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喷水推进在多工况船舶上的应用

摘要

商用喷水推进装置主要应用于高速船，例如高速客渡船。这些船舶工作在相对较浅的吃水和较窄的航速范围内。因此，喷水推进的设计目标主要考虑高速推进效率。然而，喷水推进目前也正越来越多地用于更大范围内船速与载重量不同的船舶。考虑舾装要求的前提下，理解喷水推进的设计特点，使之既能满足高航速时的推进效率又兼具良好的操纵性，对开拓喷水推进的应用市场至关重要。

喷水推进在大功率下不发生空泡崩溃的能力取决于喷速比、泵的结构以及流道的形状。转向喷嘴与倒车斗的结合设计可使喷水推进器成为一个方位推进器。这使得采用盲区较小、驱动负载小、可用电液控制、快速、准确和高效的矢量推力控制技术成为可能

配备动力定位系统的近海交通艇用来说明喷水推进在多模式下应用的要求和能力。安装在这类船上的喷水推进装置必须适应因货物装载量变化造成的航速大幅度变化，并能提供船舶精确定位所需的良好操纵性。除了高航速时喷水推进的推进效率外，达成上述目标的其它关键之处包括转向性能、高负载条件下的空泡裕度、大停泊推力、以及推力矢量控制的速度和精度。

通过精心的优化设计，喷水推进可实现多工作模式船舶高效的推进性能，提供有效、全面的推进方案。

1 引言

商业用喷水推进装置一般应用于高速船。因此,设计目标主要是高速推进效率。然而,喷水推进越来越多地用于需在多种工况下航行的船舶上，其中包括大范围的速度变化、载重要求以及在近海条件下的调度和停驻。

这篇文章介绍了一些船舶典型的使用工况，探讨了喷水推进的设计特点从而使得其能良好适用于大部分船舶，并且关注了近海船舶推进方式的更多细节问题。

2 多种船舶运行工况

以下部分概述三个不同的船舶类型在不同的多种工况条件下航行时的特殊要求。

2.1引航船

引航船只通常装有两个或三个喷泵，航速为30到35节。引航船在航行时要求引导大型船只使其船速保持在8 - 10节。转移过程是一个有潜在危险的操作，这时由于两个移动船只之间存在相互作用,并且对驾驶者的操船水平有较高的要求。较高推力水平下的快速响应是十分必要的。在引导一艘移动船只时，常用的方法是将行引擎稳定运行在高转速下并且是喷水推进器产生反向力从而控制前进的速度。因此推进器的推力响应只取决于反向力和转向产生的水动力而不是引擎响应。同时考虑舵轮上较小的转动行程，,这允许转移过程中有突发情况发生，必要时可以精确地将航行中的船舶快速拉离。对引航船而言，喷水推进器最主要的要求是在低航速条件下不产生空泡以及倒车斗和转向喷嘴的快速响应。

2.2巡逻船

巡逻船通常有三种不同的工况——低速游弋、巡航（大约70% - 80%的马力）、高速追击。巡逻船必须驶近其他船只从而进行人员登艇或者执行救援任务。这类船舶在高速航行条件下的特殊要求使得船舶必须具有良好的操纵性以及快速的制动性能。

现在所使用的推进器包括螺旋桨、喷水推进器,风力推进器以及上述推进器的组合系统等等。而喷水推进器因其在低速和高速下均有良好的操纵性、良好的加速度、优异的制动性能以及较高的航行效率而十分适用于巡逻船的航行工况。在一条船上安装三套喷水推进装置是比较常见的，此时中间的喷水推进器通常尺寸较小从而可提供船舶低速游弋时的推力。而中间的喷水推进器除了提供低速游弋的推力还可以提供在船舶高速运行时的推力，因此要求其有较大范围的运行速度。

喷水推进器的主要要求是可提供低速游弋和高速追击的推力，在加速度较大时不产生空泡以及在低速和高速情况下均具有良好的操纵性。

2.3补给船

补给船是用来向离岸平台运送人员和货物的船只。近年来这类船舶的尺寸越来越大，从而取代了之前由近海补给船所执行的如转移货物、燃料和其他液体等任务。

这类船舶的货运作用意味着他们需要在轻载与重载的不同工况下进行操纵。喷水推进器能成功运用于这类船舶上的其中一个原因就是与螺旋桨船相比，喷水推进船不论在何种加载状态和航速情况下，均能充分利用发动机功率。螺旋桨船在最大负载条件下需将螺旋桨倾斜一定角度以达到要求航速，并且在轻载条件下不能有效加快船舶推进。然而，喷水推进在任何工况下都可充分利用发动机功率：无论在轻载或重载条件下，发动机功率都可以有效地转化为更高船速。

这类船舶的第二个要求就是停泊在海洋平台时需要精确的保持位置。因为越来越多出于安全方面的考虑，这主要由一套自动控制的动力定位系统来实现。在有系榄桩拉力的工况条件下，喷水推进器需要在提供高推力的同时没有空泡现象，并且操纵响应快速且精确。

2.4喷水推进器多工况条件下的水动力设计

对于给定喷嘴大小、输入功率以及船速，喷水推进系统的效率（准推进系数或QPC）主要取决于进入泵体后流场的均匀性、泵体以及喷嘴的效率、以及其他必要的功率损失，例如流道进口滤网。影响整体推进效率（OPC）的其他变量，例如伴流系数和推力减额值取决于船体和船速而不在讨论范围内。

2.4.1 进流均匀性

理想的进流在任何工况条件下都会呈现均匀流场直到叶轮，而实现这一功能需要一个可变的进流口，但这通常太过复杂且昂贵。因此喷水推进器设计人员所面临的挑战就是在所需的操纵工况下，利用固定几何形状设计出性能良好的产品。在讨论的船型中，工作周期中都有操纵船舶由0到50节这个重要阶段。

一段长且浅的进流管是在高速条件下实现叶轮平面良好均匀流场的解决办法。在低速和静推力条件下这样长的一段进流管往往达不到理想的形状，因此需要一个更陡峭的流道以及在进流口下部的周边和后面需要加大半径。长的进流管也增加了水的粘性阻力以及船体舷内结构所受压力。汉密尔顿推进器公司所做的喷水推进器性能试验表明大多数设计用于优化高速性能的进流管在实际操作中减小20%的长度，喷水推进器的高速性能并没有减弱。

喷水推进器进流管的一个重要特征就是与船体连接处或者进流管开口有圆滑边缘。对于高速船来说，一般最好使用唇边半径笑、唇边没有斜坡且进流管较平坦的喷水推进器。然而，这些都会影响船舶在低速条件的操纵性能，因为这回显著影响系泊力和操纵推力。若不是更好的优化高速性能，可以使用较大的唇边半径从而提高静推力性能。

对于给定的喷嘴大小、输入功率、船速以及流量，喷水推进器设计一个更小的进水口 （更大的喷嘴与进流口之比）就会使得进流速度更大，更大的进流速度比以及更大的叶轮面积可以使得在高速条件下流场均匀。在高速条件下，增大喷水推进器的喷嘴与进流口之比对于船体推进效率的影响要比改变进流管的几何形转更显著。喷嘴与进流口之比较大的喷水推进器的缺点是对于同一个几何形状的泵体，空泡现象增加且静推力减小，除非使用更大的叶轮面积，但这同时也会导致泵体功率的损失。

2.4.2 泵体性能

喷水推进器喷嘴与进流口之比是其主要的设计参数，这决定了泵体所选用的几何结构。就像前文所提到的，喷嘴与进流口之比较大用于高航速。然而，随着这个比例增大，船艇的低速以及静推力性能都会变差，并且重要的是泵体锥化（半径变化）要求实现最少可接受的空化现象。

图2-1 静推力随喷嘴与进流口之比增大而减少

喷嘴与进流口之比

静 推 力

图2-1表明使用同一进流管以及一系列相似的喷水推进器泵体时，喷嘴与进流口之比与静推力（系泊力）之间的关系，数据表明喷嘴与进流口之比增大静推力减小。

喷水推进器最近另一个发展的重点就是减小喷水推进器外部结构的大小。在一个较大的外部结构(更多的径向组件)中设计一个效率高的喷水推进器是一个相对简单的任务，但更有挑战性的设计一个高效,紧凑，且抗空泡性能好的推进器。

均匀流场条件下，一个高效且可行的轴向喷水推进器泵体设计可能会非常接近紊流类型。现在大部分喷水推进器采用的紊流泵，其泵体的最大直径要比进流口直径大百分之四十，导致整体安装结构不紧凑——通常比等效的轴流泵喷嘴直径大百分之二十。

比较两个制造商生产的两款商用喷水推进器，一个采用轴流泵，另一个采用紊流泵，两者的喷嘴大小、输入功率以及转速均相同，轴向泵没有空泡产生的限制航速要低5—6节，且静推力大百分之二十，这大大增加了其可应用的操纵工况。

2.4.3 转向效率

关于设计的进一步考虑，喷水推进器的转向系统性能与船舶整体推进效率有十分重要的关系。当船在大风大浪的海面上航行，为了保持一套既定的航线对于其转向的要求往往很高。经验表明使用精心设计的喷嘴式转向系统在长期航行中可以减少5%运输时间，相比于外部添加的转向系统，这同样可改善整体的推进效率。在平静水面中的短途运输这种保持航向的效率并没有多大优势，但这一情况通常并不多见。

客轮“大洋福莱特”号长31米，30节航速的单体船航行扎起在新加坡水域，在一个小时的航行中，将外部舵转向装置变成高效“JT”型转向喷嘴系统后测得其平均航速提高了1.5节左右。后者同时也能提供更大的静推力，并且该设计在船舶静止时转向系统仍能正常工作。

2.4.4 设计参数

表2-1 各操纵工况下设计参数

表2-1总结了喷水推进船舶各种操纵工况下的相关设计参数。实现最广泛的有效运营范围当然是喷水推进设计人员们一个重要的发展目标。

2.4.5 静推力特性

喷水推进器在系泊力或静推力条件下所能使用的功率级取决于喷水推进器的抗空化能力；一个所有类型的推进器都存在的潜在的问题。在推进器叶片表面压力变得非常高时，水会形成足够的低压导致空泡破裂。随后空泡由于周围流场的变化而崩溃，释放出大量的声振冲击波。在空泡附近这种能量足以引起金属部件的腐蚀，并可能造成进一步的严重损害。空化过程中喷水推进器产生的推力可能大大降低，并且对部件的永久损伤会导致推进效率的逐步降低。

为了使船舶得到最好的推力和操纵性能，相比其他类型喷水推进船舶往往会选择更大的尺寸。这种方法可以更好优化空泡性能，并且提高推进效率。

图2-2说明了一艘搭载汉密尔顿HM811喷水推进器以及1340千瓦发动机的船舶——补给船上的一种常见的组合，静推力与发动机功率之间的关系。当功率达到1000千瓦左右时，泵的效率开始下降——表面开始出现空泡。越过该点后继续增大功率，可以得到更大的静推力，但同时空泡现象也会加剧。当发动机达到约1350千瓦功率的推力峰值时，再继续增加功率只会导致空泡现象的增加和推力的减小。正如发动机匹配图表明的，发动机功率达到最大时实现最大推力可以避免严重空化现象的发生。为了保持位置,在最大功率下产生的推力通常只发生在短时间内，并且多年来补给船的实践经验表明，空化现象所带来的损害也因此避免。

推力（kN）

空泡增加

推力减小

发动机功率范围

图2-2 HM811发动机静推力与功率的关系

空泡出现<!--

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