喷水推进器和泵喷推进器简介及泵类推进器多样结构形式与应用场合

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喷水推进器和泵喷推进器均属船艇泵类推进器。喷水推进器（，简称“喷泵”）的发明早于螺旋桨19年。上世纪60年代，美国宾州大学研发了泵喷推进器（，简称“泵喷”）并首次成功应用于鱼雷；英国海军的“丘吉尔”号核潜艇于1970年开始使用泵喷推进器；1990年，俄罗斯“基洛”级常规潜艇B-号也使用了泵喷推进器。泵类推进器发展至今，其具体结构形式和应用场合十分多样：既有内流场，也有内外流场；既有导叶在前、叶轮在后，也有叶轮在前、导叶在后；既可以含进水流道、也可无进水流道；既有外置式，也有内置式；既有水面喷水，也有水下喷水；既用于水面舰船推进，也用于鱼雷、潜艇及其他水下航行器推进。

迄今，业内有关教科书、专著、论文等学术文献，似乎都没有给出喷水推进和泵喷推进的准确、完整定义，因此国内外对其称谓有些混乱，更说不清楚喷水推进和泵喷推进的区别。不仅有国内业界人士反映无法说清和辨别喷泵和泵喷，而且国外也有类似概念混淆的情况。例如，图1～图3在美国都被称为泵喷。但是，从选型原则和应用效果来看，三者不仅不完全等同，而且有着明显的推进性能差别，不能归类为泵喷推进器。实际上，图1为泵喷推进器，图2和图3应归类为喷水推进器。但按照目前已有的命名方法，的确无法将它们准确区分或正确命名。

图1 Mark 48鱼雷使用的泵喷推进器

图2 舷外机推进器剖视图（黑色为叶轮、灰白为导叶）

图3 离心式推进器进水口（格栅处）和3个出水口

本文将首先介绍喷水推进器和泵喷推进器的基本概念和案例，然后概括二者在推进原理上的异同，以既满足快速性要求又满足声隐身性要求的某水上、水下蛙人输送艇泵类推进器为例，重点分析其归属问题，最后指出国外某些泵类推进器称谓的不妥之处。作者领导的研究室已从事了前面所说各种具体结构喷水推进器和泵喷推进器的设计和研究，有关积累有助于本文提炼和阐明喷水推进器和泵喷推进器定义的内涵与外延。

一、喷水推进器

⒈喷水推进器的定义

先回顾业内最著名的学术文献对喷水推进器的定义。 J. 等是现代论述喷水推进相关内容最权威的国外文献，但文中没有给出喷水推进器的定义。Van T.等是业内最早全面研究船和喷水推进器相互作用的博士论文，但文中仅给出了喷水推进器的结构组成示意图（图4）。

图4 喷水推进器的一般组成

N W H等是业内采用数值计算方法研究喷水推进器、进水流道、喷水推进器＋进水流道性能的著名博士论文，其认为安装在船尾的商用喷水推进器由进水流道1、泵2、喷嘴3、转向倒车机构4共4部分组成（图5）。

图5 喷水推进安装示意图

该推进器的主要部件是泵，它把原动机的机械功转变为流体总头以便在喷嘴出口处产生射流。遗憾的是，上述3篇文献都没有给出喷水推进器的明确定义，只讲了艉板式喷水推进器的一般组成，以及靠射流产生推力的一般原理。

根据工程设计和实际应用，作者建议对喷水推进器作以下定义：由管道内的叶轮和导叶共同作用、在喷口产生射流、以快速性作为第一设计目标的船舶推进器，称为喷水推进器。

⒉喷水推进器的工作原理与结构形式

本节以最常用的水面舰船艉板式喷水推进器为例（图6）来介绍其基本工作原理。由图6可知，主机的旋转机械能量通过传动轴系传递给叶轮，叶轮对从船底进水口吸入的水流作功，叶轮后方静止不动的导叶对水流进行整流（将周向和径向分量变成轴向分量），高速、高压水流通过喷口高速轴向喷射，水流反作用力即对应为克服船体阻力的推进力。因此，可以说喷水推进器本质上是一个能量转化器，将原动机的旋转机械能变成船体平动机械能。

图6 喷水推进器基本结构

在此，通过喷水推进器的具体结构（图7和图8）阐述上述能量转化过程。喷水推进器有2个主要结构部件——进水流道和泵（图7）。泵安装在船艉板上，其轴线离船底有一定的高度。这种安装的目的是：设计航速时，喷口能向空气中喷水。因空气背压小、喷口速度高，故可获得更大的喷口动量，从而获得更大的推力。泵在艉板上有一定的安装高度，需要通过进水流道A将船底的水从进水口F吸入，在流经进水流道后成为泵的进流。

图7 喷水推进器的主要结构部件

图8 水流在叶轮和导叶体中的流动

泵由旋转叶轮B、静止导叶C和喷口D组成。原动机通过叶轮轴E驱动叶轮对水作功、导叶C对叶轮B的出流进行整流，以便把径向流动和周向流动尽可能转变为轴向流动，最后通过渐缩型的喷口D高速喷出，从而获得推进力。转向和倒车机构G则用于改变水流的方向。需要特别指出的是：喷水推进器通过叶轮和导叶的水力匹配设计来产生轴向射流以获得推进作用被C到喷水嗯H，优秀的设计可使射流中的轴向动能占喷口水流总动能的98%～99%。喷水推进极高比例的轴向射流，是其他任何船舶推进器都不具备的优点，这正是喷水推进器推进效率高于其他船舶推进器的基本原因。图8示出了喷水推进器轴向流产生的流动原理。

图9 蛙人输送器的螺旋桨推进和喷水推进

喷水推进器有很多具体结构形式，在此通过实例来做若干说明：

⑴图7所示的喷水推进器是先叶轮作功、后导叶整流来产生轴向射流。工程应用中也有先由前置导叶给泵进流一个预旋，再由后置叶轮逆预旋方向对水作功，这样的设计同样能得到轴向射流的喷水推进器。图9所示蛙人输送器的喷水推进器就采用了导叶在前、叶轮在后的结构形式。

⑵由图7和图9的比较可知，喷水推进器不一定需要进水流道，换句话说，进水流道不是喷水推进器的必要组成部分。

图10 美国海军全电力推进试验舰上安装的浸没式喷水推进器

⑶目前国内外大量使用的艉板式喷水推进器，设计航速时其喷口是在水面（水上）喷射水流，但也有例外，如美国海军21世纪初资助Rolls-Royce公司开发的浸没式喷水推进器（图10）。该喷水推进器安装在船尾底部，它在船底吸水，喷水推进器作功后又在船底喷水。当时美国海军研发该型喷水推进器的初衷是既提高推进效率又降低水下辐射噪声，事实上这两个目标都没有实现。

⑷德国Voith公司近年推出了一种水下喷水推进器（图11），它本质上是浸没式无流道的喷水推进器，由前置4叶叶轮、后置7叶导叶组成。图12是模型尺度的浸没式无流道喷水推进器，由前置5叶叶轮、后置7叶导叶组成。

图11 前置叶轮、后置导叶的Voith Jet浸没式喷水推进器

图12 船模试验用的浸没式喷水推进器（5叶前置叶轮、7叶后置导叶）

图13 螺旋桨舷外机和喷水推进舷外机

⑸国外舷外机推进器已由螺旋桨推进演变成喷水推进（图13）。图14中水流首先由前置红色（深色）的叶轮对其作功、然后由后置黄色（浅色）的导叶整流，最后从喷口射出。

图14 喷水推进舷外机内部结构（蓝色为导管支撑架，红色为4叶叶轮，黄色为8叶导叶）

⒊喷水推进的优点

喷水推进具有如下优点：

⑴推进效率高于螺旋桨。以前有一种观点认为，高速时喷水推进的效率高于螺旋桨，中低速时低于螺旋桨。我们的设计和研究结果表明，该观点不正确。仅举某低速平台两种推进器的比较例子。图9所示蛙人输送器的设计航速为2kn，我室所设计喷水推进器的推进效率远高于原先已使用的导管螺旋桨。

⑵航速越高越不容易空化，故非常适合高速推进。

⑶水下辐射噪声远低于螺旋桨。

⑷功率密度大、结构紧凑，在同样推进功率前提下，其标称直径明显小于螺旋桨。

⑸安装艉板式喷水推进器的船体具有优异的机动性，其回转半径和紧急停车距离均远小于同尺度的螺旋桨推进。

⑹艉板式喷水推进适合于浅水航行。

⑺具有转向和倒车机构的2台艉板式喷水推进器能构成矢量推进，可为所在船提供优异的操纵性。

⑻艉板式喷水推进的主机负荷对航速不敏感，故其主机相对寿命高于螺旋桨船主机。

⑼“舵―桨―车”三合一，便于船厂安装和调试。

⑽喷水推进器内部的旋转叶轮不像螺旋桨那样外裸，在前置导叶（无进水流道时）或进水流道入口处（有进水流道时）安装格栅，有助于保护叶轮，使其不易损坏。

⑾喷水推进器内的旋转叶轮对水中人员和水中生物无直接伤害作用，比螺旋桨更安全、环保。

⒋喷水推进的缺点

毋庸讳言，喷水推进也有缺点。其水力部件多，包括流道的进水口及格栅、进水流道、叶轮、导叶和喷口。只有对水力部件进行有机集成才能保证喷水推进器优异的推进性能，故水力设计难度大、制造成本高，价格昂贵。工作时进水流道和喷水推进器内的水流重量增大了船的排水量，对快速性有负面影响。

二、泵喷推进器

⒈泵喷推进器的定义

先回顾国外有关泵喷的论述，再提出作者对泵喷推进器的定义并举例说明。

维基百科将泵喷推进和喷水推进放在同一个词条予以定义，译成中文为：泵喷推进器，水力喷射器，喷水推进器，是一个通过水射流来产生推进的船舶系统。机械结构配置可能是一个导管式推进器（轴流泵）、离心泵或混流泵，也可配有进水流道和喷口。

该定义已提炼出喷水推进器和泵喷推进器的共性——“靠水的射流来产生推进”，并指出了推进泵的3种类型，但没有说明喷水推进器和泵喷推进器的特性或区别。

R E等给出的泵喷推进器的定义，该定义意译为：泵喷推进器是一个管道内的旋转水力推进器，有点像飞机涵道式风扇发动机，但它是液力结构。泵喷推进器和螺旋桨工作原理上的差别在于流体流过推进器的方式。流过泵喷推进器的流场特意设计成背离螺旋桨自由流界面。泵喷推进器流场离开螺旋桨自由流界面的形状如图15所示。（图中管道内虚线指螺旋桨流场界面，实线指导管内壁面为泵喷流场界面）。该定义只侧重于泵喷推进器外形以及为抑制空化所采用的减速导管流场与螺旋桨流场的差别。

图15 泵喷推进器内部流场和螺旋桨流场的差别

这样阐述泵喷，其中文意思为：泵喷推进器基本上是轴流涡轮泵。其由3部分组成：一是管道或导管；二是固定的导叶，由它构成了径向槽，导叶的作用扭曲了水流动的方向；三是旋动的转子，其叶片比常规的螺旋桨叶片多。该种结构布置提高了推进效率并通过减少梢涡降低了噪声。美国海军“海狼”级核潜艇的泵喷推进器比敞开式螺旋桨更安静并且更高效。该文献对泵喷推进器结构的描述没有概括其所有结构特点，而且喷水推进器也具有它所说的3个组成部分。

类似于前面提出的喷水推进定义，作者建议对泵喷推进器定义如下：由管道内的叶轮和导叶共同作用、在喷口产生射流、以低噪声（声隐身性）作为第一设计目标的船舶推进器，称为泵喷推进器。

⒉泵喷推进器的结构形式

因为泵喷推进器最早发明和应用于鱼雷，故先介绍鱼雷泵喷推进器结构，然后再介绍其他泵喷推进器。

图16所示为美国鱼雷使用的泵喷推进器。流经鱼雷雷体前段的水流进入泵喷推进器后，先由旋转叶轮作功、然后经过导叶整流，最后沿减缩型喷口射出从而获得推进力。该泵喷推进器采用的是前置叶轮、后置导叶的结构。为了降低叶轮上的负载、避免空化、降低噪声，该泵喷推进器旋转叶轮11叶（图16中呈金黄色的叶片）、静止导叶13叶（图16中呈浅灰色的叶片），明显比前述应用案例中多。当然，该鱼雷泵喷推进器设计还采用了其他降噪措施。

图16 Mark 50鱼雷使用的泵喷推进器

美国早期设计的潜艇泵喷推进器（图17）也采用前置叶轮、后置导叶的水力结构。该潜艇泵喷推进器进流处有导管支撑架，目的是由前置的导管支撑连同后置导叶共同支撑十分笨重的导管。这种前置叶轮、后置导叶的泵喷推进器结构带来了振动、噪声增强的问题：水流被叶轮作功后获得高速、高压，然后直接冲击在后置导叶上。

图17 美国早期泵喷的结构设计图

这种冲击作用既导致导叶表面流激直发声显著增大，也导致导叶振动进而使推进器结构声明显增强。后来研发的现代潜艇泵喷推进器设计就开始采用前置导叶、后置叶轮的结构形式。从流体流动原理可知，前置导叶给进流一个预旋，后置叶轮反预旋方向对水作功，此时的水流沿轴向从喷口射出进而获得推进作用。该“前置导叶、后置叶轮”结构消除了“前置叶轮、后置导叶”结构所具有的流激直发声大、导叶振动所致结构噪声也大的双重缺点。当然，导叶前置时，后置叶轮的推力载荷更大，叶轮自身的流固耦合振动噪声会明显增大，因而带来了尚需进一步解决的新问题。

三、喷水推进器和泵喷推进器的异同

⒈共同点

二者均属泵类推进器（都是叶片式水泵），都由管道内的旋转叶轮和静止导叶2个部件组成，都是通过叶轮和导叶对流体的共同作用，在喷口产生轴向射流，从而获得推进力。

⒉不同点

将快速性作为第一设计指标，追求的是推进器的高效率、大推力，这样的设计结果为喷水推进器；将声隐身性作为第一设计指标，追求的是推进器的低噪声、安静性，这样的设计结果为泵喷推进器。

举一个例子来说明两者的转化关系。假设某小型船舶使用水下喷水推进器，一般情况下4叶叶轮、7叶导叶的结构配置就可以保证无空化高效率推进。但是，如果这样的结构配置用于潜艇，就会产生致命问题：叶轮和导叶流体力将诱发低频强线谱。当叶轮转动一周时，推进器会出现4个或4×7＝28个的脉动推力和脉动力矩，所对应的低频强线谱不仅噪声强，而且传播距离远，对声隐身不利。为了改善该种情况，需要将叶轮叶片数增加到9～11，导叶叶片数增加到15～19，并采用前置导叶、后置叶轮结构，增大导叶和叶轮的间距以降低它们间的流体相互作用，叶轮采用侧斜等措施。改变后的推进器的低频强线谱会显著降低，不但流激直发声显著降低，而且结构噪声也会明显降低，但此时推进器的效率就显著降低了，这时的推进器是泵喷推进器而不是喷水推进器了。

⒊有关二者具体结构的进一步说明

⑴无法用叶轮和导叶谁在前、谁在后来区分喷水推进器和泵喷推进器。喷水推进器和泵喷推进器都有叶轮在前、导叶在后的具体结构（图2是公司S2系列、水面舰船用的叶轮在前、导叶在后的喷水推进器，图18是前苏联设计建造的世界上第1艘常规潜艇的泵喷推进器，也是叶轮在前、导叶在后的结构），也都有导叶在前、叶轮在后的具体结构。图9是作者所在研究室为某蛙人输送器设计的导叶在前、叶轮在后的喷水推进器，图19是作者所在研究室为某蛙人输送艇设计的导叶在前、叶轮在后的泵喷推进器。

图18 “基洛”级潜艇B-871 号在干船坞检修时的泵喷推进器（前置11叶叶轮、后置7叶导叶）

⑵无法用内流场和内外流场来区分喷水推进器与泵喷推进器。喷水推进器和泵喷推进器都有内流场的结构。例如：图2是内流场的喷水推进器；将图19所示的外置式（悬挂式）泵喷推进器内置于潜艇尾部并配置2个进水流道或4个进水流道和1个出水流道时就是内流场泵喷推进器（图20）。下文将要介绍的多航态蛙人输送艇泵类推进器也是一个内流场泵喷推进器。喷水推进器和泵喷推进器也都有内外流场的结构，图9～图14是内外流场的喷水推进器，图16～图19是内外流场的泵喷推进器。

图19 某蛙人输送艇的泵喷推进器（前置11叶导叶，后置9叶叶轮）

图20 潜艇内置式无轴泵喷推进系统结构组成示意图

⑶无法用加速导管和减速导管来区分喷水推进器和泵喷推进器。如图17所示导管，既可以设计成加速导管，也可以设计成减速导管。有人说泵喷推进器为避免空化必须采用减速导管，事实上也有采用加速导管但泵喷推进器在整个工作范围都没有空化的。因此，作者认为，采用减速导管是避免叶轮空化的技术措施之一，但不是唯一的技术措施。

四、多航态蛙人输送艇泵类推进器的分类

有读者可能会提出，快速性和声隐身性对舰船推进性能同等重要；在同等重要设计原则下的泵类推进器的设计结果，它属于喷水推进器还是泵喷推进器呢？下面以一个案例来回答该问题。

美国“多用途战斗艇”（MRCC）是应美国特种作战司令部要求由美国司蒂德公司研制开发的。该MRCC既能在海面上高速行驶，又能够下潜到水下一定深度低速航行。它常用于海军陆战队执行特殊任务或特种部队蛙人的输送。从基地或母船到执行任务海域的航渡过程中，该艇首先采用水面高速航行（30～35kn），接近任务海域时为提高隐蔽性，采用半潜航行（5.5kn），然后采用水下航行（2～5kn）隐蔽抵达任务海区，最后采用坐海底或悬浮航态来释放蛙人和特种装备以执行特殊任务。

为探索快速性和声隐身性兼优，适合于水上水下航行快捷切换、工作可靠的多航态艇（类似于MRCC）推进装置，作者提出了“合二为一”的泵类推进装置（图21）：水上或半潜航行时，离合器结合，增压柴油机驱动泵类推进器，推进电机不工作而作为旋转惯量置于传动系统中空转；水下航行时，离合器脱开，柴油机不工作，电池向推进电机供电以驱动泵类推进器。

图21 多航态艇的“二合一”泵类推进器配置图

作者所在研究室为该多航态艇设计了既满足水上设计航速30kn高速、高效航行，又满足水下设计航速5kn低噪声航行（如流激直发声不高于115dB）的泵类推进器（图22～图23）。

图22 泵及流道内部流动情况

图23 多航态蛙人输送艇的泵类推进器装配图

设计人员首先为水面30kn工况设计了喷水推进器，对实尺度“艇＋进水流道＋喷水推进器”系统进行水面30kn的数值自航实验，获知所设计喷水推进器在水面30kn时无空化、推进效率满足设计要求。然后进行实尺度“艇＋进水流道＋喷水推进器”系统水下5kn的数值自航实验，获知该喷水推进器在水下5kn时无空化、推进效率也满足设计要求。最后，再进行实尺度“艇＋进水流道＋喷水推进器”系统水下5kn的非定常流场计算和流激直发声计算，发现流激直发声达119.5dB，不满足115dB的设计要求，所以该喷水推进器需进一步改进设计以降低流激直发声。

上述过程表明，以水面30kn作为设计工况、并且考虑若干降噪措施（如叶轮7叶，导叶12叶）后，仍不能满足水下5kn航行时的115dB噪声性能，尚需将泵喷设计中的更多降噪措施运用到该喷水推进器的声学性能改进上。改进设计后所得的不再是喷水推进器而是泵喷推进器，因为这个泵类推进器保证快速性易、保证噪声性能难，最终的设计难点是如何保证噪声性能的实现。

仅举一个措施来说明如何进一步降低流激直发声：该喷水推进器初始设计采用了叶轮在前、导叶在后的结构，这是出于提高效率的考虑；但这种结构的弊端是流激直发声大，即前置叶轮对水作功后高速、高压流体冲击在后置导叶上，会导致导叶上的流激直发声显著增大。针对这一结构弊端，采取了降低动、静部件间流场强耦合的措施，比如加大叶轮和导叶之间的轴向距离。这就减小了叶轮和导叶间的流场强耦合，有利于降低直发声。当然，这会造成粘性流动路径变长、流体流动损失增加，降低泵喷推进器的水力效率。

采用多项降噪措施后，最终所得新泵喷推进器水下5kn时的静件声级110.02dB，动件声级109.87dB，泵喷直发声113.82dB。然后，设计者又重新校验了该新泵喷推进器水面30kn、水下5kn的推进性能，发现均满足要求。

多航态蛙人输送艇泵类推进器的设计过程和结果表明，在快速性和声隐身性同时有较高设计要求的工程应用中，哪个设计难度大就以哪个所对应的设计结果来命名。因水下5kn时115dB的声学设计难度大于水上30kn的快速性设计难度，所以设计结果是泵喷推进器而不是喷水推进器（虽然设计者最初采用的水力结构是喷水推进器的一般形式）。

五、国外泵类推进器若干命名的点评

公司将图24所示离心式喷水推进器称为。由于该推进器没有低噪声设计要求，主要是保证所在平台的操纵性和机动性，故称其为喷水推进器（）更名副其实。

图24 SPJ 及其应用

国外将图13和图14所示的舷外机喷水推进器称为。由于这种推进器设计只需考虑高效率、大推力的快速性要求，和低噪声无任何关联。故称其为喷水推进更贴切。有人将图13和图14所示的推进器称为，译成中文为“舷外喷射推进器”，这较为名副其实。

六、结语

喷水推进器和泵喷推进器依靠其管道内的叶轮和导叶的水力匹配设计所形成的喷口轴向射流产生推进力，喷口轴向流能量能达到喷口出流总动能的98%～99%，因而它们都具有很高的推进效率。

人类运用自身高超的智慧和创造力已设计并应用了各种各样的喷水推进器和泵喷推进器，若想通过其具体的结构来定义和分类，结果都会挂一漏万，故作者建议从共性提炼和特性区分来定义它们。喷水推进器和泵喷推进器都是水泵，都由管道内的叶轮和导叶所组成，都是通过叶轮和导叶的水力匹配设计在喷口产生轴向射流而获得推进力。它们的区别在于：喷水推进器将保证快速性，即高效率、大推力的无空化推进作为第一设计目标；泵喷推进器将保证声隐身性，即低噪声、安静性作为首要设计目标。

据此，作者提出了喷水推进器和泵喷推进器的定义：由管道内叶轮和导叶共同作用，在喷口产生射流，以快速性作为第一设计目标的船艇推进器称为喷水推进器；以低噪声（声隐身性）作为第一设计目标的船艇推进器称为泵喷推进器。该定义能涵盖所有泵类推进器的分类，能准确区分且无一例外。当然，当有更新的泵类产品问世且本定义无法涵盖时则本定义应再完善。

【致谢】

本文撰写是基于所指导的博硕士研究生的有关研究工作，他们是：丁钟江、丁江明、刘承江、黄斌、苏永生、段向阳、孙存楼、杨琼方、常书平、魏应三、靳栓宝、付建、吴森、李翔、李坚波、曾文德、聂沛军、王绍增、孙铭泽、李斌、丁科、李剑、谢天宇、王彬彬、刘强、易文彬、彭云龙、曹玉良、张明宇、仝博、王小二、李留洋、柯亮、魏春阳、蒋超、吴湘荣、陈天福。值得一提的是，彭云龙博士所完成的喷水推进器和泵喷推进器的10多项出色设计及深入研究，为本文撰写提供了详实的素材。在此一并表示衷心感谢！

END

【作者简介】文/王永生，男，1955年出生，海军工程大学，博士，教授，研究方向为船舶喷水推进；文章来自《中国舰船研究》（2019年第5期），参考文献略，文中文字个别有调整，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑整理。