叶轮内部流动完全不同。　

因此应根据具体的流动结构和流态采用不同的湍　流模型。国内的相关研究没有根据这些不同于泵　

的泵喷水推进器的具体特点进行研究，采用的计　算模型变动不多、计算区域也基本局限于泵段，较　

少考虑船舶伴流附加阻力，一般计算得到的外特　性曲线也基本上是描述泵特性的流量一扬程曲线，　

而不是类似于图２所示的泵喷水推进器的推力特　

性曲线。此外，虽然有部分文献提供了试验数据，　但是没有对试验的装置及试验手段进行介绍。　

国外在相关领域的工作要多一些。首先进水　管道影响叶轮进口流态分布的均匀性，从而会产　生影响舰船舒适性和可操纵性的径向力，荷兰埃　因霍温理工大学的ＥＳＣＨ以及ＢＵＬＴＥＮ等通过　ＣＦＤ技术对进水流道内的流动及其对叶轮内部　

流动和径向力的影响进行了数值分析，并开发了　在试验台上测量径向力的专用仪器　；对于斜流　

式或者轴流式开式叶轮，叶轮轮缘（ｉｍｐｅｌｌｅｒ　ｔｉｐ）　与壳体之间的问隙存在泄漏流动。由于斜流式和　

轴流式叶轮轮缘处的做功能力强，因此必须考虑　

此处的泄流流动对主流的影响。美国约翰・霍普　

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