推进泵轻型化设计考虑

长期以来，在“船老大”的惯性思维牵引下，舰艇推进器设计通常滞后于船总体设计。尽管当前也存在两者螺旋迭代设计的需求和步骤，但推进器的总体性能还是服从和服务于船总体的，无论是对快速性和噪声性能的指标要求还是对尺寸、重量的约束，往往都是总体分配给推进器的。特别是当前对尺寸、重量的要求越来越严格，甚至适装性已经成为型号设备研制过程中的关键环节，因此，有必要对泵推进单元的轻型化设计进行单独讨论。

首先，推进器的直径与转速之间的选择是存在着权衡的。降低转速时，在功率需求的作用下体积、重量会增加；反之，控制推进器尺寸时需要适当增加转速，此时又需要考虑空化限制以及原动机和驱动轴系的匹配关系。那么，如何决定降低转速和控制直径的优先级呢？或者说，能不能根据给定的功率限额和尺寸限制，直接给出合理的样本选择范围，以从顶层设计上直观评估设计方案实现的难度？

经典声学专著Mechanics of Underwater Noise［16］中有如下阐述：螺旋桨线谱噪声声强与转速的6次方成正比、与直径的8次方成正比、与脉动推力系数的平方成正比，伴流一定时，影响桨叶脉动推力系数的主要因素为叶片数和叶片导边形状。从上述结论可知，直径对开式螺旋桨噪声的影响比转速更强，选择减小直径比控制转速在降噪时可能获得的收益更大，这也是当前常规潜艇7叶桨直径逐步减小的原因所在。因此，下文在讨论轻型化设计的过程中，同样把减振降噪摆在十分重要的位置，主要聚焦于泵直径要素，便于综合选择最有利的设计方案。

Ka MeWa公司公开的同一系列、不同进口直径的相似喷泵，其适宜航速与功率需求的对应曲线如图2.28所示。可知，同一设计航速可由不同直径的泵来推进，不同泵的设计功率不相同，但显然存在最小直径泵，以满足推进需求。为了量化功率与直径的选择要素，引入功率密度Pshaft/D2（单位为kW/cm2）和推力密度T/D2（单位为kN/cm2）参数后，喷泵推进器厂商甚至还根据使用经验推导出了不同航速需求下推力密度和功率密度的对应关系，如图2.29所示，选型设计时可以直接用于初步参考，以减少试凑范围。例如，当设计航速为40 kn时，满足无空化工作区的推进泵功率密度不宜大于0.4 hp/cm2（1 hp=0.735 kW），同时推力密度约为2.0 lbf/cm2（1 lbf=4.5 N）。

在有了基本参照设计样本后，可以直接考虑功率密度对空化性能的影响，进而决定最小直径和最高临界转速，确定设计参数的上、下边界范围。分析功率密度的表达式如下：

图2.28　KaMeWa公司同一系列、不同进口直径的推进泵功率特性曲线

图2.29　典型推进泵推力密度、功率密度随航速的变化关系

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式中，Vtip为叶梢周向速度。显然，当泵扬程系数和流量系数一定时，推进泵的功率密度正比于转子叶梢线速度的3次方，功率密度的增加将可能直接导致叶梢空化初生，必须加以限制。但遗憾的是，在目前极度缺乏成功设计样本的基础上，还无法做到直接将叶梢线速度与空化限制线以及航速需求联系起来，也做不到量化指导选型设计。为了解决这一问题，回顾前文泵的空化理论与应用中所介绍的：推进泵与流道系统匹配后，能够正常运转、阻止空化产生的一个必要条件是“需求净正吸头不大于供给净正吸头”，即

NPSHr≤NPSHa

式中，供给净正吸头是一个与流道几何和航速相关的系统参数，而另一侧的需求净正吸头又可以通过吸口比转速这个泵状态参数来加以界定，相当于将功率密度、航速需求和吸口比转速三者有机联系起来，从而可以找到设计航速下所允许的最小功率密度，进而确定最小泵直径。具体过程为

将上式经过组合变换可得功率密度随航速的变化关系式

由此可知，当泵效率和吸口比转速这两个状态参数一定时，并且确定比转速和工作点流量系数后，确保推进泵不产生空化所允许的最大功率密度由设计航速唯一决定，而且随需求航速的增加近似呈3次方规律增加。在给定泵效率为0.9、吸口比转速为3.5、比转速为3.0、流量系数为0.2、流道进口能量损失系数为0.2、伴流系数为0.12的条件下，典型推进泵最大功率密度随航速的变化曲线如图2.30所示，可知，当设计航速为35 kn时，所允许的最大功率密度约为2 000 kW/m2。因上述参数取值都非常具有代表性，所以可以直接将2 000 kW/m2这个经验常数作为当前水面船舶泵推系统选型设计时的一个总体限定参数。在设计航速相当的情况下，若设计方所提出的功率限额和直径限制导致的功率密度明显高于该上限值，则表明设计输入参数不尽合理，强行推进时有可能产生较大的技术风险，需提前加以防范。此外，遵循所允许的最大功率密度不仅有效防范了泵空化风险，而且直接限定了泵的最小进口直径，可谓是选型设计时的一道重要门槛，务必加以重视。

图2.30　典型推进泵功率密度随设计航速的变化关系