一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置及其消涡方法

1.本发明涉及一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置及其消涡方法，属于船舶工程、水利工程技术领域。


背景技术：

2.喷水推进装置是一种新型的特种动力装置，利用水泵喷出水流的反作用力推动船舶前进，具有推进效率高、操纵性能好等众多优点。在安静型军用舰艇、动力定位要求高的舰船、高性能船舶、重载荷大型运输船及浅吃水船舶上应用广泛。但是由于喷水推进泵流道宽、叶轮短，内流场十分复杂，喷水推进泵装置在运行的过程中易产生旋涡结构，涡结构演化还会引发内流场能量损失、旋转失速等众多问题，是制约喷水推进器推力与推进效率的关键因素。
3.为有效抑制泵装置涡流的产生，提高泵装置在运行工况下推力及推进效率，提高泵站运行安全稳定性。目前已有相关专利涉及相关措施：授权发明专利cn212744450u公开了一种带有导流条的新型轴套。该轴套套设于喷水推进泵装置的泵轴外，且该轴套固定于喷水推进泵装置的进水流道；所述泵轴与所述轴套的中心线重合，且泵轴与所述轴套之间留有间隙，并采用润滑油密封间隙；所述轴套呈空心圆柱状，其外壁分布有若干导流条，减少了水流分离，同时还起到消涡、导流的作用，水流从进水流道进入，沿进水方向平行通过导流条进流，通过新型轴套的导流条水平流出，起到了导流的作用。
4.目前，现有专利针对喷水推进泵消涡方法较少，针对推进泵装置轴套改进，进而改善进水流态的专利方法较多。对于进水流道段进口加装消涡措施，改善泵装置进水流道流态，无这方面专利公开。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置及其消涡方法。
6.本发明的目的是这样实现的，
7.一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，包括喷水推进泵泵体、进水流道、驱动电机，喷水推进泵泵体的一端设有与进水流道贯通的进水口，另一端设有喷水口；驱动电机的泵轴延伸于喷水推进泵泵体内，且驱动电机的泵轴置于喷水推进泵泵体内的一端固定有叶轮；其特征是：
8.在进水流道上壁面处设置用于测量进水流道水流对于进水流道壁面压力的压力脉动传感器；
9.沿进水流道入口至泵轴下端处的进水流道上设有若干导流槽，导流槽内穿有液压式可升降导流栅条，导流栅条可沿导流槽移动；
10.所述导流栅条布置在进水流道外壁面处，还设有液压升降机，液压升降机与导流栅条连接，导流栅条随着液压升降机的升降而升降，从而导流栅条沿导流槽移动，带动导流
栅条伸入进水流道内或从进水流道退出；
11.所述进水流道上的导流槽与导流栅条连接处设有柔性止水；
12.还设有控制器，控制器分别与压力脉动传感器、液压升降机连接，压力脉动传感器实时向控制器传输漩涡是否发生的信息；
13.当压力脉动传感器识别漩涡发生后，压力脉动传感器通过控制器向液压升降机发送指令，控制液压升降机带动导流栅条升起，伸入进水流道；
14.当压力脉动传感器识别漩涡未发生后，控制器控制液压升降机，使导流栅条降下，从进水流道退出。
15.所述压力脉动传感器具体设置方式为：
16.以进水流道上壁面从进水流道进口到进水流道内泵轴下端处为具体设置范围，每隔距离在进水流道截面上设置3个压力脉动传感器，在截面上压力脉动传感器分别在与铅垂线-40
°
、0
°
、40
°
位置；该压力脉动传感器设置方式用于精确判别漩涡是否形成。
17.设喷水口的直径为d，沿进水流道入口至泵轴下端处的进水流道上设有若干导流槽；
18.所述导流槽为宽高的矩形凹槽。
19.导流槽布置在进水流道上壁面处，每22.5
°
布置一个，共布置9个导流槽与导流栅条，每3个导流栅条为一组，每3个导流栅条与1个液压升降机连接，共有3台液压升降机控制导流栅条升降。
20.所述进水流道外设有顶板，液压升降机固定安装于顶板上。
21.一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置进行消涡的方法，其特征是：包括以下步骤：
22.s1、启动驱动电机，驱动电机的泵轴转动带动叶轮转动，水从进水流道的进水口进入，经进水流道流入喷水推进泵泵体，然后从喷水口喷出；
23.s2、压力脉动传感器测量进水流道水流对于进水流道壁面压力，当水流在进水流道内发生脱流形成漩涡后，水流流速降低，对于进水流道上壁面压力上升，因此压力脉动传感器实时传感数据可以判别进水流道内漩涡是否形成；
24.s3、当进水流道内漩涡未形成时，导流槽对于进水流道内部水流具有稳流作用，可以缓解边界层分离现象的发生；
25.当进水流道内漩涡形成时，压力脉动传感器通过控制器向液压升降机发送指令，控制液压升降机升起，带动导流栅条伸入进水流道；从而，导流栅条在压力脉动传感器识别漩涡发生后自动升起，使进水流道内水流流速均匀化，流场结构发生改变，扰乱漩涡结构，极大程度上对进水流道内部水流流态进行改善；
26.当进水流道涡流消失，压力脉动传感器识别到进水流道上壁面压力脉动减小，压力脉动传感器通过控制器向液压升降机发送指令，控制液压升降机降下，此时导流栅条自动降下，形成导流槽对进水流道内部水流进行稳流。
27.步骤s3中：
28.当进水流道漩涡发生后，压力脉动传感器监测到壁面压力上升，导流栅条升起，导流栅条在进水流道内高度为导流栅条在斜坡侧水流发生回流时，可以打散旋涡，有效的阻止进水流道内部旋涡的形成，从而抑制漩涡的发生和发展，提高喷水推进泵装置运行效率。
29.本发明方法先进科学，本发明针对的是：进水流道是喷水推进器的一个重要部件，其功能除了输送水流外还将来流的能量传递给推进泵。喷水推进泵进水口受船体结构布局的限制，通常是弯管形的，由于受斜坡压力梯度的影响，泵进口流动不均匀，边界层流动发生分离，在斜坡侧形成回流区，并带有一定程度的涡流，部件管路水力损失大，并引发泵效率的下降，甚至发生失稳。若在进水流道内部直接设置导流栅条，虽然会在一定程度上改善进水流道内部漩涡情况，但是导流栅条的设置会减少进水流道过流断面面积，提高进水流道流速，从而增大水力损失，整体泵装置效率也会有所下降。现有工程实践和试验证明，进水管所损失的功率约占主机总功率的7％～9％,其与船体之间的相互作用对推进效率的影响甚至可以达到20％以上。
30.通过本发明，为有效缓解进水流道内部旋涡发生，避免内部旋涡结构进一步演化影响内流场能量损失，严重制约喷水推进泵装置推力以及推进效率，并在小流量工况下，喷水推进泵装置更易发生漩涡时，抑制漩涡形成。因此，在喷水推进泵装置进水流道入口及上壁面处设置消涡导流装置，消涡装置的导流作用使得靠近壁面水流与中心水流流速梯度减小，进水流道内水流流速均匀化，流场结构发生了改变，缓解边界层分离现象的发生。另一方面，液压式可升降导流栅条装置可以在小流量工况时，监测进水流道上壁面压力，探查漩涡是否形成，当斜坡侧水流发生回流时，形成漩涡后，导流栅条可以升起，打散旋涡结构，有效的阻止进水流道内部旋涡的形成，从而抑制漩涡的发生和发展，提高喷水推进泵装置运行效率。具体设置方法如下：
31.1在进水流道上壁面处设置压力脉动传感器用于测量进水流道水流对于进水流道壁面压力，当水流在进水流道内发生脱流形成漩涡后，水流流速降低，对于进水流道上壁面压力上升，因此压力脉动传感器实时传感数据可以判别进水流道内漩涡是否形成。具体传感器设置方式为以进水流道上壁面从进水流道进口到进水流道泵轴下端处为具体设置范围，每隔距离在进水流道截面上设置3个压力脉动传感器，在截面上压力脉动传感器分别在与铅垂线-40
°
，0
°
，40
°
位置。该传感器设置方式可以精确判别漩涡是否形成(如图1，图2)。
32.2为改善进水流道流场，缓解边界层分离现象的发生，抑制进水流道内部漩涡的发生，沿进水流道入口至泵轴下端处，设置导流槽，并在导流槽底部设置液压式可升降导流栅条，一方面导流槽对于进水流道内部水流有一定稳流作用，可以缓解边界层分离现象的发生；另一方面，液压式可升降导流栅条可以在压力脉动传感器识别漩涡发生后自动升起，使进水流道内水流流速均匀化，流场结构发生改变，扰乱漩涡结构，极大程度上对进水
流道内部水流流态进行改善，当进水流道涡流消失，压力脉动传感器识别到进水流道上壁面压力脉动减小，此时导流栅条自动降下，形成导流槽对进水流道内部水流进行稳流。其导流槽为宽高的矩形凹槽，导流槽底部为液压式可升降导流栅条，布置在进水流道上壁面处，每22.5
°
布置一个，共布置9个导流槽与液压式可升降导流栅条，每三个导流栅条为一组，共有三台液压升降机控制导流栅条升降，保证装置能够稳定安全运行。在泵壳外部高度为为有效防止导流栅条与导流槽连接位置漏水，保证液压装置有效运行，在泵壳外侧与导流栅条连接处设置柔性止水。为使液压升降装置稳定运行，设置顶板与船体加固连接。
33.3当进水流道漩涡发生后，压力脉动传感器监测到壁面压力上升，导流栅条升起，导流栅条在泵内高度为导流栅可以在斜坡侧水流发生回流时，可以打散旋涡，有效的阻止进水流道内部旋涡的形成，从而抑制漩涡的发生和发展，提高喷水推进泵装置运行效率。
34.有益效果：通过本发明，其导流槽可以有效的预防水流在进水流道斜壁面发生边界层分离，当喷水推进泵进口流量减小，易发生大范围漩涡时，其液压式可升降式导流栅条可以根据漩涡是否形成针对性的改善流场结构，打散回流旋涡，阻止进水流道内部旋涡形成，从而抑制旋涡的形成，能够高效的改善进水流道流态，提高泵装置的运行效率，增加泵装置的推力及推进效率。
35.随着喷水推进技术在高性能船舶和军用舰艇上的广泛应用，采用本消涡装置可以有效抑制进水流道内旋涡的发生，提高泵装置的推进效率，保障船舶运行安全。
附图说明
36.图1为喷水推进泵数值模拟进水流道涡流示意图；
37.图2为喷水推进泵进水流道内部涡流示意图；
38.图3为压力脉动传感器安放位置示意图(压力脉动传感器安放位置立面图)；
39.图4为压力脉动传感器安放位置示意图(压力脉动传感器安放位置截面图)；
40.图5为消涡导流部分正视图；
41.图6为消涡导流部分截面图；
42.图中：1喷水推进泵泵体、2进水流道、3驱动电机、4喷水口、5压力脉动传感器、6导流槽、7导流栅条、8液压升降机、9上壁面、10漩涡、11泵轴、12柔性止水、13顶板。
具体实施方式
43.下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
44.一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，包括喷水推进泵泵体、进水流道2、驱动电机3，喷水推进泵泵体1的一端设有与进水流道2贯通的进水口，另一端设有喷水口4；驱动电机3的泵轴11延伸于喷水推进泵泵体1内，且驱动电机3的泵轴11置于喷水推进泵泵体1内的一端固定有叶轮；在进水流道2上壁面处设置用于测量进水流道2水流对于进水流
道2壁面压力的压力脉动传感器5；
45.沿进水流道2入口至泵轴下端处的进水流道2上设有若干导流槽6，导流槽6内穿有液压式可升降导流栅条7，导流栅条7可沿导流槽6移动；
46.所述导流栅条7布置在进水流道2外壁面处，还设有液压升降机8，液压升降机8与导流栅条7连接，导流栅条7随着液压升降机8的升降而升降，从而导流栅条7沿导流槽6移动，带动导流栅条7伸入进水流道2内或从进水流道2退出；
47.所述进水流道2上的导流槽6与导流栅条7连接处设有柔性止水12；
48.还设有控制器，控制器分别与压力脉动传感器5、液压升降机8连接，压力脉动传感器5实时向控制器传输漩涡是否发生的信息；
49.当压力脉动传感器5识别漩涡发生后，压力脉动传感器5通过控制器向液压升降机8发送指令，控制液压升降机8带动导流栅条7升起，伸入进水流道2；
50.当压力脉动传感器5识别漩涡未发生后，控制器控制液压升降机8，使导流栅条7降下，从进水流道2退出。
51.进一步的，所述压力脉动传感器5具体设置方式为：
52.以进水流道2上壁面从进水流道2进口到进水流道2内泵轴下端处为具体设置范围，每隔距离在进水流道2截面上设置3个压力脉动传感器5，在截面上压力脉动传感器5分别在与铅垂线-40
°
、0
°
、40
°
位置；该压力脉动传感器5设置方式用于精确判别漩涡是否形成。
53.设喷水口4的直径为d，沿进水流道2入口至泵轴下端处的进水流道2上设有若干导流槽6；
54.所述导流槽为宽高的矩形凹槽。
55.进一步的，导流槽6布置在进水流道2上壁面处，每22.5
°
布置一个，共布置9个导流槽6与导流栅条7，每3个导流栅条7为一组，每3个导流栅条7与1个液压升降机8连接，共有3台液压升降机8控制导流栅条7升降。
56.进一步的，进水流道2外设有顶板13，液压升降机8固定安装于顶板13上。
57.一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置进行消涡的方法，包括以下步骤：
58.s1、启动驱动电机3，驱动电机3的泵轴转动带动叶轮转动，水从进水流道2的进水口进入，经进水流道2流入喷水推进泵泵体1，然后从喷水口4喷出；
59.s2、压力脉动传感器5测量进水流道2水流对于进水流道2壁面压力，当水流在进水流道2内发生脱流形成漩涡后，水流流速降低，对于进水流道2上壁面压力上升，因此压力脉动传感器5实时传感数据可以判别进水流道2内漩涡是否形成；
60.s3、当进水流道2内漩涡未形成时，导流槽6对于进水流道2内部水流具有稳流作用，可以缓解边界层分离现象的发生；
61.当进水流道2内漩涡形成时，压力脉动传感器5通过控制器向液压升降机8发送指令，控制液压升降机8升起，带动导流栅条7伸入进水流道2；从而，导流栅条7在压力脉动传
感器5识别漩涡发生后自动升起，使进水流道2内水流流速均匀化，流场结构发生改变，扰乱漩涡结构，极大程度上对进水流道2内部水流流态进行改善；
62.当进水流道涡流消失，压力脉动传感器5识别到进水流道2上壁面压力脉动减小，压力脉动传感器5通过控制器向液压升降机8发送指令，控制液压升降机8降下，此时导流栅条7自动降下，形成导流槽6对进水流道2内部水流进行稳流。
63.步骤s3中：当进水流道2漩涡发生后，压力脉动传感器5监测到壁面压力上升，导流栅条7升起，导流栅条7在进水流道2内高度为导流栅条7在斜坡侧水流发生回流时，可以打散旋涡，有效的阻止进水流道2内部旋涡的形成，从而抑制漩涡的发生和发展，提高喷水推进泵装置运行效率。
64.通过本发明，一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，其导流槽可以有效的预防水流在进水流道斜壁面发生边界层分离，当喷水推进泵进口流量减小，易发生大范围漩涡时，其液压式可升降式导流栅条可以根据漩涡是否形成针对性的改善流场结构，打散回流旋涡，阻止进水流道内部旋涡形成，从而抑制旋涡的形成，能够高效的改善进水流道流态，提高泵装置的运行效率，增加泵装置的推力及推进效率。主要实施步骤如下：
65.(1)在进水流道上壁面处设置压力脉动传感器用于测量进水流道水流对于进水流道壁面压力，当水流在进水流道内发生脱流形成漩涡后，水流流速降低，对于进水流道上壁面压力上升，因此压力脉动传感器实时传感数据可以判别进水流道内漩涡是否形成。具体传感器设置方式为以进水流道上壁面从进水流道进口到进水流道泵轴下端处为具体设置范围，每隔距离在进水流道截面上设置3个压力脉动传感器，在截面上压力脉动传感器分别在与铅垂线-40
°
，0
°
，40
°
位置。
66.(2)当水流进入进水流道后，会沿进水流道上壁面斜向上流动，由于导流槽的导流作用，水流减少边界层分离现象，使得靠近壁面水流与中心水流流速梯度减小，进水流道内水流流速均匀化，流场结构发生改善。
67.(3)当进水流道进水流量减小，进水流道内更易发生边界层分离，形成回流，形成漩涡。此时，进水流道壁面压力上升，由压力脉动传感器监测识别后，液压式可升降导流栅升起，可以打散旋涡结构，有效的阻止进水流道内部旋涡的形成，从而抑制漩涡的发生和发展，提高喷水推进泵装置运行效率。

技术特征：
1.一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，包括喷水推进泵泵体(1)、进水流道(2)、驱动电机(3)，喷水推进泵泵体(1)的一端设有与进水流道(2)贯通的进水口，另一端设有喷水口(4)；驱动电机(3)的泵轴(11)延伸于喷水推进泵泵体(1)内，且驱动电机(3)的泵轴(11)置于喷水推进泵泵体(1)内的一端固定有叶轮；其特征是：在进水流道(2)上壁面处设置用于测量进水流道(2)水流对于进水流道(2)壁面压力的压力脉动传感器(5)；沿进水流道(2)入口至泵轴下端处的进水流道(2)上设有若干导流槽(6)，导流槽(6)内穿有液压式可升降导流栅条(7)，导流栅条(7)可沿导流槽(6)移动；所述导流栅条(7)布置在进水流道(2)外壁面处，还设有液压升降机(8)，液压升降机(8)与导流栅条(7)连接，导流栅条(7)随着液压升降机(8)的升降而升降，从而导流栅条(7)沿导流槽(6)移动，带动导流栅条(7)伸入进水流道(2)内或从进水流道(2)退出；所述进水流道(2)上的导流槽(6)与导流栅条(7)连接处设有柔性止水(12)；还设有控制器，控制器分别与压力脉动传感器(5)、液压升降机(8)连接，压力脉动传感器(5)实时向控制器传输漩涡是否发生的信息；当压力脉动传感器(5)识别漩涡发生后，压力脉动传感器(5)通过控制器向液压升降机(8)发送指令，控制液压升降机(8)带动导流栅条(7)升起，伸入进水流道(2)；当压力脉动传感器(5)识别漩涡未发生后，控制器控制液压升降机(8)，使导流栅条(7)降下，从进水流道(2)退出。2.根据权利要求1所述的一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，其特征是：所述压力脉动传感器(5)具体设置方式为：以进水流道(2)上壁面从进水流道(2)进口到进水流道(2)内泵轴下端处为具体设置范围，每隔距离在进水流道(2)截面上设置3个压力脉动传感器(5)，在截面上压力脉动传感器(5)分别在与铅垂线-40
°
、0
°
、40
°
位置；该压力脉动传感器(5)设置方式用于精确判别漩涡是否形成。3.根据权利要求1所述的一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，其特征是：设喷水口(4)的直径为d，沿进水流道(2)入口至泵轴下端处的进水流道(2)上设有若干导流槽(6)；所述导流槽为宽高的矩形凹槽。4.根据权利要求3所述的一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，其特征是：导流槽(6)布置在进水流道(2)上壁面处，每22.5
°
布置一个，共布置9个导流槽(6)与导流栅条(7)，每3个导流栅条(7)为一组，每3个导流栅条(7)与1个液压升降机(8)连接，共有3台液压升降机(8)控制导流栅条(7)升降。5.根据权利要求1所述的一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置，其特征是：所述进水流道(2)外设有顶板(13)，液压升降机(8)固定安装于顶板(13)上。6.权利要求1-5任意一项权利要求所述的一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置
进行消涡的方法，其特征是：包括以下步骤：s1、启动驱动电机(3)，驱动电机(3)的泵轴转动带动叶轮转动，水从进水流道(2)的进水口进入，经进水流道(2)流入喷水推进泵泵体(1)，然后从喷水口(4)喷出；s2、压力脉动传感器(5)测量进水流道(2)水流对于进水流道(2)壁面压力，当水流在进水流道(2)内发生脱流形成漩涡后，水流流速降低，对于进水流道(2)上壁面压力上升，因此压力脉动传感器(5)实时传感数据可以判别进水流道(2)内漩涡是否形成；s3、当进水流道(2)内漩涡未形成时，导流槽(6)对于进水流道(2)内部水流具有稳流作用，可以缓解边界层分离现象的发生；当进水流道(2)内漩涡形成时，压力脉动传感器(5)通过控制器向液压升降机(8)发送指令，控制液压升降机(8)升起，带动导流栅条(7)伸入进水流道(2)；从而，导流栅条(7)在压力脉动传感器(5)识别漩涡发生后自动升起，使进水流道(2)内水流流速均匀化，流场结构发生改变，扰乱漩涡结构，极大程度上对进水流道(2)内部水流流态进行改善；当进水流道涡流消失，压力脉动传感器(5)识别到进水流道(2)上壁面压力脉动减小，压力脉动传感器(5)通过控制器向液压升降机(8)发送指令，控制液压升降机(8)降下，此时导流栅条(7)自动降下，形成导流槽(6)对进水流道(2)内部水流进行稳流。7.根据权利要求6所述的方法，其特征是：步骤s3中：当进水流道(2)漩涡发生后，压力脉动传感器(5)监测到壁面压力上升，导流栅条(7)升起，导流栅条(7)在进水流道(2)内高度为导流栅条(7)在斜坡侧水流发生回流时，可以打散旋涡，有效的阻止进水流道(2)内部旋涡的形成，从而抑制漩涡的发生和发展，提高喷水推进泵装置运行效率。

技术总结
本发明涉及一种喷水推进泵装置进水流道水流消涡装置及其消涡方法，在进水流道上壁面处设置用于测量进水流道水流对于进水流道壁面压力的压力脉动传感器；沿进水流道入口至泵轴下端处的进水流道上设有若干导流槽，导流槽内穿有液压式可升降导流栅条，导流栅条可沿导流槽移动；所述导流栅条布置在进水流道外壁面处，还设有液压升降机；通过本发明，导流槽可以预防水流在进水流道斜壁面发生边界层分离，当喷水推进泵进口流量减小，易发生大范围漩涡时，其液压式可升降式导流栅条可以根据漩涡是否形成针对性的改善流场结构，打散回流旋涡，阻止进水流道内部旋涡形成，从而抑制旋涡的形成，能够高效的改善进水流道流态。能够高效的改善进水流道流态。能够高效的改善进水流道流态。


技术研发人员：焦伟轩 赵恒 成立 许旭东 于贤磊 王玉琪 刘本庆 顾延东
受保护的技术使用者：扬州大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/6/27