吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)——艦艇推進(jìn)新模式探討

曹國(guó)瑞

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)
——艦艇推進(jìn)新模式探討

曹國(guó)瑞

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

提出吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的功能和原理框圖及系統(tǒng)組成；對(duì)系統(tǒng)的主要部件如螺旋槳、液壓馬達(dá)、液壓泵等的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討；指出吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并與吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)相比較；對(duì)實(shí)施該系統(tǒng)應(yīng)該事先研究的問(wèn)題作了分析，并提出解決的措施。最后得出結(jié)論：吊艙式液壓推進(jìn)與吊艙式電力推進(jìn)有很多共同的優(yōu)點(diǎn)，但是，吊艙式液壓推進(jìn)更占優(yōu)勢(shì)，具有更誘人的發(fā)展和推廣的潛力。

液壓推進(jìn)；吊艙式推進(jìn)；新型艦艇推進(jìn)

1 引言

從20世紀(jì)20年代開始美國(guó)陸續(xù)建造了汽輪機(jī)電力推進(jìn)的軍艦數(shù)百艘。直到第二次世界大戰(zhàn)前后，艦用齒輪減速箱技術(shù)逐漸成熟并開始能夠滿足軍艦建造的需要，所以其后的軍艦大多采用經(jīng)齒輪箱和軸系到螺旋槳的傳動(dòng)形式［1-2］。與當(dāng)時(shí)笨重的電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，采用這種傳動(dòng)形式的推進(jìn)系統(tǒng)由于重量輕、體積小，至今仍是水面艦艇的一種常規(guī)傳動(dòng)形式。

近20～30年來(lái)，國(guó)外民用船舶采用電力推進(jìn)的比例已達(dá)30%，艦艇的電力推進(jìn)也重新被提上了日程?，F(xiàn)代的電力推進(jìn)與上個(gè)世紀(jì)盛行的電力推進(jìn)有質(zhì)的不同，被稱為綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。英、美、法、德、日等國(guó)家都已投入了大量人力物力進(jìn)行電力推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)與研究。

電力推進(jìn)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)不再像原來(lái)那樣體積龐大而笨重了。但是，由于提高推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率重量比仍是有待解決的難題，并且還存在推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的隱蔽性等問(wèn)題，所以吊艙式電力推進(jìn)目前還只用于軍輔船。國(guó)外最新的電力推進(jìn)驅(qū)逐艦，仍然將推進(jìn)電機(jī)布置在船體內(nèi)部，再通過(guò)軸系傳動(dòng)到螺旋槳。

為了規(guī)避常規(guī)軸系傳動(dòng)的缺點(diǎn)，本文提出無(wú)軸系液壓傳動(dòng)的推進(jìn)模式——吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)，并就相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。為簡(jiǎn)化研究，以柴油機(jī)推進(jìn)的護(hù)衛(wèi)艦作為研究范例，但是其結(jié)論可以推廣到更大的范圍。

2 系統(tǒng)組成

通常護(hù)衛(wèi)艦等水面艦艇都采用雙機(jī)雙槳，根據(jù)文獻(xiàn)［3］擬定本系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示（圖中只顯示單機(jī)單槳）。其中，柴油機(jī)發(fā)出的功率Mene直接驅(qū)動(dòng)雙向變量泵。泵的輸出功率ΔpQ驅(qū)動(dòng)雙向液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)的輸出功率Mmnm直接帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，螺旋槳發(fā)出有效推力T。雙機(jī)雙槳聯(lián)合作用克服船體阻力R，使船以航速Vs航行。

圖中，Me為柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；ne為柴油機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速；Δp為雙向變量泵進(jìn)出口壓力差；Q為泵的流量；Mm為液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩；nm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速；T為螺旋槳有效推力；R為船體阻力；Vs為艦艇航速。

根據(jù)圖1擬定本液壓推進(jìn)系統(tǒng)主回路原理［4］如圖2所示（只表示單機(jī)單槳）。

圖中，DE為主機(jī)，本例為柴油機(jī)；MP為主泵，雙向變量軸向柱塞泵；AP為輔泵，作為系統(tǒng)補(bǔ)油泵；OV1、OV2、OV3 為溢流閥；HM 為雙向定量液壓馬達(dá)；PP為固定螺距螺旋槳；FL為濾油器；CV為單向閥。

通過(guò)雙向變量泵的變量機(jī)構(gòu)可以控制泵的液壓油的排量和方向，從而控制液壓馬達(dá)，亦即螺旋槳的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。主機(jī)保持恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，只需調(diào)節(jié)主機(jī)的循環(huán)供油量即可調(diào)節(jié)主機(jī)的輸出功率，使之與負(fù)載功率相匹配。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 螺旋槳設(shè)計(jì)

在艦艇設(shè)計(jì)初期，通常通過(guò)計(jì)算或船模試驗(yàn)就可以獲得艦艇航行時(shí)受到的阻力R隨艦艇航速 Vs變化的曲線R＝f（Vs），進(jìn)而可以得到有效功率 PEF隨艦艇航速 Vs的變化曲線［5］：

式中，PEF為艦艇有效功率，kW；R為艦艇航行時(shí)受到的阻力，N；Vs為艦艇航速，m／s。

艦艇有效功率PEF是艦艇需求的功率。另一方面，根據(jù)艦艇主機(jī)的機(jī)型和規(guī)格，可以寫出螺旋槳的收到功率PD與主機(jī)輸出功率PDE的關(guān)系式：

式中，PD為螺旋槳收到功率，kW；PDE為主機(jī)（柴油機(jī)）的輸出功率，kW；ηp為雙向變量泵的總效率；ηm為雙向定量液壓馬達(dá)的總效率；ηsh為螺旋槳傳動(dòng)軸的軸承效率。

以液壓泵和液壓馬達(dá)的效率ηp、ηm代替常規(guī)傳動(dòng)的齒輪箱效率和軸系效率。在液壓泵和液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)完成之前，還不能確定ηp、ηm的數(shù)值?？梢詤⒖棘F(xiàn)有的同類液壓泵和液壓馬達(dá)的效率取值，待液壓泵和液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)或制造完成后，再對(duì)兩者的效率進(jìn)行分析計(jì)算或?qū)崪y(cè)，以確定較精確的效率值。ηsh根據(jù)液壓馬達(dá)與螺旋槳之間的具體傳動(dòng)方案確定。

把艦艇有效功率PEF與主機(jī)輸出功率PDE聯(lián)系起來(lái)，由于護(hù)衛(wèi)艦通常采用雙機(jī)雙槳，因此：

式中，η為推進(jìn)系統(tǒng)的總效率；

式中，ηpp為螺旋槳敞水效率；ηr為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率；ηh為船身效率；

式中，t為推力減額分?jǐn)?shù)；w為伴流分?jǐn)?shù)。

有了必要的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)，即確定螺旋槳的幾何要素和轉(zhuǎn)速，以及設(shè)計(jì)艦艇能達(dá)到的航速。與常規(guī)軸系推進(jìn)不同的是，在確定螺旋槳直徑和轉(zhuǎn)速時(shí)不受軸系布置和主機(jī)轉(zhuǎn)速 （包括齒輪箱減速比）的制約，可以更多地從提高螺旋槳效率的觀點(diǎn)加以考慮。

確定了螺旋槳的要素以后，就可以得到螺旋槳特性曲線，于是可求出螺旋槳轉(zhuǎn)矩和推力：

式中，Mpp為螺旋槳轉(zhuǎn)矩，N·m；KM為螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ρ為海水密度，kg／m3；npp為螺旋槳轉(zhuǎn)速，s-1；Dpp為螺旋槳直徑，m；Tp為螺旋槳推力，N；KT為螺旋槳推力系數(shù)。

式（6）和（7）中的 KM、KT都是進(jìn)速系數(shù) J的函數(shù)，表達(dá)如下：

式中，J為螺旋槳進(jìn)速系數(shù)，V為螺旋槳進(jìn)速，m／s。

KM、KT和ηpp可以通過(guò)計(jì)算或螺旋槳模型試驗(yàn)求得。當(dāng)艦艇機(jī)動(dòng)航行或改變航行工況時(shí)要用到螺旋槳特性曲線。

3.2 液壓馬達(dá)性能參數(shù)計(jì)算

3.2.1 液壓馬達(dá)負(fù)載力矩計(jì)算

上面已經(jīng)求得的螺旋槳轉(zhuǎn)矩Mpp是液壓馬達(dá)要克服的阻力矩的一部分。另外，液壓馬達(dá)還要克服其本身、傳動(dòng)軸和螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性力矩、阻尼力矩和扭簧力矩，這些力矩都是時(shí)間的函數(shù)［6］。液壓馬達(dá)的總負(fù)載力矩ML的普遍表達(dá)式如下：

式中，ML為總負(fù)載力矩，N·m；Jt為總質(zhì)量慣性矩，N·m·s2／rad；Bm為總粘性阻尼系數(shù)，N·m·s／rad；Gm為傳動(dòng)軸的扭簧系數(shù)，N·m／rad；θm為液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)角，rad；θpp為螺旋槳轉(zhuǎn)角，rad。

式中，Jm為液壓馬達(dá)質(zhì)量慣性矩，N·m·s2／rad；Jsh為傳動(dòng)軸質(zhì)量慣性矩，N·m·s2／rad；Jpp為螺旋槳總質(zhì)量慣性矩，N·m·s2／rad。

式中，Jpp0為螺旋槳質(zhì)量慣性矩，N·m·s2／rad；Jppw為螺旋槳附連水質(zhì)量慣性矩，N·m·s2／rad。

這里Mpp表達(dá)式在形式上與式（6）略有差別：

吊艙內(nèi)部布置緊湊，液壓馬達(dá)的力矩輸出端與螺旋槳盤面相距約1～2 m，而傳動(dòng)軸允許的扭轉(zhuǎn)變形為 0.15 ～0.3°／m， 相應(yīng)的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)角 θm與螺旋槳的轉(zhuǎn)角θp的相位差的最大值約為0.5°。這與通常規(guī)范中規(guī)定的設(shè)備安裝和調(diào)試允許誤差相當(dāng)，故可略去，即認(rèn)為θm-θp=0。如果采用下文提到的殼轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)，因力矩不經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸傳遞，所以Gm=0。

于是，總負(fù)載力矩表達(dá)式（13）可簡(jiǎn)化為：

3.2.2 液壓馬達(dá)排量計(jì)算

液壓馬達(dá)的輸出力矩Mm可寫作：

式中，Δp為液壓馬達(dá)進(jìn)出油壓力差，N／m2；qm為液壓馬達(dá)的排量，m3／rad。

令（17）式與（18）式相等，于是有：

上式中液壓馬達(dá)排量qm是常數(shù)，所以液壓馬達(dá)的壓力差Δp與負(fù)載力矩ML成正比。由于液壓馬達(dá)的出油壓力較低且為常數(shù)，于是可認(rèn)為液壓馬達(dá)的進(jìn)油壓力p1與負(fù)載力矩ML成正比，而且不大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的許用壓力ps。取液壓馬達(dá)的最大負(fù)載力矩MLmax以及ps代入式（20），得：

或：

求得液壓馬達(dá)的最大負(fù)載力矩MLmax，即可求得液壓馬達(dá)的排量qm。

假設(shè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速θ¨m遵循下列規(guī)律：

將式（23）代入式（17）中，得到：

式中，φ=tan-1（Jtω/B）。

此時(shí)，式（19）可改寫為：

當(dāng)Mpp為常數(shù)時(shí)，有：

當(dāng)B值很小時(shí)，有：

當(dāng) Mpp＝ f（t） 時(shí)，可先對(duì)式（24）求極值，再求出MLmax，這里不贅述。有了MLmax，就可以通過(guò)式（22）計(jì)算出液壓馬達(dá)的排量qm。

3.2.3液壓馬達(dá)最大流量計(jì)算

液壓馬達(dá)高壓腔的流量方程為：

式中，Qm為液壓馬達(dá)的流量，m3／s；Cim為液壓馬達(dá)內(nèi)漏系數(shù)，m5／（N·s）；Cem為液壓馬達(dá)外漏系數(shù)，m5／（N·s）；P1為液壓馬達(dá)的進(jìn)油壓力，N／m2；P2為液壓馬達(dá)的出油壓力，N／m2；Vol為油泵、液壓馬達(dá)和管路高壓邊容積的總合，m3；βe為液壓油的體積彈性模量，N／m2。

對(duì)于泵控系統(tǒng)，P2很低且為常數(shù)，故可略去。于是式（28）可寫成：

式中，Ctm為液壓馬達(dá)的總泄漏系數(shù)，m5／（N·s）。

進(jìn)而可得到液壓馬達(dá)最大流量Qmmax的表達(dá)式：

此時(shí)，式（25）可改寫為：

略去（31）式中的P2，并對(duì)其求導(dǎo)數(shù)，可得：

當(dāng)Mpp為常數(shù)時(shí)：

當(dāng) Mpp＝ f（t）時(shí)，通過(guò)式（16）計(jì)算其導(dǎo)數(shù)M˙pp，進(jìn)而求得p˙1max。 將式（33）代入式（30），可得：

式（34）等號(hào)右邊各系數(shù)和參數(shù)都是已知的或已經(jīng)計(jì)算得到，就可以求得Qmmax。也可近似取

式中，ηmv為液壓馬達(dá)的容積效率。

這里得出的流量Qmmax與螺旋槳設(shè)計(jì)工況相對(duì)應(yīng)。就整個(gè)系統(tǒng)而言，還有對(duì)應(yīng)最大航速以及其他工況的流量，全面權(quán)衡并最終確定液壓馬達(dá)的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)。

3.3 雙向變量泵性能參數(shù)計(jì)算

變量泵的流量方程式如下：

式中，Qp為變量泵流量，m3／s；qp為變量泵排量，m3／rad；θ˙p為變量泵轉(zhuǎn)速，rad／s；Cip為變量泵內(nèi)漏系數(shù)，m5／（N·s）；Cep為變量泵外漏系數(shù)，m5／（N·s）； P1為變量泵出油壓力，N／m2；P2為變量泵進(jìn)油壓力，N ／m2。

略去 P2，可得：

式中，Ctp為泵的總泄漏系數(shù)，m5／（N·s）。

因此：

式中，Qm為液壓馬達(dá)的流量，m3／s；qpmax為油泵的最大排量，m3／rad；ηpv為泵的容積效率。

變量泵的最大流量為：

由于液壓泵是由主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，所以泵的轉(zhuǎn)速與主機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，即：

式中，n 為主機(jī)的轉(zhuǎn)速，r／min。

將式（41）代入式（40），可得 qpmax值。

進(jìn)一步可得變量泵的排量梯度：

式中，γmax為變量泵斜盤的最大傾角，rad。

應(yīng)該注意的是，這里的Qm應(yīng)與Qp的工況相對(duì)應(yīng)。應(yīng)先確定螺旋槳設(shè)計(jì)工況的Qp，再對(duì)其他工況的Qp進(jìn)行核算，并最終確定泵的技術(shù)參數(shù)。

3.4 主機(jī)（柴油機(jī)）與液壓泵的匹配

柴油機(jī)的輸出功率PDE可用下式表示，單位為 kW［7］：

式中，Pe為氣缸內(nèi)平均有效壓力，Pa；n為主機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速，r／min；BD為對(duì)于型式確定的柴油機(jī)為常數(shù)。

如果保持柴油機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速不變，則柴油機(jī)的輸出功率PDE與氣缸平均有效壓力Pe（負(fù)荷）成正比，這就是柴油機(jī)的負(fù)荷特性。而氣缸平均有效壓力Pe與每循環(huán)的供油量成正比。當(dāng)需要改變柴油機(jī)的負(fù)荷時(shí)，只需改變供油量，就可以改變有效壓力Pe，從而改變柴油機(jī)的輸出功率PDE。柴油機(jī)帶動(dòng)液壓泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就是按柴油機(jī)負(fù)荷特性工作的，只要柴油機(jī)的輸出功率PDE大于上面求出的變量泵所需功率即可。

船用柴油機(jī)多為中、高速柴油機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為250～2 500 rpm。設(shè)計(jì)專用的雙向變量軸向柱塞泵，使之與柴油機(jī)相匹配。

3.5 系統(tǒng)的綜合調(diào)整與系統(tǒng)仿真

上述的設(shè)計(jì)與計(jì)算內(nèi)容僅針對(duì)設(shè)計(jì)工況，可以求得構(gòu)成系統(tǒng)各主要部件的初步技術(shù)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)再進(jìn)行核算，必要時(shí)對(duì)參數(shù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并作為下一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。

對(duì)于水面艦艇的推進(jìn)系統(tǒng)，除了設(shè)計(jì)工況外，還有最大航速、巡航航速、經(jīng)濟(jì)航速、倒航等多種工況。要逐一進(jìn)行計(jì)算，以確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

這樣確定的系統(tǒng)參數(shù)還只是靜態(tài)的，還應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能作出評(píng)價(jià)。即對(duì)系統(tǒng)的各種工況，以及各種變工況過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行仿真研究。當(dāng)前計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)仿真方法廣泛用于解決這類問(wèn)題。對(duì)主機(jī)、變量泵和液壓馬達(dá)的控制方式和控制特性的研究也是系統(tǒng)仿真的任務(wù)。

4 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

4.1 功率重量比更高

現(xiàn)在還不能得出吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確重量，只能將其與電力推進(jìn)系統(tǒng)的重量進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］，液壓馬達(dá)的重量是同功率電動(dòng)機(jī)重量的10%～20%。以英國(guó)45型驅(qū)逐艦的20 MW推進(jìn)電機(jī)為例，其重量為 70 t［9］，按 15%折算成對(duì)應(yīng)的液壓馬達(dá)重量約為10 t。

將液壓馬達(dá)與電動(dòng)機(jī)的重量比推廣到液壓泵與發(fā)電機(jī)，認(rèn)為其重量比也是10%～20%，并據(jù)此推算液壓推進(jìn)系統(tǒng)重量Wh。假定某吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)總重量為We，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的重量各占總重 We的 1／5，即重量為 We／5。 其余項(xiàng)目（柴油機(jī)、監(jiān)控設(shè)備、電纜等）占系統(tǒng)總重We的3／5，即重量為 3We／5。

把上述電力推進(jìn)系統(tǒng)重量分配方案中的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的重量按15%的重量比值折算成液壓泵和液壓馬達(dá)的重量。并認(rèn)為吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)其余項(xiàng)目的重量與吊艙式電力推進(jìn)的相同 （實(shí)際上，電力推進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備及電纜比液壓系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備和管路重很多，所得結(jié)論偏于保守）。于是，可得出吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的總重量Wh=0.66We。即液壓推進(jìn)系統(tǒng)比電力推進(jìn)系統(tǒng)的重量輕約1／3，相當(dāng)于艦艇正常排水量的2%～3%。所以，液壓推進(jìn)系統(tǒng)的功率重量比比電力推進(jìn)系統(tǒng)更高，更具有優(yōu)勢(shì)。

4.2 液壓馬達(dá)體積小，適合布置在吊艙內(nèi)

根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］，液壓馬達(dá)的體積只有同等功率電動(dòng)機(jī)的約 12%，取為 0.125，而 0.125=0.53，即液壓馬達(dá)的三維尺度都只有電動(dòng)機(jī)的50%。以英國(guó)45型驅(qū)逐艦推進(jìn)電機(jī)為例，其直徑與長(zhǎng)度為2.8 × 3.0 m， 換算成液壓馬達(dá)的尺度為直徑 1.4 m，長(zhǎng)度 1.5 m。

在電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)尺度的基礎(chǔ)上，直徑增加 0.4 m，長(zhǎng)度增加 1.2 m，作為相應(yīng)的吊艙外形尺度，并按橢球體估算其體積，結(jié)果如表1所示。

表1 吊艙尺度、尺度比和體積Tab.1 Size，size ratios and volume of different propeller pods

由表1可見(jiàn)，液壓馬達(dá)的吊艙體積只有電動(dòng)機(jī)吊艙的約1／5。2臺(tái)20 MW液壓馬達(dá)估計(jì)可以用在排水量為3 000 t及以上的護(hù)衛(wèi)艦或驅(qū)逐艦上。而電動(dòng)機(jī)的吊艙體積龐大，即使英國(guó)7 500 t的45型驅(qū)逐艦也難以接受如此龐大的吊艙。要想把推進(jìn)電動(dòng)機(jī)置于吊艙內(nèi)，還要進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)的功率密度。

4.3 取消常規(guī)軸系，打破傳統(tǒng)的艦艇設(shè)計(jì)規(guī)則和建造工藝的制約

取消常規(guī)軸系后，其優(yōu)越性主要表現(xiàn)在：主機(jī)可以不受軸系斜度的制約，靈活地布置在機(jī)艙內(nèi)，提高機(jī)艙利用率，改善主機(jī)的工作環(huán)境；機(jī)械傳動(dòng)部件大幅度減少，而且便于對(duì)主機(jī)采用減振措施，因而機(jī)艙的機(jī)械振動(dòng)和噪聲水平降低；合理地布置主機(jī)的操作和維修空間；容易與上層建筑布置協(xié)調(diào)安排進(jìn)排氣通道，有利于艦總體布置的優(yōu)化。

常規(guī)軸系設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，需要反復(fù)的協(xié)調(diào)，詳細(xì)的計(jì)算，和精心的設(shè)計(jì)。采用吊艙以后，原來(lái)占船長(zhǎng)大約35%的軸系簡(jiǎn)化為一根約2 m長(zhǎng)的傳動(dòng)軸。它的布置只涉及到吊艙，與主船體結(jié)構(gòu)沒(méi)有直接的聯(lián)系，不受船體變形的影響。所以節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)工作和復(fù)雜的設(shè)計(jì)、計(jì)算工作。

取消常規(guī)軸系也可以使船廠省去大量的機(jī)械加工和裝配工作，不必趕在船下水之前安裝軸系和螺旋槳。因此可以進(jìn)一步縮短在船廠的船臺(tái)的工作周期，甚至造船周期。吊艙上的軸孔加工和槳、軸及液壓馬達(dá)的安裝都可以放在傾斜試驗(yàn)以前在船塢內(nèi)進(jìn)行。甚至可將吊艙、螺旋槳、液壓馬達(dá)由專業(yè)設(shè)備制造廠制成模塊，再運(yùn)到船廠與吊艙臂對(duì)接。既能節(jié)省工時(shí)，又能提高質(zhì)量。

4.4 減少船體水下附體，艉部流場(chǎng)更均勻

由于取消常規(guī)軸系和相關(guān)附體，既降低了附體阻力，又使艉部流場(chǎng)更均勻順暢。既有利于提高螺旋槳空泡起始航速和推進(jìn)效率，也有利于降低水動(dòng)力噪聲和螺旋槳誘導(dǎo)的激振力。

吊艙和吊艙臂也會(huì)對(duì)螺旋槳前或后的流場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生影響。通常，吊艙體積Vpd越小，長(zhǎng)寬比Lpd／Dpd越大，吊艙直徑與螺旋槳直徑之比Dpd／Dpp越小，影響就越小。由于液壓馬達(dá)的吊艙尺度明顯小于電動(dòng)機(jī)吊艙，其對(duì)螺旋槳前或后的流場(chǎng)的影響也明顯減小。

4.5 系統(tǒng)控制響應(yīng)快，艦艇機(jī)動(dòng)性好

當(dāng)艦艇機(jī)動(dòng)航行、緊急規(guī)避以及主機(jī)各種變工況運(yùn)行時(shí)，由于常規(guī)軸系推進(jìn)系統(tǒng)（包括主機(jī)曲軸、齒輪箱、軸系、螺旋槳）的旋轉(zhuǎn)慣性大，對(duì)控制的響應(yīng)有很大的滯后，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。

采用液壓推進(jìn)系統(tǒng)，在艦艇機(jī)動(dòng)時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向不變，只需控制變量泵的變量機(jī)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。對(duì)控制的響應(yīng)速度僅與螺旋槳、傳動(dòng)軸和液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)慣性有關(guān)。由于推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑比液壓馬達(dá)的軸直徑大得多，所以旋轉(zhuǎn)慣性也大。因此，液壓馬達(dá)比電動(dòng)機(jī)更容易實(shí)現(xiàn)各種變工況運(yùn)行。

液壓系統(tǒng)也比電力系統(tǒng)更容易做成槳、舵合一的形式，實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)，提高艦艇對(duì)航向控制的響應(yīng)速度，提高艦艇的機(jī)動(dòng)性。

4.6 系統(tǒng)可靠性高，維修工作量小

常規(guī)軸系推進(jìn)系統(tǒng)包括齒輪箱及其潤(rùn)滑系統(tǒng)、軸系及螺旋槳螺距控制系統(tǒng)，因此系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性低，維修工作量大。吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)由于主機(jī)不需調(diào)速，所以結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高，維修工作量也會(huì)相應(yīng)減小。

螺旋槳軸與吊艙出口處的軸承之間雖然采用密封裝置，但吊艙內(nèi)仍然很潮濕，甚至有積水。液壓馬達(dá)可以適應(yīng)這樣的環(huán)境，甚至可以在浸水狀態(tài)下正常工作，不存在冷卻散熱的問(wèn)題。

液壓馬達(dá)沒(méi)有外露的活動(dòng)的機(jī)械零件需要進(jìn)行日常維護(hù)。在碼頭可以進(jìn)行液壓油的凈化、更新以及某些零部件的維修或更換。任何液壓系統(tǒng)的馬達(dá)故障，都不能在任務(wù)過(guò)程中維修。液壓馬達(dá)的計(jì)劃維修、事后維修或更新?lián)Q代只能在船塢內(nèi)進(jìn)行。螺旋槳螺距液壓控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)水面艦艇上已成功應(yīng)用20多年，為吊艙式液壓推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和維修性提供了佐證和參考［9］。

對(duì)于電動(dòng)機(jī)吊艙而言，由于密封存在問(wèn)題，吊艙內(nèi)的環(huán)境不能保證電動(dòng)機(jī)的電絕緣要求，冷卻散熱問(wèn)題也不易解決。事故多由于電動(dòng)機(jī)散熱不充分和推力軸承損壞引起。而電動(dòng)機(jī)本身的可靠性還存在問(wèn)題，如永磁電動(dòng)機(jī)的失磁現(xiàn)象［10］等。

4.7 系統(tǒng)的隱蔽性好

由于液壓馬達(dá)內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)副都良好潤(rùn)滑，而且零件的尺寸和形狀經(jīng)過(guò)精密的加工，所以運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小、噪聲低。由于液壓馬達(dá)的質(zhì)量?jī)H為電動(dòng)機(jī)的15%，對(duì)艦艇磁場(chǎng)的影響也比電動(dòng)機(jī)小。

相對(duì)而言，置于吊艙內(nèi)的電動(dòng)機(jī)的噪聲更大，電磁輻射更強(qiáng)，因此可能導(dǎo)致艦艇隱蔽性下降。

4.8 系統(tǒng)的生命力強(qiáng)

液壓推進(jìn)系統(tǒng)的生命力可以作為艦總體設(shè)計(jì)的課題開展研究，從艦總體設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)兩方面采取措施，可以使它的生命力超過(guò)常規(guī)軸系推進(jìn)系統(tǒng)。譬如，采用左右舷跨接管路，實(shí)現(xiàn)液壓泵向液壓馬達(dá)交叉供油，以提高部分工況時(shí)的生命力；采用電動(dòng)應(yīng)急泵為液壓馬達(dá)供油，以維持艦艇的最低航行能力等。

5 問(wèn)題與對(duì)策

5.1 液壓泵和液壓馬達(dá)的研究和試制

艦艇推進(jìn)系統(tǒng)所需的大功率液壓泵和液壓馬達(dá)必需針對(duì)具體的艦艇進(jìn)行研制，就像常規(guī)傳動(dòng)的齒輪箱和軸系一樣。液壓泵和液壓馬達(dá)的大功率化不存在特殊的新技術(shù)。隨著船用大功率液壓設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。只要把問(wèn)題提到日程上來(lái)，就不難解決。

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研制雖然也取得了不小的進(jìn)步，但要進(jìn)一步提高電機(jī)的性能，還需要解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，如提高功率密度、提高永磁材料的利用率、消除失磁現(xiàn)象、常溫超導(dǎo)技術(shù)的使用等。

5.2 液壓推進(jìn)系統(tǒng)的效率問(wèn)題

由于液壓傳動(dòng)存在能量的二次轉(zhuǎn)換，效率比機(jī)械傳動(dòng)低。目前，液壓馬達(dá)的效率可以達(dá)到98%，液壓泵可達(dá)到95%。現(xiàn)都以96%計(jì)算，其傳動(dòng)效率可達(dá)92%。這個(gè)數(shù)據(jù)與電力推進(jìn)的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)效率相當(dāng)。45型驅(qū)逐艦的推進(jìn)電機(jī)效率為97%，假設(shè)發(fā)電機(jī)效率也是97%，再考慮98%的軸系效率，則總效率為92%。對(duì)于常規(guī)軸系，如齒輪箱和軸系的效率都取為98%，則傳動(dòng)效率為96%。

大功率的液壓泵和液壓馬達(dá)還有提高效率的余地：采用殼轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)取消吊艙，同時(shí)取消常規(guī)舵，實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)，使附體更小更少，流場(chǎng)更均勻；推力軸承采用靜壓支承方式置于液壓馬達(dá)內(nèi)部，減少軸承的摩擦損失，傳動(dòng)效率更高；殼轉(zhuǎn)式液壓馬達(dá)還便于采用串列對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，如果在艦艇上可行，其效率比單槳高得多。這些措施，可能使吊艙式液壓推進(jìn)的效率達(dá)到常規(guī)軸系推進(jìn)的效率，超過(guò)現(xiàn)行的電力推進(jìn)的效率。

5.3 吊艙臂結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)

吊艙臂是吊艙式推進(jìn)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，是新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。它的外形可能類似于常規(guī)軸系傳動(dòng)的艉軸架，但受力狀態(tài)完全不同。艉軸架只是軸系的一個(gè)支點(diǎn)，通常不承受螺旋槳的推力。但吊艙臂不僅要承受螺旋槳、槳軸、液壓馬達(dá)和吊艙結(jié)構(gòu)的重量，還要承受螺旋槳的推力，水流的阻力等，并要把這些力傳遞到船舶的主要構(gòu)件上。因此，要求吊艙臂有良好的流線形，以期減小阻力。綜合這些因素，還需要開展吊艙臂的研究與設(shè)計(jì)。

5.4 吊艙式液壓推進(jìn)船型研究

提出適應(yīng)吊艙式液壓推進(jìn)的艦艇船型，對(duì)船型的阻力、快速性、操縱性、適航性等進(jìn)行研究。為便于對(duì)比，上述研究中可以同時(shí)考慮有常規(guī)舵及無(wú)常規(guī)舵的方案。具體實(shí)施可分成2步：先設(shè)計(jì)有常規(guī)舵的吊艙式液壓推進(jìn)艦艇，成功后再取消常規(guī)舵，實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)。

6 結(jié)論

吊艙式液壓推進(jìn)是全新的艦艇推進(jìn)概念，由于取消了常規(guī)軸系，將給艦艇設(shè)計(jì)和建造都帶來(lái)效益，也可以改善艦艇的一些運(yùn)用性能。與吊艙式電力推進(jìn)相比，吊艙式液壓推進(jìn)更具優(yōu)勢(shì)，具有更誘人的發(fā)展空間和推廣的潛力。吊艙式液壓推進(jìn)是應(yīng)該受到關(guān)注，并值得深入開展研究的課題，對(duì)我國(guó)水面艦艇的發(fā)展和提高有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

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Hydraulic Propulsion System with Podded Propeller：A New Propulsion Concept of Naval Vessels

Cao Guo－rui

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

This paper presented a new concept and functional block diagram of the hydraulic propulsion system with podded propulsor （HPSPP）， and described how to design the main parts of HPSPP， such as propeller，hydraulic motor，hydraulic pump and so on.Some important problems which would meet in practice were analyzed， and the suggested solutions were also provided.The HPSPP was compared with the electric propulsion system with podded propulsor （EPSPP）.The conclusions are as follows： though the HPSPP and EPSPP have many common advantages， the HPSPP is superior to the EPSPP， and has more attractive potential for further development and application.

hydraulic propulsion； podded propulsor；new naval vessel propulsion

U664.1

A

1673-3185（2012）02-65-07

10.3969/j.issn.1673-3185.2012.02.012

2011-06-03

曹國(guó)瑞（1935-），男，研究員。研究方向：艦船研究設(shè)計(jì)。E-mail：caogr2009＠163.com

曹國(guó)瑞。

［責(zé)任編輯：喻 菁］