無噪聲螺旋面槳及其動(dòng)力系統(tǒng)的理論分析

王樹春，王添路

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

無噪聲螺旋面槳及其動(dòng)力系統(tǒng)的理論分析

王樹春，王添路

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001

用燃?xì)廨啓C(jī)、新型脈動(dòng)無級(jí)變速器與外徑、長度均大的螺旋面槳組成動(dòng)力系統(tǒng)后，由于槳的單位負(fù)載大大下降，因此當(dāng)槳的轉(zhuǎn)速降到某臨界值以下（即無噪聲）時(shí)，可提高隱身性能。槳的轉(zhuǎn)速與其所耗功率呈線性關(guān)系，為平衡大轉(zhuǎn)矩，采用一對(duì)機(jī)組對(duì)稱布置，并使兩槳的旋向及轉(zhuǎn)向相反。結(jié)果表明：用變速桿與換向手柄配合可使船的加速、剎車、倒行及零半徑轉(zhuǎn)彎均快，能提高船的駕駛和行駛性能，并能自己進(jìn)出泊位；可恒動(dòng)率無級(jí)變速，使槳—機(jī)配合達(dá)到理想狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)無剩余功率；航程及平均航速均能達(dá)到最大；油耗達(dá)到最低，有利于環(huán)保。

螺旋面槳；剩余功率；脈動(dòng)無級(jí)變速器；恒功率無級(jí)變速；槳—機(jī)配合

0 引 言

螺旋槳是一組作前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又回轉(zhuǎn)其截面，并具有一定迎角的機(jī)翼，當(dāng)其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由機(jī)翼產(chǎn)生的升力與迎角撥水產(chǎn)生的推力共同推進(jìn)。隨著航速及噸位的增大，螺旋槳的負(fù)荷也隨之增大。當(dāng)其在非均勻的伴流場(chǎng)中高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)翼上表面水的流速要比下表面的高得多，而壓力卻低得多，易造成冷沸，從而產(chǎn)生空泡。由于空泡的體積隨時(shí)間變化，因而會(huì)使作用到船體上的脈動(dòng)激振力成倍數(shù)增加而形成噪聲［1］，這樣不但會(huì)降低槳的推力（效率）并使槳產(chǎn)生剝蝕及裂紋，而且還會(huì)損害人體健康。螺旋槳的轉(zhuǎn)速與航速呈線性關(guān)系，功率與轉(zhuǎn)速呈立方關(guān)系，這對(duì)增大航速不利。而降低槳的轉(zhuǎn)速，其負(fù)荷又會(huì)變小，雖然能消除噪聲，但因機(jī)翼及迎角產(chǎn)生的力均太小，因而只能低速航行。

海豚在水中擺動(dòng)大尾鰭時(shí)的頻率低于20 Hz，其不僅不產(chǎn)生空泡，而且還沒有噪聲，但其游水的速度與其身長之比目前艦船還辦不到，可謂節(jié)能、高效。劃槳采用的也是此仿生原理，在劃槳運(yùn)動(dòng)中，可以發(fā)現(xiàn)劃槳的速度與人體力的消耗呈線性關(guān)系，而增加槳的數(shù)量則可增大航速。螺旋面槳就相當(dāng)于是由足夠多的劃槳所組成，槳的外形類似于螺旋送料器中的多頭螺桿，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋面就像劃槳一樣推水來使船前進(jìn)或后退。槳耗功率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，其特性曲線為過坐標(biāo)原點(diǎn)的斜線，如圖1中的a，b，c線。實(shí)際上，早在19世紀(jì)，英國農(nóng)夫史密斯（Pettit Smith）就已做出了一個(gè)回轉(zhuǎn)兩周的螺旋面槳（圖2），資料中記載：“……試車時(shí)該槳的螺旋面部分破壞，由此意外而使得試車速度增大”，但后來不知何故沒有采用［2］。當(dāng)螺旋面升角為45°時(shí)，無論其轉(zhuǎn)速如何，在前進(jìn)方向上的合推力都可達(dá)到最大。由于螺旋面槳的面積大、負(fù)荷低，只要轉(zhuǎn)速降低到不會(huì)產(chǎn)生空泡，即可消除空泡噪聲，而其攪動(dòng)的水波屬次聲波，此時(shí)槳的效率便可達(dá)到最高。因此，必須用新型脈動(dòng)無級(jí)變速器［3］將槳轉(zhuǎn)速降低至無噪聲臨界轉(zhuǎn)速以下。要增大槳尖的線速度，就必須增大槳徑，且槳尖需與海面保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不過螺旋面長度的增大不受空間限制。為減輕槳在水中的重量，可將其做成薄的中空結(jié)構(gòu)并注滿聚氨酯泡沫，這樣不但能增大剛性，而且也可防止向空腔中滲水。槳的重力即等于浮力，其不影響船體的前、后平衡及載重量，但一旦槳被冰塊卡住，安全離合器便會(huì)打滑。

由于螺旋面槳的轉(zhuǎn)速低，其對(duì)尾部流體加速、壓力分布、附面層厚度與附面層內(nèi)流速分布所造成的外加船體阻力以及推力減額遠(yuǎn)比螺旋槳?。磩?dòng)能損失小），其尾波擾動(dòng)也比螺旋槳小，使得槳—舵易配合，即使在空中也難以發(fā)現(xiàn)水中的潛艇［4］。

圖1 螺旋面槳與燃?xì)廨啓C(jī)工作特性曲線Fig.1 The operational characteristic chart of helicoids blade and gas turbine

圖2 19世記英國農(nóng)夫史密斯設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)兩周的槳Fig.2 The blade designed by Smith in 19thcentury

1 螺旋面槳與燃?xì)廨啓C(jī)配合的特性曲線

如圖1所示，L線為燃?xì)廨啓C(jī)在額定供油量μ0時(shí)的轉(zhuǎn)速n機(jī)與功率 N曲線［5］。當(dāng)船在正常阻力R條件下航行時(shí)，螺旋面槳的特性曲線為a線，它與 L線相交于額定工作點(diǎn) A，槳的轉(zhuǎn)速n槳=n槳額，n機(jī)=n機(jī)額，N=N額。當(dāng)船逆風(fēng)航行時(shí)，R增大，槳的特性曲線為b線，其與L線相交于B點(diǎn)，n槳B＜n槳額，N＜N額，發(fā)動(dòng)機(jī)屬輕載，而當(dāng)把槳轉(zhuǎn)速從n槳B增加至n槳額時(shí)，N增大至 N額，工作點(diǎn)從B點(diǎn)升至A點(diǎn)。當(dāng)航行阻力R變小時(shí)，槳的特性曲線為c線，它和 L線相交于C點(diǎn)，但由于 μ0是定值，N額不變，因而工作點(diǎn)便保持在A點(diǎn)上。

螺旋面槳的外徑是按船的吃水深度來劃分的，其由幾個(gè)長度不同的螺旋面槳串在軸上組成，不同的組合可以滿足和發(fā)動(dòng)機(jī)N額的不同匹配。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用到達(dá)一定年限后，額定功率會(huì)下降［6］，需重新確定其 μ0和 N額，這時(shí)，可在槳上適當(dāng)拆下一小段，使發(fā)動(dòng)機(jī)和槳在新的工作點(diǎn)上工作，照樣能達(dá)到槳—機(jī)的完美配合。

2 新型脈動(dòng)無級(jí)變速器的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

如圖3所示，將變偏心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的B轉(zhuǎn)動(dòng)副擴(kuò)大至包容A轉(zhuǎn)動(dòng)副，便成為偏心輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)偏心半徑AB可變時(shí)，便為變偏心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。在D轉(zhuǎn)動(dòng)副上裝上面接觸超越離合器，便成為曲柄搖桿組合機(jī)構(gòu)，再將兩組組合機(jī)構(gòu)的變偏心半徑按180°相角差并聯(lián)在A軸（輸入軸）及D軸（輸出軸）上，當(dāng)B點(diǎn)繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)C點(diǎn)擺動(dòng)，當(dāng)三點(diǎn)在一條直線上時(shí)C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為零，兩組合機(jī)構(gòu)交替自鎖或超越，便成為新型脈動(dòng)無級(jí)變速器（圖4）。

圖3 變偏心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡化示意圖Fig.3 Schematic of the variable eccentric crank and rocker mechanism

如圖4所示，變速桿2在輸入軸1中，其可軸向移動(dòng)或與輸入軸1同步轉(zhuǎn)動(dòng)。在變速桿2的圓柱面上，有與其軸向夾角相比小于等于自鎖角的4個(gè)圓頭普通平鍵形斜鍵槽，每側(cè)2個(gè)，在斜鍵槽內(nèi)有滑塊13，在滑塊上面有一個(gè)孔，孔裝在圓輪12及變偏心配重4的軸上。在輸入軸1的圓柱面上，每側(cè)有2個(gè)半圓鍵形槽，對(duì)稱分布在側(cè)視圖的垂直坐標(biāo)兩側(cè)，然后再把同一組的圓輪12及其變偏心配重4放在同一對(duì)槽中。在槽底平面上，有圓頭普通平鍵形透孔，該孔并不影響圓輪12，以及在變偏心配重4上插入滑塊13的軸在透孔中移動(dòng)。圓輪12和變偏心配重4的形狀類似于圓餅，在前者的外圓柱面上有止口與連桿11連接，在兩者的平面圓心上，有類似于圓頭普通平鍵形狀的透孔，透孔兩側(cè)的平行面卡在輸入軸1的半圓鍵形槽底平面上，透孔的兩個(gè)圓頭面與輸入軸1的外圓面有適當(dāng)?shù)拈g隙，但這并不影響圓輪12及變偏心配重4在槽中移動(dòng)。在主視圖中，變速桿2所在位置的變偏心半徑為零，圓輪12及變偏心配重4的質(zhì)心均在變速桿2的中心線上，輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出軸3不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)向右連續(xù)拉動(dòng)變速桿2至變偏心半徑最大值位置時(shí)，由于斜鍵槽的斜向不同，會(huì)推動(dòng)滑塊13使圓輪12及變偏心配重4分別沿輸入軸1的半圓鍵形槽沿徑向向外散開移動(dòng)，各質(zhì)心的移動(dòng)距離為變偏心半徑，兩者大小相等、方向相反，輸出軸3的轉(zhuǎn)速由零逐漸增大至最大值。當(dāng)向左連續(xù)推動(dòng)變速桿2時(shí)，其運(yùn)動(dòng)正好相反，輸出軸3按側(cè)視圖的反時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 新型脈動(dòng)無級(jí)變速器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural representation of the new impulse CVT

與變偏心半徑最大值相比，外環(huán)8的內(nèi)半徑要大得多，因而使得角速度的波動(dòng)幅度變小。由于圓輪12、連桿11和變偏心配重4的質(zhì)量起到了飛輪的作用，特別是在用燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力時(shí)，所以速度不均勻系數(shù)δ會(huì)變小。

3 面接觸超越離合器的自鎖與解鎖

現(xiàn)有的滾柱式超越離合器為線接觸，變形大，效率低，只能用于一般場(chǎng)合［7］。

如圖4所示，在滾柱10上安裝有1個(gè)弧塊7，下面安裝有1個(gè)下滑塊9，板簧6被鉚釘14鉚在內(nèi)星輪3的螺紋盲孔中。板簧6的彈力會(huì)推動(dòng)下滑塊9并帶動(dòng)滾柱10及弧塊7向左移動(dòng)，同時(shí)與外環(huán)8及內(nèi)星輪3接觸并形成一定的起始摩擦力，便成為面接觸超越離合器。實(shí)踐證明，在弧塊7的R弧面上，有平行的細(xì)密排油溝通向接觸面外，溝邊與溝邊之間有適當(dāng)?shù)木嚯x（圖上未繪出），因而在超越時(shí)，無法形成動(dòng)壓油膜，外環(huán)8與弧塊7總是接觸的，屬邊界潤滑，自鎖靈敏。

面接觸超越離合器的自鎖原理與滾柱式超越離合器相同，取楔角?=6°，小于摩擦角，所不同的是，其運(yùn)動(dòng)副均為滑動(dòng)摩擦，因此要求下滑塊9與滾柱10及內(nèi)星輪3的滑動(dòng)摩擦系數(shù)值要低于滾動(dòng)摩擦系數(shù)值，但采用提高尺寸和形狀精度，降低表面粗糙度值或更換材料等的方法還未見有成功的先例。本文采用液體靜壓潤滑原理，使滑動(dòng)副被承載油膜分開，以液體摩擦狀態(tài)工作，其摩擦系數(shù)只有萬分之幾，與滾動(dòng)摩擦系數(shù)相比要小得多，且自鎖可靠、解鎖阻力矩非常小、摩損小、壽命長。

當(dāng)該機(jī)不工作時(shí)，變速桿2位于變偏心半徑為零的位置，當(dāng)沒有壓力油注入時(shí)，封油間隙為零。工作時(shí)，先開動(dòng)主機(jī)，驅(qū)動(dòng)輸入軸1及定壓油泵，注入定量定壓為P的高壓油，然后經(jīng)輸出軸3的左端進(jìn)入小孔節(jié)流器15以及與其相連的很近的2個(gè)油腔。在高壓油的作用下，零件會(huì)發(fā)生彈性變形而形成封油間隙，若再向右拉變速桿2，變偏心半徑便不再為零。設(shè)此時(shí)組合機(jī)構(gòu)第1組外環(huán)8的轉(zhuǎn)速由零開始反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為開始自鎖，外環(huán)8與弧塊7的滑動(dòng)摩擦力使兩者同步轉(zhuǎn)動(dòng)，則其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)使各零件發(fā)生彈性變形，在空轉(zhuǎn)一個(gè)溜滑角α后才與內(nèi)星輪3同步轉(zhuǎn)動(dòng)并完成自鎖，自鎖后，同步轉(zhuǎn)角為 β。此時(shí)，輸出軸3有動(dòng)力輸出，當(dāng)增大轉(zhuǎn)矩時(shí)，封油間隙會(huì)變小，至最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，封油間隙也達(dá)到最小，而弧塊7對(duì)外環(huán)8的壓力則達(dá)到最大。假設(shè)最小封油間隙為0.005 mm，兩個(gè)最小封油間隙之和便為0.01 mm，小孔節(jié)流器的壓力降為0.1P，流量為1 L/min，則油腔的油壓為0.9P。當(dāng)?shù)?組組合機(jī)構(gòu)的外環(huán)8開始自鎖時(shí)，第2組組合機(jī)構(gòu)外環(huán)8的轉(zhuǎn)速將由零開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并開始解鎖，外環(huán)8與弧塊7的滑動(dòng)摩擦力會(huì)使兩者順時(shí)針同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)滾柱10及下滑塊9右移，由此，封油間隙便逐漸增大。油的流量與進(jìn)入封油間隙入口處的截面積成正比，當(dāng)兩個(gè)封油間隙之和接近0.031 mm時(shí)，油的流量也將由 1 L/min升至 3.1 L/min，增大了 3.1 倍。小孔節(jié)流器15的壓力降與小孔直徑有關(guān)，與流量的平方成正比［8］，因壓力降在由 0.1增大至其 3.1的平方倍后接近于 P（0.1P×3.12=P），因而此時(shí)油腔中的油壓接近于零，弧塊7對(duì)外環(huán)8的壓力非常小，當(dāng)外環(huán)8空轉(zhuǎn)了α角后，各零件的彈性變形將消失，在板簧6的彈力作用下，弧塊7便會(huì)對(duì)外環(huán)8開始滑動(dòng)，從而完成解鎖。解鎖后，外環(huán)8對(duì)弧塊7超越 β角，沒有動(dòng)力輸出。離合器的α角在面接觸時(shí)要比在線接觸時(shí)小得多，其對(duì)輸出軸3的脈動(dòng)波形的連續(xù)性影響并不大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩過大、封油間隙達(dá)到零時(shí)，由于沒有液體潤滑，便不自鎖，外環(huán)8對(duì)弧塊7滑動(dòng)。

油腔的厚度要比封油間隙大得多，其周圍有一定寬度的封油面，若要求兩油腔的封油間隙相同，則兩油腔的面積不等。

為了減小推、拉變速桿2的阻力，可對(duì)變速桿2和滑塊13采用液體靜壓潤滑技術(shù)。采用鋼絲編織的橡膠軟管將壓力為P的高壓油從變速桿2的右端引入中心進(jìn)油孔中，其中一路經(jīng)節(jié)流器15流入其表面上的4個(gè)油腔中，然后再經(jīng)封油間隙、回油溝流回油箱；另一路經(jīng)節(jié)流閥15進(jìn)入滑塊13的2個(gè)油腔中，然后再經(jīng)封油間隙、回油孔和回油溝流回油箱。

4 新型脈動(dòng)無級(jí)變速器的效率、壽命及完全平衡

4.1 面接觸超越離合器的效率

該機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)副組成，一般運(yùn)動(dòng)副確定后，其效率便不會(huì)變。下面，將用求功率法來計(jì)算效率。

設(shè)轉(zhuǎn)矩為M ，彈性變形角α（又稱溜滑角）為空轉(zhuǎn)角，無功率輸出，屬損耗功Wf，同步轉(zhuǎn)角 β屬有用功Wr，輸入功為Wa，則效率為

彈性變形時(shí)M 取平均值，假設(shè) β=1°，η=0.98，便可求出α=0.04°。以α為依據(jù)，用虎克定律計(jì)算出各零件的許用截面面積。它應(yīng)滿足無限壽命設(shè)計(jì)N-S曲線最小應(yīng)力值的要求，其壽命需比齒輪長。

4.2 對(duì)新型脈動(dòng)無級(jí)變速器效率的估算

組合機(jī)構(gòu)有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，由于是并聯(lián)，因此只按一個(gè)組合機(jī)構(gòu)計(jì)算。脈動(dòng)無級(jí)變速機(jī)構(gòu)的效率為（0.98）4=0.92，換向機(jī)構(gòu)的正轉(zhuǎn)效率 η換正=0.98，新型脈動(dòng)無級(jí)變速器的正轉(zhuǎn)效率為η脈正=0.92×(0.98)2=0.88，與二級(jí)減速器相近。

4.3 新型無級(jí)變速器的完全平衡

圖3中，A點(diǎn)為輸入軸，與燃?xì)廨啓C(jī)主軸相連，圓輪的幾何中心為變偏心半徑的質(zhì)心。假設(shè)：圓輪、連桿、外環(huán)（搖桿）的質(zhì)量分別為 m1，m2和m3，其質(zhì)心分別在B，E，D點(diǎn)處。為平衡，設(shè)將連桿的質(zhì)心m2分別用集中于B，C兩點(diǎn)的兩個(gè)質(zhì)量m2B和m2C予以代換，采用質(zhì)量代換法便可求出：

在AB延長線上，B′（AB=AB′）處變偏心配重的重量為（m1+m2B）·g，即與圓輪的重量相比，變偏心配重的重量大m2B·g。同理，在CD延長線上，D′處（取CD=DD′）配重的重量為 m2C·g 。安裝上變偏心配重及配重后，可以認(rèn)為A，D點(diǎn)分別集 中 了 2個(gè) 質(zhì) 量 ：mA=2(m1+m2B)，mD=m3+2m2C，由此便可求出AD線上的機(jī)構(gòu)總質(zhì)心點(diǎn)F，由于是定點(diǎn)，即aF=0，與變偏心半徑大小無關(guān)，因而認(rèn)為機(jī)構(gòu)的慣性力已得到平衡［9］。

圖4中，當(dāng)向右拉變速桿2時(shí)，其左端第1個(gè)實(shí)線斜鍵槽與第2個(gè)虛線斜鍵槽中的滑塊13會(huì)推動(dòng)第1組圓輪12向下移動(dòng)，而其變偏心配重4則向上移動(dòng)，由于兩者不在同一平面內(nèi)，便形成了反時(shí)針力偶矩。第3個(gè)實(shí)線斜鍵槽和第4個(gè)虛線斜鍵槽中的滑塊13用于推動(dòng)第2組圓輪12及其變偏心配重4移動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向及形成的力偶矩與前者相反，達(dá)到了完全平衡。

5 現(xiàn)有船舶動(dòng)力存在的問題

現(xiàn)有船舶的動(dòng)力一般是按最大航速選定并留有10%的功率儲(chǔ)備，而最大航速在總行程中的比例最多只占1%～2%，其余時(shí)間均是采用巡航速度，即所謂的經(jīng)濟(jì)速度航行。因柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，可采用柴—燃聯(lián)合推進(jìn)裝置，用一個(gè)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)一個(gè)槳來實(shí)現(xiàn)不同航速的要求，此時(shí)，各臺(tái)主機(jī)的持續(xù)工況能達(dá)到60%就很不錯(cuò)了。而由巡航態(tài)進(jìn)入高速態(tài)須再另開一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，且在冷態(tài)下起動(dòng)至滿功率又至少需要幾分鐘，這對(duì)于作戰(zhàn)來說非常不利?？梢姡媒?jīng)濟(jì)航速增大航程違背了“兵貴神速”的原則。

實(shí)踐證明，低速大直徑螺旋槳可提高槳的效率，但增大槳徑受限于其與海面的距離，當(dāng)大浪把槳抬出海面時(shí)，槳在瞬間會(huì)發(fā)生飛車，而當(dāng)槳沉入水中時(shí)又易造成發(fā)動(dòng)機(jī)悶車事故。且低速大直徑螺旋槳采用的是低效的二沖程內(nèi)燃機(jī)，重量與體積均大。該螺旋槳發(fā)展得不快，只占有約5%的市場(chǎng)［10］。

文獻(xiàn)［10］是采用把手控制油門，發(fā)動(dòng)機(jī)變功率工作，定距槳只有在設(shè)計(jì)工況下達(dá)到額定航速時(shí)主機(jī)功率才能全部被槳吸收，即發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余功率為零。但在其它航速下，發(fā)動(dòng)機(jī)不但發(fā)不出額定功率，而且還有剩余功率。變距槳可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下工作，和定距槳相比，雖然其發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余功率多，但航速卻要快一些，目前只用到了特殊的軍輔船上。

經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，船舶諸多問題的根源均來自螺旋槳、減速器及并車齒輪箱，而采用本文提出的動(dòng)力系統(tǒng)方案不但能消除噪聲，而且還可使船舶的運(yùn)動(dòng)性能更好。

6 恒功率無級(jí)變速

艦船航速v與其克服的阻力R的乘積即為其等速直線運(yùn)動(dòng)所需的功率N，螺旋槳產(chǎn)生的推力T等于R，三者呈R·v=N的關(guān)系，即為船舶的負(fù)載特性。

如圖1和圖4，按照燃?xì)廨啓C(jī)的供油量與轉(zhuǎn)速變化曲線上最低點(diǎn)，作為額定供油量 μ0，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速n機(jī)額，發(fā)出的功率為額定功率N額。用轉(zhuǎn)速表指示燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)n機(jī)及螺旋面槳的轉(zhuǎn)數(shù)n槳。在正常阻力R下，n機(jī)=n機(jī)額，n槳=n槳額，N=N額，v=v額。當(dāng) R變大時(shí),n機(jī)＜n機(jī)額，n槳＜n槳額，N＜N額，發(fā)動(dòng)機(jī)屬輕載，此時(shí),向右拉變速桿將n槳增大至n槳額，N升至 N額，由于 R增大了，因此v＜v額。當(dāng) R變小時(shí)，n槳＞n槳額，由于是額定供油，n額不可能增大，燃?xì)廨啓C(jī)屬超載，n機(jī)＜n機(jī)額，此時(shí),向左拉變速桿使n槳回落至n槳額，N升至 N額，由于 R變小了，致使v＞v額，實(shí)現(xiàn)了恒功率無級(jí)變速，效率可達(dá)到最高，燃油可在最佳狀態(tài)下燃燒。n機(jī)額可使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及頻率穩(wěn)定。

恒功率無級(jí)變速可采用自動(dòng)駕駛儀完成，只需一人按航向掌舵即可，其駕駛及行駛性能均好。即便是是海浪把螺旋面槳全部抬出水面，其也能在瞬間使槳的轉(zhuǎn)速減小至零，當(dāng)槳再次進(jìn)入水中時(shí)，其轉(zhuǎn)速又會(huì)由零開始逐漸增大，不存在飛車及悶車事故。

7 用燃?xì)廨啓C(jī)、無級(jí)變速器及螺旋面槳組成的動(dòng)力機(jī)組

為了平衡螺旋面槳的巨大轉(zhuǎn)矩，要求采用2個(gè)獨(dú)立的機(jī)組水平對(duì)稱布置，其中一組的燃?xì)廨啓C(jī)及內(nèi)星輪3按反向轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)計(jì)制造，面接觸超越離合器按反向安裝并將C點(diǎn)轉(zhuǎn)至另一側(cè)，兩槳的旋向及轉(zhuǎn)向相反。當(dāng)其中的一個(gè)槳換向后，兩槳的轉(zhuǎn)向相同，但對(duì)水的推力卻相反。這樣,巨輪便可以零半徑轉(zhuǎn)彎自己進(jìn)出港并?？康讲次簧希?jié)省時(shí)間，等出港時(shí)再用舵（圖中未繪出）轉(zhuǎn)彎。

本機(jī)組是一機(jī)對(duì)一槳，各自獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)單一化而使用性能多樣化的功能。

8 結(jié) 語

新型脈動(dòng)無級(jí)變速器能使螺旋面槳無噪聲，且其發(fā)出的次聲波經(jīng)海面與海底折射后，即使敵方用被動(dòng)聲吶收到了也難判斷聲波的來源及方位。用變速桿控制槳轉(zhuǎn)速，用換向手柄改變槳的轉(zhuǎn)向，可使艦艇的加速、剎車、倒行及零半徑轉(zhuǎn)彎均快。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有魚雷或深水炸彈來襲時(shí)，可采用折線運(yùn)動(dòng)予以規(guī)避。

新型脈動(dòng)無級(jí)變速器可為螺旋面槳恒功率無級(jí)變速，使發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余功率為零，油耗降至最低，從而使艦船的平均航速及行程達(dá)到最大。

石油大多被內(nèi)燃機(jī)燒掉，若用新型脈動(dòng)無級(jí)變速器代替減速器或有級(jí)變速器，為其負(fù)載作恒功率無級(jí)變速，則可節(jié)省大量的燃油，減少CO，NOX的排放及溫室效應(yīng)。

早期木船的排水量小是因?yàn)槭遣捎萌俗鲃?dòng)力，進(jìn)入動(dòng)力時(shí)代后，開始用螺旋槳代替劃槳，但經(jīng)過近百年的實(shí)踐，也讓人們看到了這種組合的美中不足,其結(jié)果不容樂觀，是繼續(xù)走原路還是研發(fā)新型推進(jìn)器值得思考。

［1］董世湯，王國強(qiáng)，唐登海.船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009：265.

［2］白海云.螺旋槳設(shè)計(jì)［M］.臺(tái)北：興業(yè)圖書股份有限公司，1976：44.

［3］王樹春.新型脈沖無級(jí)變速器在船舶上的應(yīng)用探討［J］.中國艦船研究，2012，7（1）：71-74，80.

WANG Shuchun.A new impulse stepless gearbox for marine application［J］.Chinese Journal of Ship Research，2012，7（1）：71-74，80.

［4］李國興，徐曉明.現(xiàn)代潛艇技術(shù)及發(fā)展［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版，1999：86.

［5］郭正榘.燃?xì)廨啓C(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986：294-295.

［6］盧成委，徐筱欣.老齡船舶主機(jī)重新配置螺旋槳影響分析［J］.造船技術(shù)，2002（3）：16-19.

［7］阮忠唐，劉凱.機(jī)械無級(jí)變速器設(shè)計(jì)與選用指南［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：203-220.

［8］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［9］孫恒，李繼慶.機(jī)械原理教程［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［10］朱英富.水面艦船設(shè)計(jì)新技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版，2004：141.

The Theoretical Analysis of Noiseless Helicoid Blade and its Power System

WANG Shuchun，WANG Tianlu

School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

When the gas turbine，new impulse Continuously Variable Transmission(CVT)，and helicoid blade with increased outside diameter and length are combined to make up a power system，the propeller unit load will decline significantly.As a result，if the propeller's speed drops below a critical value（zero noise condition），it could improve the overall stealth performance.Since the rotating speed of the propeller and its power consumption forms a linear relationship，one pair of units is required to be arranged symmetrically to balance the large torque，and two paddles are needed to turn in the opposite direction of rotation.The results show that the connection of reversing lever and the shift lever could increase the ship's acceleration，brake，reverse operation，and zero turning radius.Thus，the ship's steering performance is improved，where the ship is able to go in and out from the berth automatically，the constant CVT rate moving can be achieved，and the propellers and the engines could coordinate perfectly with no engine power wasted.In brief，the system enables the ship to reach the maximum range and average speed with less power consumption，which is essentially environmentally friendly.

helicoid blade；remaining power；impulse CVT；constant CVT rate；propeller-engine matching

U664.3

A

1673－3185（2014）02－68－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.012

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.012.html

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－05－19 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-3-31 16:33

王樹春（1935－），男，副教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。E-mail：godricwang1＠163.com

王樹春

［責(zé)任編輯：盧圣芳］