壓水式推進器的設計與運動分析

（四川大學制造科學與工程學院，四川 成 都 6 10065）

噴水推進是近些年來急速發(fā)展成熟起來的一種特殊的推進方式，與螺旋槳推進不同的是，其不是利用推進器直接產(chǎn)生推力，而是利用推進泵噴出的高速水流的反作用力推動船體前進。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進相比，船舶噴水推進具有機動性和操縱性好、推進效率高、吃水淺、運行噪聲低、抗汽蝕能力強等螺旋槳不及的優(yōu)點[1]。正因如此，噴水推進在現(xiàn)代海軍高速攻擊艇、隱身型艦艇、高速運輸艦、護衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦等大中型艦艇、登陸艦及兩棲攻擊車輛上得到廣泛應用[2]。

推進泵是噴水推進裝置的主體，根據(jù)不同的工作原理，可分為葉片泵、容積水泵等類型。在噴水推進中，基于大推力的要求，用于噴水推進泵的泵型，主要是葉片泵，其中包括軸流泵和混流泵等。葉片泵推進器技術(shù)發(fā)展較快，已經(jīng)形成了比較成熟的理論，但其仍有結(jié)構(gòu)復雜、拆換不便、噪聲仍不能滿足未來隱身要求等不足。因此發(fā)展容積水泵推進技術(shù)勢在必行，本文提出的壓水式推進器，就是容積式噴水推進器的一種。

1 壓水式推進器的結(jié)構(gòu)特點

壓水式推進器主要由9個零件組成，如圖1所示。

壓水板兩端的橫桿8，與推桿5相連接；兩個形狀完全相同的驅(qū)動凸輪2，相位差90°地安裝在主軸3上，并通過接觸輪4與推桿5滾動接觸。當電動機軸轉(zhuǎn)動時，兩個凸輪同步旋轉(zhuǎn)，通過接觸輪4推動推桿5按照一定規(guī)律上下運動，從而使壓水板9實現(xiàn)壓水推進功能。

圖1 壓水式推進器結(jié)構(gòu)示意圖

分析壓水式推進器的工作原理，當推桿5推動橫桿8，從而帶動套環(huán)7使壓水板9往復擺動時，套環(huán)之間的距離，是不斷發(fā)生變化的，而在這個過程中，壓水板的長度不會發(fā)生變化，因此在考慮套環(huán)7和壓水板9的組合時，采用一種可相對滑動的組合方式，如圖2所示。

圖2 套環(huán)與壓水板連接圖

2 壓水式推進器的基本原理

壓水式推進器的基本原理，是通過向與船艦等航行器運動方向相反的方向噴射加速后的水流，使船體受到水流的反作用力而產(chǎn)生推力[3]。壓水器做功過程如圖3所示。

圖3 壓水推進原理圖

設發(fā)動機轉(zhuǎn)速為N（r/min），減速比為i，流體密度為ρ，主軸轉(zhuǎn)速為n，主軸轉(zhuǎn)動周期為T，圖3所示壓水過程所需時間為t，流道長、寬、高分別為a、b、h，流道橫截面積為s，流道有效做功體積為V。

根據(jù)動量定理，推力的大小等于流經(jīng)推進器流道的流體在單位時間內(nèi)的動量變化率[4]。

整理得

式中，

Ti為噴水系統(tǒng)產(chǎn)生的推力（kN）；

Q為流經(jīng)流道水流的流量（m3/s）；

Vi為噴水的平均流速（m/s）。

由式（8）可以看出，增大推進器推力有以下兩種途徑：

其一，增大流道尺寸；其二，增大發(fā)動機轉(zhuǎn)速，降低減速比。

這就對材料的強度與韌性提出了更高的要求。

3 壓水式推進器的運動分析

3.1 壓水狀態(tài)

壓水狀態(tài)如圖4所示，該狀態(tài)下，左邊凸輪進入遠端休止，同時壓水板左端與水流通道下板保持密合；右邊凸輪進入推程，實現(xiàn)壓水過程。

圖4 第一次壓水過程示意圖

3.2 吸水狀態(tài)

吸水狀態(tài)如圖5所示，該狀態(tài)下，左邊凸輪在彈簧的作用下進入回程；右邊凸輪進入遠端休止，壓水板右端與水流通道下板保持密合，實現(xiàn)吸水過程。

圖5 第一次吸水過程示意圖

3.3 壓水狀態(tài)

壓水狀態(tài)如圖6所示，該狀態(tài)下左邊凸輪進入近端休止，同時壓水板左端與水流通道上板保持密合；右邊凸輪在彈簧的作用下進入回程，再次實現(xiàn)壓水過程。

圖6 第二次壓水過程示意圖

3.4 吸水狀態(tài)

吸水狀態(tài)如圖7所示，該狀態(tài)下左邊凸輪進入推程；右邊凸輪進入近端休止，壓水板右端與水流通道上板保持密合，實現(xiàn)吸水過程。

圖7 第二次吸水過程示意圖

4 壓水式推進器的特點及應用展望

由于噴水推進技術(shù)眾多的優(yōu)點，以及最近20年來噴水推進技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟，噴水推進技術(shù)在現(xiàn)代艦艇中得到了廣泛的應用，未來應用范圍和數(shù)量將會進一步擴大。

（1）壓水式推進器的使用范圍廣泛。首先可應用于國防艦艇。將壓水式推進器的原型機成果，作為國防研究立項的預研技術(shù)，其終極成果將直接應用于潛水艇或戰(zhàn)艦的動力推進器，當需要快速潛行時，啟動原有螺旋槳動力系統(tǒng)，當需要隱形潛行或悄悄接近目標時則啟動壓水式推進器，從而達到迷惑敵方的目的。

其次，該推進器同樣適用于民用船舶，實現(xiàn)節(jié)能減排、高效低噪，替代現(xiàn)有高能耗、高噪聲的螺旋槳動力系統(tǒng)。該推進器不僅適用于大型船舶，更適用于中小型船舶，如客船、游艇等。

（2）壓水式推進器裝配方式靈活。由于本設計為獨立組裝的推進單元，可形成不同動力級別的系列產(chǎn)品，因此可以根據(jù)不同噸位和不同戰(zhàn)術(shù)功能，來進行單機配置或多機配置甚至混合配置。壓水式推進器與螺旋槳推進聯(lián)合的方式中，既有低速時用螺旋槳推進，壓水式推進只用于加速和高速以及緊急機動這樣的工作模式，也有低速時采用噴水推進，正常航行時仍采用螺旋槳推進這樣的模式[5]。

5 結(jié)束語

本文提出了一種新型壓水式推進器的設計方法，通過對壓水式推進器進行結(jié)構(gòu)和運動分析，建立了推進器模型，并進行運動仿真，驗證了該設計方案的可行性。與葉片泵推進器一樣，該壓水式推進器具有重要的研究價值，將該成果應用于軍船和民船領域，對水上動力推進系統(tǒng)的改進和提高，具有重大意義，同時也具有較高的經(jīng)濟效益。

[1]王立祥.船舶噴水推進[J].船舶,1997,(3):45-52.

[2]丁江明,王永生,劉承江,孫存樓.噴水推進在現(xiàn)代艦艇的應用分析[J].艦船科學技術(shù),2006,(6):28-31.

[3]楊友勝,張俊,黃國勤,朱玉泉.水射流技術(shù)的應用研究[J].機床與液壓,2007,(2):106-108

[4]廖奮駒,一種新型的全方位噴水推進技術(shù)-適用于軍輔船舶的主輔推進[J].機電設備,1992,（05）：17-20.