泵类推进器振动噪声控制机理

陈述泵性能参数的理论后，落脚点回归到泵类推进系统的总推进效率指标，以全面衡量泵类推进系统和桨推进系统的推进性能。分析载体仍然是如图2.4所示的喷水推进系统，其中，基于质量流量平均的四个特征速度为航速Vship、流道进口平均速度Vin、泵进口平均速度Vpump（流道出口平均速度）、喷口平均速度Vout，两个关键特征参数：流道进速比IVR=Vship/Vpump和喷水推进系统喷速比μ=Vin/Vout，特征直径为流道出口直径D（泵进口直径）和喷口直径Dn（泵出口直径），特征面积为流道进流面积Ain（不同于流道进口面积Ainlet）、泵进口面积Apump和喷口面积An，借用桨推进分析时的推力减额系数t和伴流系数ω，则有

R=T（1-t），Vin=Vship（1-ω）

式中，R和T分别为单泵对应的裸船阻力和泵推力。引入两个能量损失系数：流道进口能量损失系数ε和喷口能量损失系数φ，则流道效率可以近似表示为1-ε。

根据动量定理，喷泵系统的推力表达式为

代入总推进效率的定义式，且不考虑喷口中心高度hj，可化简为

与桨推进系统的总推进效率ηD=ηH·η0·ηR表达式对应，同样可将（1-t）/（1-ω）看作为船身效率，则泵效率在形式上与桨敞水效率对应，另一项随喷速比变化的变量与船后桨的相对旋转效率对应，为便于描述，较多文献将其称为喷射效率ηj。由该式可知，对于典型泵类推进系统而言，其总推进效率由泵效率和喷速比共同决定，在设计水平相对固化的一定阶段，如泵效率约为90%，则泵类推进系统的总推进效率仅由喷速比决定，并且存在最高效率点BEP，如图2.26所示，另外的影响因素为进口能量损失系数，由进水流道的设计水平决定。可知，一方面，最佳喷速比的推荐范围为0.5～0.75，以获得尽可能高的总推进效率；另一方面，当进水流道的设计质量有所下降时，总推进效率随之下降。因此，也有文献将喷射效率称为流道效率，以从结构部件上区分总效率。图2.26对应的其他参数取值如下：泵效率为0.9，推力减额系数为-0.02，伴流系数为0.12，喷口能量损失系数为0.02。

图2.26　泵类推进系统总推进效率随喷速比和流道进口能量损失系数变化曲线

当能量损失系数ε=φ=0时，喷射效率成为理想喷射效率(www.xing528.com)

从图2.26还可以得出：当进水流道的设计质量一定时，在最佳喷速比的范围内，应相对选择喷速比更大的方案，以提高效率。再根据喷速比的定义式μ=Vin/Vout=Vship（1-ω）/Vout，可知在一定设计航速需求下，大尺寸泵对应更大的喷口面积，从而能相对选择更大的喷速比。但随之带来的问题是，泵的体积、重量会随之增加，这对于严格要求轻型化设计的舰艇推进器来说是难以允许的。因此，设计时，一方面，一定存在着最小泵尺寸，同时满足推进、空化、体积、重量的需求；另一方面，在来不及全新设计泵产品的情况下，可以通过改变母型泵的喷口尺寸，调整喷速比，进而改变泵类推进系统的工作点和推进性能，以满足新的推进性能需求。

需要注意的是，改变泵的喷口面积不同于前文相似设计时所述的“同一系列、不同进口直径的喷泵产品性能相似”的情况。泵转子（叶轮）和定子（导叶）叶片不变，理论上泵在额定工况运转参数下的性能曲线不变。当仅增加喷口直径时，如果轴系转速不变，则泵本身的流量变化很小。当需求航速不变时，泵类推进系统需求的能量头随喷口速度的减小而近似呈平方关系减小，即则系统需求的能量头与泵能够提供的扬程性能曲线的交点会随之下降［15］，如图2.27所示，进而改变泵的工作点，强迫泵的扬程、流量和效率均发生改变。也就是说，变喷口调节的是泵类推进系统的工作点，并不是泵本身的设计点，相当于使母型泵从原先的近BEP工作点调整到了新的工作点，泵效率可能减小，也可能会在牺牲安全工作裕度的情况下略微增加，从而满足新的推进系统的性能需求。

图2.27　喷口直径变化时泵类推进系统需求能量头和工作点变化

同上节中所述，当泵喷推进系统应用时，真实的进水流道退化为导管，流道进口速度Vin变为泵进口速度Vpump，进速比与喷速比均因伴流系数较为显著的变化而改变，则有

IVR=Vship/Vpump=1/（1-ωpumpjet），μ=Vin/Vout=Vship（1-ωpumpjet）/Vout

因此，选型设计时，若直接将喷水推进系统的喷速比移植到泵喷推进系统，因伴流系数增加，则喷口速度减小，与上述增加喷口直径的效果类似，在航速需求一定时，相当于要采用更大的推进泵，理论上会具有更高的效率。并且，从总推进效率表达式也可以得知，当伴流系数增加且流道进口能量损失系数减小时，均有利于总推进效率的提升。可以说，泵喷作为螺旋桨与喷泵之间的发展产物，所具有的理论效率甚至略高于喷泵。但随着航速的增加，非均匀进流因缺少真实进水流道的整流作用，对泵性能的不利影响越来越明显，所以外置式泵喷的设计航速通常要低于喷水推进系统，一般不能高于30 kn。从这点来看，增加进水流道后的内置式泵喷推进系统完全可以等同于喷水推进系统，只是因对两者效率与噪声性能需求的权重不同，导致了最终的叶型设计会发生改变。可以看出，上述所建立的泵类推进系统理论分析框架同时适用于喷泵和泵喷系统，具有通用性。待下述选型设计实施完成后，即可完整地构建泵类推进系统的选型设计方法与理论。