船舶喷水推进泵的研究
喷水推进器在船舶动力系统中的应用及发展趋势
喷水推进器在船舶动力系统中的应用及发展趋势引言：喷水推进器（Waterjet Propulsion System）是一种采用喷水原理产生推力的船舶动力系统，它在船舶工程领域具有重要的应用价值。
本文将探讨喷水推进器在船舶动力系统中的应用情况，并对其未来的发展趋势进行展望。
一、喷水推进器的应用1. 船舶操纵性能优势：喷水推进器在船舶操纵性能方面具有显著优势。
相比于传统的螺旋桨推进系统，喷水推进器通过喷射水流产生推力，使得船舶的操纵更加高效灵活。
它可以实现前后推力、横向推力和旋转推力的快速调整，从而提高船舶的转向灵活性和操纵性能。
2. 提高船舶速度：喷水推进器能够显著提高船舶的速度。
在喷水推进器中，水流由高压泵加速喷射出来，在与船舶相遇时形成强大的反作用力。
这可以有效减少船舶与水之间的阻力，并提高船舶的航行速度。
对于需要长时间保持高速航行的船舶，喷水推进器可以带来明显的优势。
3. 适应浅水航行：由于喷水推进器将水流推出，而不是将螺旋桨推入水中，因此它对于航行在浅水区域的船舶非常适用。
螺旋桨通常会在浅水区域产生涡流，导致船舶受阻。
相比之下，喷水推进器产生的推力不会受到水深的限制，因此在浅水区域具有明显的优势。
二、喷水推进器的发展趋势1. 提高推进效率：目前，喷水推进器在推进效率方面仍有改进空间。
未来的发展趋势将面向提高推进效率，减少能源消耗。
采用新的设计和技术，如优化喷嘴形状、改进传动装置、减小水流湍流损失等，可以进一步提高喷水推进器的效率，并降低船舶的燃料消耗。
2. 引入电动驱动：随着电动船舶的兴起，喷水推进器也将逐渐引入电动驱动系统。
传统喷水推进器采用柴油发动机来提供动力，但它们存在噪音和尾气排放等问题。
而电动推进系统具有零排放、低噪音和高效能的特点，与喷水推进器的结合将大大提升船舶的环保性能。
3. 智能化控制：随着船舶自动化技术的不断发展，喷水推进器也将趋向智能化和自动化。
智能化控制系统可以实现船舶的自动操纵、动力平衡和性能优化，提高航行的安全性和舒适性。
喷水推进器在船用动力系统中的应用与性能优化
喷水推进器在船用动力系统中的应用与性能优化引言船舶是人类重要的运输工具之一，在航行过程中，动力系统起着至关重要的作用。
喷水推进器作为一种先进的动力系统，已经被广泛应用于船舶行业。
本文将探讨喷水推进器在船用动力系统中的应用以及如何优化其性能。
一、喷水推进器的应用领域喷水推进器是一种通过将水推进到船舶船尾来驱动船只前进的动力系统。
由于其独特的工作原理和性能优势，喷水推进器在各个船舶类型中得到了广泛的应用。
1. 商用船舶：喷水推进器在商用船舶中的应用越来越普遍，例如客轮、货轮、拖船等。
其高推力和灵活性使得船舶可以更好地应对复杂的海洋环境和各类操作需求。
2. 军用船舶：喷水推进器在军用船舶中也得到了广泛应用。
通过优化推进器的设计，可以实现船舶的高速、灵活性和潜水能力，提高战斗力和作战能力。
3. 游艇和休闲船：喷水推进器在游艇和休闲船中的应用主要是为了提供舒适和安全的航行体验。
其低噪音、低振动和灵活操控的特点，使得船主和乘客可以享受到更加愉悦的水上活动。
二、喷水推进器的性能优化为了进一步提高船用动力系统的效率和可靠性，对喷水推进器的性能进行优化是至关重要的。
下面将介绍一些常见的优化方法。
1. 推进器设计优化：通过改变推进器的叶片形状、数量和布局等参数，可以改善其流体力学性能。
同时，利用计算流体力学（CFD）技术进行虚拟试验，可以在设计阶段减少实际试验的成本和时间。
2. 推进器材料和制造优化：选择合适的材料，例如高强度和耐腐蚀性能的不锈钢，可以提高推进器的使用寿命和可靠性。
同时，改善推进器的制造工艺，降低表面粗糙度和减少生产缺陷，也能够提高性能。
3. 动力系统集成优化：将喷水推进器与其他动力系统元件（例如发动机、传动系统和控制系统）进行优化设计和集成，可以提高整个动力系统的效率。
例如，通过优化电动机的输出转矩和电流特性，可以实现更高的功率输出和更好的响应性能。
4. 喷水推进器控制优化：通过优化控制系统的参数和算法，可以提高喷水推进器的操纵性和响应性。
喷水推进轴流泵水力设计及性能仿真的开题报告
喷水推进轴流泵水力设计及性能仿真的开题报告1.研究目的本研究旨在探索喷水推进轴流泵的水力设计及性能仿真，通过对喷水推进轴流泵的构造、特点以及工作原理的分析，设计出一种性能更加优越的喷水推进轴流泵，并通过数值模拟的方法，对其性能进行仿真测试，为实际生产应用提供参考。
2.研究内容2.1 喷水推进轴流泵构造与特点分析对现有喷水推进轴流泵的构造和特点进行分析，掌握喷水推进轴流泵的基本结构和工作原理，为进一步设计和优化喷水推进轴流泵提供依据。
2.2 喷水推进轴流泵水力设计根据已有的理论知识和实验数据，进行喷水推进轴流泵水力设计，确定合适的轴流泵叶片型号、叶片角度、流道截面形状等参数，保证喷水推进轴流泵的性能指标达到预期要求。
2.3 数值模拟与性能仿真将设计好的喷水推进轴流泵模型导入数值模拟软件，建立数值仿真模型，对喷水推进轴流泵的流体力学性能、能效等方面进行仿真测试，并结合实际测试数据进行比对，评估喷水推进轴流泵的性能优劣。
3.预期成果本研究将设计出一种性能更加优越的喷水推进轴流泵，并对其进行有效的数值模拟和性能仿真测试，评估喷水推进轴流泵的性能指标，并提出优化方案。
预期成果包括：3.1 喷水推进轴流泵设计方案设计出一种性能更加优越的喷水推进轴流泵，提出相应的设计方案。
3.2 数值模拟与性能仿真报告通过数值模拟和性能仿真，评估喷水推进轴流泵的各项性能指标，包括流量、扬程、效率等，并提出优化建议。
3.3 学术论文撰写一篇学术论文，介绍喷水推进轴流泵的水力设计及性能仿真的研究过程和结果，并对喷水推进轴流泵的发展趋势进行分析和探讨。
4.可行性分析本研究的可行性如下：4.1 研究工具和设备本研究所需的研究工具和设备为：计算机、数值模拟软件、流量计、压力计等实验设备。
4.2 研究方法和流程本研究采用实验和仿真相结合的方法，首先进行喷水推进轴流泵的构造和特点分析，然后根据已有的理论知识和实验数据进行水力设计，最后将设计好的喷水推进轴流泵模型导入数值模拟软件，建立数值仿真模型，对喷水推进轴流泵的流体力学性能、能效等方面进行仿真测试，并结合实际测试数据进行比对，评估喷水推进轴流泵的性能优劣。
喷水推进泵分析及研究实例
运用转速控制方法的泵外特性
12/22
4 空化时的轴向推力
通常情况下，喷水推进器在加速和转弯时会产生空化 运用CFD技术，预测不同空化条件下的轴向推力与内部流动情况 ，并初步分析两者的关系
13/22
14/22
泵的空化性能曲线
泵的轴向推力与NPSHA的关系
15/22
16/22
两级叶轮空化时轴向推力情况
项目汇报
泵喷水推进器的模型设计及
数值模拟研究
汇报人： 申占浩
2015.05
目录
1
项目简介
模型设计 转速控制方法 空化下的轴向推力
2
3
4
2/22
1 项目简介
喷水推进器（Waterjet Propulsion），它是利用泵 喷出水流的反作用力来推动船舶前进的装置
3/22
喷水推进器的动力稳定性是船舶稳定的基础，而作为其动力来 源，稳定的推力必不可少 现实中，喷水推进器内部流动复杂，推力极易出现不稳定现象
首级叶轮
次级叶轮
17/22
叶轮在空化条件下压力系数分布
首级叶轮
次级叶轮
18/22
19/22
5.导叶及喷嘴 6. 进口延伸段 7/22
网格划分
采用ICEM进 行结构化网格
划分
总体网格质量
首级叶轮 次级叶轮 导叶
≥0.3 总体网格角度 ≥180 总体网格数约
总体网格
为186万 8/22
数值模拟主要参数选择
主要条件 数值模拟方法 湍流模型 进口 出口 壁面函数 收敛精度 设置 雷诺时均法
SST k-ε
总压进口 质量流出口 标准壁面函数
10-5 9/22
整体数值模拟外特性
喷水推进器的水力特性与性能分析
喷水推进器的水力特性与性能分析喷水推进器是一种常见的推进系统，广泛应用于船舶、水下机器人等领域。
它利用喷水原理产生推力，从而推动物体前进。
在设计和使用喷水推进器时，水力特性和性能分析是至关重要的环节，可以帮助我们了解其工作原理、提高效率以及指导优化设计。
本文将对喷水推进器的水力特性和性能进行详细分析。
一、喷水推进器的水力特性1. 喷水速度：喷水推进器产生推力的根本原理是通过高速喷出的水流产生动量反作用力。
因此，喷水速度是影响推进力大小的重要因素。
一般情况下，喷水速度越高，产生的推力也越大。
2. 喷水流量：喷水推进器的喷水流量直接影响推进器的推力大小。
流量越大，推力也越大。
在设计和选择喷水推进器时，需要根据需求确定合适的喷水流量。
3. 喷水角度：喷水角度是指喷水推进器出水口水流与水平面的夹角。
当喷水角度为0度时，喷水推进器产生的推力最大；当喷水角度增大时，推力逐渐减小。
因此，在实际应用中，需要根据需要选择合适的喷水角度。
4. 喷水推力分布：喷水推进器在实际工作中产生的推力分布不均匀。
一般情况下，出水口处的推力较大，而远离出水口处的推力较小。
这是由于流体的黏性以及喷水推进器的结构造成的。
在设计和使用喷水推进器时，需要注意推力分布的不均匀性对系统的影响。
二、喷水推进器的性能分析1. 推力效率：推力效率是指喷水推进器产生的推力与输入的能量之间的比值。
推力效率高意味着在相同能量输入下，推力输出更大。
在设计和使用喷水推进器时，我们可以通过计算和实验评估推力效率，以提高系统整体性能。
2. 耗能特性：喷水推进器在工作过程中会产生一定的能量损耗。
这些损耗包括水流摩擦、泄漏等。
耗能特性的分析能够帮助我们了解系统的能量损失情况，优化设计以减少能量损失，提高效率。
3. 外界干扰对性能的影响：喷水推进器在实际应用中可能会受到外界干扰的影响，如水流速度、船体形状等因素。
这些干扰会导致推进器的性能变化，降低推力效率。
因此，在设计和使用喷水推进器时，需要考虑外界干扰对性能的影响，并采取相应的措施进行补偿或调整。
船舶推进器的流体动力学特性研究
船舶推进器的流体动力学特性研究船舶推进器是航海过程中不可或缺的组成部分，其流体动力学特性研究对于提高船舶性能至关重要。
本文将探讨船舶推进器的流体动力学特性及其研究方式，并分析其对船舶性能的影响。
1. 流体动力学基础流体动力学是研究流体运动和力学性质的学科。
船舶推进器的流体动力学特性研究主要涉及流体力学、湍流运动、气固两相流等领域。
流体力学研究了流体的运动规律和相关衡量指标，如流速、流压等；湍流运动研究了流体中复杂的涡旋和湍流能量传递；气固两相流研究了流体与固体颗粒的运动关系。
2. 推进器的类型与结构船舶推进器按照推进方式可以分为螺旋桨、喷水推进器、风帆等。
其中，螺旋桨是最常见的推进器，它由螺旋桨叶片和转轴构成，通过叶片受到流体冲击产生推进力。
喷水推进器通过高速喷水产生反作用力推动船只前进，具有较高的敏捷性和加速性能。
风帆则利用风力推进船只，可降低能源消耗。
3. 推进器的水动力性能研究推进器的水动力性能研究是对其水动力学特性的定性和定量分析。
该研究通过实验、数值模拟和理论分析等方式进行。
实验方法包括模型试验和全尺寸试验，通过测量推进器叶片周围的流速和压力来计算推进效率和推进力。
数值模拟则运用计算流体力学（CFD）方法，通过建立数值模型进行流场仿真和力学分析。
理论分析方法则从数学方程和物理原理出发，推导推进器的水动力学性质。
4. 推进器与船舶性能的关系推进器的流体动力学特性直接影响船舶的性能，包括速度、操纵性、燃油消耗等方面。
推进器的选型和设计应根据船舶的航行条件和任务进行优化。
例如，在高速航行条件下，喷水推进器的敏捷性优势体现出来，而节能环保型推进器则适用于长途船舶。
推进器的水动力性能研究可为推进器的优化设计和船舶性能提升提供科学依据。
5. 推进器研究的进展和挑战与船舶和推进器技术的不断发展相比，对推进器的流体动力学特性研究还有待进一步完善。
目前，推进器研究主要集中在螺旋桨和喷水推进器的水动力性能和噪声特性研究上。
喷水推进船转弯过程中的喷泵性能研究
元 件组 成 ， 推进装 置 共 同推动 船 体运 动． ４套 首先 对 柴油 机 、 速器 、 系、 速齿 轮箱 、 调 轴 减 喷泵 等部件 和船 体运 动 分别 建 立 数 学模 型 作 为子 模 块 ， 然后 将子模 型有 机地联 结 起来构 成 喷水推 进 系统 完整 的数学模 型［ ］ １ ． 柴 油机 和喷泵 之 间是通 过减 速齿 轮箱 和轴 系
学 模 型 ， 方 程 中各 类水 动 力 系 数 和 附连水 质量 但 按 照 双体 船 的特 点 进行计 算 ．
转 速随 船航速 的变 化 曲线 （ 简称 为 曲线组 １ ， ） 另一
组 曲线 是数条 等功 率条件 下 喷泵 推力 随 船航 速 的 变 化 曲线 （ 简称 为 曲线组 ２ ． ） 在输 入 喷泵转 速 和船 航 速后 ， 用 曲线 组 ｌ确定 在 该 喷泵 转 速 和 船 航 利
速下对 应 的 喷泵 吸 收 功 率 ， 后 将 这 一 功率 和船 然
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ １ １３ ． Ｆｅ ．２ ０ ｂ ０６
喷水推进船转弯过程 中的喷泵性能研究 ＊
丁江 明 ’ 王 永 生 王 鹏 飞。 ’ ’
（ 海军工程大学动力工程 学院” 武汉 ４０３） ３０ ３
２０９） ０ ０ ０ （ 中国人 民解放军海军驻沪东 中华造船有 限公 司军代表室 上海 ．
摘要 ： 建立 了喷水推进 系统 和船体转弯操 纵的稳、 动态数 学模型 。 考虑喷泵 汽蚀 的影 响 ， 喷水 并 对
推进船转弯过程 中的喷泵工作状况进行 了研究 ， 为喷水推进船确定合理 的转 弯操纵方法提供 了依 据． 研究 内容包 括不同初始航速 下所 有喷泵大舵 角转弯、 高初 始航 速下部分 喷泵转 弯和高初始 航 速下所有喷泵小舵角转弯这几种转弯方式下 喷泵 的工 作状 况． 对计算结果进行 分析后认 为在 非紧 急情况下高航速时用部分泵实现转弯是最合适 的转 弯方式． 关键词 ： 喷水推进 ； 操纵性 ； 转弯 ； 性能研究
喷水推进器
基本参数
喷水推进装置泵的品质是通过其主要性能参数反映出来的，包括流量、扬程、转速、功率、效率和汽蚀余量 等。这些参数反映了泵的工作状态和能量转换的程度，泵的主要性能指标也用这些主要工作参数来表示。一台泵 制造安装好后，并不一定能在泵的设计条件下运行，可通过泵的特性曲线综合直观地来表示泵的性能，了解各参 数的变化，以此更好的进行泵流动性能的分析。
预防措施
喷水推进器的发展经历了液泵式喷水推进、间歇式喷水推进、底板式喷水推进、航板式喷水推进、舷外喷水 推进。目前，单从喷水推进器的发展情况看，其技术己经口益成熟，但是底板式全回转喷水推进器在市场上比较 少见，对于使用全回转喷水推进器的船舶，船只在不同方向上具有喷水的可操作性，因此改变航线和方向变得很 容易，无需使用船舵来控制船舶行进方向，能够降低船舶的转弯半径，并且可以360°旋转以改变航向，对船舶 的行进方向较易控制，而且在所有方向上都能够提供最大推力。
研究现状
目前，世界上单泵吸收功率最大、己经投入使用的喷水推进装置为日本Technoseaways公司所有，由罗一罗 公司制造，型号为卡米瓦VLWJ235，其进水口直径达2.35米，单泵吸收功率27瓦，安装在高技术超级班轮上，每 艘船配两套，最高运营航速可达40节。
喷水推进运行平稳，振动噪声低，适应豪华游艇安全、舒适的特殊需求，其在游艇上的应用也日益增加。例 如“迷人海洋”号艇由4台MTU柴油机驱动两套2.6米的螺旋桨，1台LM2500燃气轮机驱动一套LJ210E喷水推进装 置，航速可达34节。
介绍
喷水推进器是船舶的一种推进工具，它和船舶动力装置一起，用来推进船舶。
喷水推进器是推进机构的喷射部分浸在水中，利用喷射水流产生的反作用力驱动船舶前进的一种推进器。由 水泵、管道、吸口和喷口等组成，并能通过喷口改变水流的喷射方向来实现船舶的操纵，效率比螺旋桨低，但操 纵性能好，特别是对于泥沙底的浅水航道，喷水推进器具有良好的适应性。
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船舶喷水推进泵的研究 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
船舶喷水推进泵的研究
摘要：喷水推进是近20余年急速发展成熟起来的一种特殊的推进方式，它利用喷水推进装置中推进泵喷出的高速水流的反作用力推动水中载体前进，并通过操舵倒航机构分配和改变喷流方向实现载体操纵。
所以喷水推进装置具有推进和操纵双重功能。
本文对喷泵的应用前景、优缺点、喷水推进的基本原理、推进装置和推进泵种类及喷泵推进装置设计的基本思路进行了简单介绍。
喷水推进装置通常由进口流道、推进泵、操舵倒航机构、液压系统和控制系统五大部分组成，如图l所示，推进泵是该装置的主体。
图1 喷水推进装置的组成
一、喷泵推进的应用前景
（1）在民用船及高性能船上的应用按相关统计，截止2003年的13年中，全世界共建造了655艘高性能船，包括双体船、三体船、穿浪艇等。
据统计，这655艘船中有75％采用喷水推进，另外25％采用螺旋桨或可调桨推进。
显然，喷水推进已经在轻型高速船上占有主导地位。
普通高速双体船、穿浪艇、三体船、单体船、侧壁式气垫船(SES)、高速货船，如小水线面船(SWATH)、三用拖轮、stolkraft(一种中体在水面以上的三体船)等的其他船舶都采用了喷水推进。
（2）在军用领域的应用喷水推进技术在高速攻击艇FAC(Fast Attack Craft)，从高速车客渡船到海军高速运输舰、护卫舰和轻护卫舰、两栖装甲车辆、安静型核潜艇等领域都有所应用，并在某些方面具有特殊的优势。
一、喷泵式推进的优缺点
优点：
（1）推进泵叶轮在泵壳内受约束的水流中工作，运行平稳，水下噪声小。
（2）推进泵在高速范围内较螺旋桨有更好的抗空泡性能，从而能有更高的推进效率。
（3）推进泵较螺旋桨更适用于重载荷以及限制直径的场合。
（4）喷水推进适应变工况的能力强，在工况多变的船舶上能充分利用主机功率，延长主机寿命。
（5）具有优异的操纵性和动力定位性能。
（6）推进泵叶片在管道中不易损坏，可靠性好。
缺点：
（1）在航速低于25kn或叶轮直径不受限制时，喷水推进的推进效率一般较螺旋桨低。
（2）由于增加了管道中水的质量，加大了船舶的排水量。
（3）在水草或杂物较多的水域，进口容易出现堵塞现象而影响航速。
（4）推进泵叶轮拆换较螺旋桨复杂。
三、喷水推进的基本原理
喷水推进的基本原理与喷气式飞机的推进原理基本相同，喷水推进通常是由推进泵将水从载体底部吸入，通过喷口以高速水流向载体后面喷出，利用出流和进流动量变化产生的推力来推动载体前进（如图2所示）。
只不过是喷气式推进的介质是空气，而喷水推进的介质是水。
与螺旋桨推进相比，喷水推进叶轮上的力只是内力，而螺旋桨是靠叶片上的力直接推动载体运动。
图2 喷水推进原理图
四、推进装置和推进泵种类
喷水推进装置是推进泵、进口流道、操舵倒航机构、液压系统和控制系统的统称。
推进泵是喷水推进装置的主体。
世界各大喷水推进公司提供的是整套喷水推进装置。
由于喷水推进要求喷出水流是连续的，这样得到的推力也才是连续的，所以间歇式泵很难用作喷水推进，而叶片泵出流连续、效率高、抗汽蚀性能好，因而作为喷水推进泵的首选。
用于喷水推进泵的泵型主要是轴流泵(如图3所示)和导叶式混流泵(如图4所示)，离心泵(如图5所示)用得很少。
这主要有两个原因。
图3 轴流泵
图4 导叶式混流泵
图5 离心泵
（1）大推力的需要由于推力方程)(0v v Q P j ⨯-⨯⨯=αρ 可知，推力与泵的流量Q 成正比，大推力要求有大的流量，上述三种泵是按比转速s n 来分类的，比转速可按式(4)计算： H
Q n n s 65.3= (4) 三种泵相比较，轴流泵比转速高，即流量大，扬程低；离心泵比转速小，即流量小，扬程高；而混流泵居于轴流泵和离心泵之间，流量和扬程适中。
由此不难看出，从推力的角度考虑喷水推进采用轴流泵较为理想。
但是由于轴流泵扬程低，对于高速船喷速高损失大，要求推进泵的扬程也较高，这样轴流泵只能靠多级串联才能满足要求，这就带来布置、重量等一系列矛盾。
因而喷水推进轴流泵大多用在航速相对较低的船上，而导叶式混流泵大多用在相对航速较高的船艇上，因为它流量和扬程都适中，采用单级就可满足要求。
离心泵流量小，产生的推力相对较小，且推进效率相对较低，只在特殊场合才应用。
（2）布置上的原因轴流泵和导叶式混流泵基本是沿轴线方向进流与出流，因而它可与主机、传动机构成直线布置，这在船舶推进系统上是十分合理的布局。
但离心泵和蜗壳式混流泵进流和出流成︒90布置，因而在船舶上传动机构及轴系很难布置。
五、喷泵推进装置设计的基本思路
喷水推进船推进装置的设计一般讲分为两步：
（1）第一步有了船型及阻力、尾部型线、吃水状况、布置约束要求、发动机性能参数等条件，确定应该配置一台什么样的喷水推进泵才是相对最优的，即能达到高的推进效率或航速，同时又不会产生汽蚀(空泡)。
这就是喷水推进主要参数优化计算的内容，通过对喷水推进三个主要方程的叠代求解，可得到无数个喷水推进泵的参数，即流量)/(3s m Q 、扬程(m 水柱)、功率e N (kW)、转速n 、叶轮直径0D (m)、喷口直径j D (m)、比转速s n 。
、汽蚀比转速C 、航速s v (kn)等。
然后从中分析比较优化，得到认为相对最佳的方案。
这一过程通常称喷水推进主要参数的优化选择。
（2）第二步有了由喷水推进主参数优化得到的推进泵参数，通过什么方法，设计出所需要的喷水推进泵及相应的操控机构和自动控制系统。
结语：综上所述，喷水推进技术在确保水上载体高航速、无空泡运行的性能上比螺旋桨有明显优势外，对军用舰艇及两栖战车的隐身性能的提高也极具潜能。
因而无论是在民用船舶和军用舰艇，还是在水面舰船和两栖战车以及水下潜艇上，喷水推进技术都有广阔地应用前景。