本帖最后由 不会唱哥 于 2022-6-16 21:09 编辑
因为疫情缘故，有个一年半没摸过船模了，最近晚上有闲，琢磨起了泵喷/喷水推进器。本人不是船舶专业的，三维建模也是菜鸟水平，在这里开个贴主要是为了记录一下自己自制泵喷推进器的过程，其次是希望能遇到高手来帮忙指导一下。
1. 喷水推进器理论学习
对于一件工具，如果我们首先了解一下它的基本原理，通常可以让我们用的更上手。喷水推进器看起来好像结构挺简单，其实里面是有很多门门道道的，想搞透是极其困难的。不过，对于我们这种模型爱好者，有个高中水平的理解应该就够了。
喷水推进是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进，具有效率高，抗空泡能力强，工作平稳、噪声低、主机不易过载、附体阻力小等优点． 因此，喷水推进装置广泛应用于高速舰船和安静型潜艇上，同时适用于重载荷大中型运输船、工作船和浅吃水内河船(来自网络)。我的理解，它就是个泵，一般是轴流泵或者混流泵，当然离心泵也可以，因为大家都能喷水，能喷水就有反作用力，就像火箭一样喷出工质获得推力。
泵喷的基本推力公式也和火箭推力公式大差不差： T ＝w*（vj - vs ）+ Aj*（pj-p0） 其中： T——推进器推力，单位【N，牛】，
w——推进器的出口质量流量，单位【kg/s，千克每秒】，
vj——推进器的喷水速度，单位【m/s，米每秒】，
vs——推进器的吸水速度，单位【m/s，米每秒】，
Aj——推进器喷嘴出口处的截面积，单位【，平方米】，
pj——推进器喷嘴出口处的压强，单位【Pa，帕】
p0——当地的大气压，单位【Pa，帕】 由于我们的模型推进器，喷口面积很小，推进器喷嘴出口处的压强也几乎为大气压，所以公式可以更简单一点：T ＝w*（vj - vs ）；如果是静态测试状态，则可以更简单，T ＝w*vj 。 根据水的流速变化，可以简单计算叶轮传递给水的有效功率：
Pe=0.5*w*(vj^2-vs^2)
推进器吸水速度其实并不完全等于船相对水的航速，但是为了简化处理，两者可看做相等，根据P=F*v，可知实际推进功率：
Pt=T*vs ＝w*（vj - vs ）*vs
理想化的喷射效率：
ηj=Pt/Pe
=w*（vj - vs ）*vs/(0.5*w*(vj^2-vs^2))
=2vj/(vj+vs)
=2/(1+k)
其中k —— 喷水速度与航速之比，k=vj/vs。
所以航速与喷速越接近，推进效率越高，理论上两个速度相等时，效率为100%，不过在实际中时不可能的。在一些军用航行器上，这个喷射效率可以达到90%以上，对于很多商用航行器，能接近80%就不错了，对于模型推进器，不知道能不能达到70%。
不管用什么泵对水做功，都有一个泵效率ηp，和泵的流道和叶轮设计有关, 同样也只有一些优秀设计才能达到90%，不知道自己画，也没有仿真，能有个75%吗? 再考虑到轴系传动还有一个效率ηm, 如果电机轴直接连接应该能有98%吧。因此实际的推进效率为：
ηt=ηm*ηp*ηj
不过实际的泵入口及出口的流场是不均匀的，要准确描述这些量肯定需要使用微积分，太复杂了，远远超出高中水平了。因此，这里的速度我们都使用平均速度代替，虽然准确性不足，但是可以帮忙用来估算推力和选择电机功率，毛估估啦。
哦，对了，对于泵喷，除了叶轮，出口导叶也是很有必要也很有技术含量的一个部件。经过叶轮做功的水流，除了有轴向的速度，还有周向旋转的速度，周向旋转的速度是不会贡献我们所需的轴向推力的。出口导叶的作用是将流出叶轮的流体的旋转运动转变为轴向运动，并在与导叶组成一体的圆锥形扩张管中将部分动能转变为压能，避免液体由于旋转而造成的冲击损失和漩涡损失。
我目前计划是设计一个 70mm 泵喷推进器，这个尺寸推进器足够用来推进水上 滑板或者单人小艇。我用上面这些公式做了一些粗略计算（精确的咱也没能力）。根据我有限的认识，在计算中作了一些假设，不然还真没法算。设计航速是40 km/h，假定了喷射效率 ηj=0.7，轴流泵效率ηp=0.75，这两个效率估算其实心里没底，没有信心自己随便设计就能有这个效果。对于电机效率设置0.85，轴传动效率0.98，这两个是比较确定了，看了很多模型无刷电机，效率大多如此。
2. 建模进度
当前画了泵体，比较简单，个人感觉画的还算顺眼，哈哈哈！泵体与喷嘴采用6个3mm螺栓固定，使用硅胶圈密封，打算使用不锈钢条做进水口格栅。原本打算附上我计算的excel文件，请大家指正，但是发现不会操作 。
今天更新一下喷嘴和导叶，选择了7导叶设计，在整个泵中，由于水的不可压缩性，通过任意横截面的流量是相等的，因此不同横截面流速与横截面积成反比，由此可计算冲压比（螺旋桨处速度与喷口速度之比), 这里设定了喷口直径40 mm，冲压比为2.5。导叶叶片形状对整流效果影响很大，优良的设计可以提高推力，增加效率至少5%以上。至于我画的这个，有点效果我就满意了，后面免不了继续优化。
叶轮设计很关键，也比较难，叶片形状和厚度需要好好看些资料，目前是属于凭着印象和网上的照片画的。还有就是在纠结，是不是要cnc加工铝叶轮，不锈钢的是不敢想了，加工费太贵了，是加工铝的好几倍，用当前画的图，看了未来工厂的cnc加工，6061，0.1mm精度需要260多。铝叶轮的好处是明显的，可以更薄，刚性好，这样效率肯定比3d打印的塑料叶轮高一大截，而且抗气蚀方面也更强。不过，暂时还是需要先用3d印的做实验，选择效果好的去做加工铝叶轮。下面是叶轮的粗略模型，我称之为傻瓜式设计，因为用的等厚叶片，但根据我实际观察，摩托艇叶轮实际是不等厚的，就像空气桨一样，有特殊设计的。
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发表于 2022-6-15 21:27
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