高原高速艇半浸槳雙速比齒輪箱應(yīng)用分析

臧瑞斌，周劍，辛公正，丁恩寶，彭曉星

(1.常州玻璃鋼造船廠有限公司，江蘇 常州 213127；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

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高原高速艇半浸槳雙速比齒輪箱應(yīng)用分析

臧瑞斌1，周劍2，辛公正2，丁恩寶2，彭曉星2

(1.常州玻璃鋼造船廠有限公司，江蘇 常州 213127；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082)

針對(duì)高原環(huán)境下高速艇半浸槳的雙速比齒輪箱選型問題，通過最大航速工況下的小減速比的選取，確定滿足最大航速需求的半浸槳方案，根據(jù)半浸槳全浸狀態(tài)下的水動(dòng)力特性開展不同大減速比下低速起滑性能的比較，優(yōu)選出低速起滑性能更優(yōu)的大減速比方案。實(shí)船試航結(jié)果表明，雙速比齒輪箱的應(yīng)用成功解決了高原高速艇低速起滑的難點(diǎn)，雙速比齒輪箱的選型方法可取。

雙速比；半浸槳；高速艇；高原

半浸槳在高速航行時(shí)，處于通氣狀態(tài)，槳葉不會(huì)發(fā)生空泡，從而避免了剝蝕和推進(jìn)效率下降[1]，是一種特別適合用于高原低氣壓環(huán)境下高速船的推進(jìn)方式。船-機(jī)-槳匹配仍然是高原環(huán)境半浸式螺旋槳設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，采用半浸式螺旋槳的高速船，起滑過程是一個(gè)重負(fù)荷的工況，為了沖過阻力峰，此時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)速比較低，平原環(huán)境下的高速船也有因?yàn)闊o法克服阻力峰而導(dǎo)致船舶無法達(dá)到設(shè)計(jì)航速的案例，通過改變滑行狀態(tài)姿態(tài)，如增加可調(diào)艉板或給螺旋槳通過減小螺旋槳負(fù)荷的方法可以改善船的起滑性能[2]。高原環(huán)境下，在起滑階段，由于螺旋槳轉(zhuǎn)速比較低，對(duì)應(yīng)于低轉(zhuǎn)速的主機(jī)工況，此時(shí)進(jìn)氣量遠(yuǎn)低于平原工況，主機(jī)輸出功率下降很大，極易造成無法提供螺旋槳所需要的功率而發(fā)生起滑失敗。采用雙速比齒輪箱可有效改善起滑性能，起滑前采用大減速比，可使主機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速工況，起滑后再調(diào)整到小減速比，兼顧了起滑前后主機(jī)槳匹配的矛盾。因此考慮高原環(huán)境的影響規(guī)律，針對(duì)雙速比齒輪箱應(yīng)用選型開展分析。

1 高原環(huán)境的影響

1.1 高原環(huán)境對(duì)主機(jī)的影響

主機(jī)作為驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力源，是船-機(jī)-槳三者匹配的重要因素。高原環(huán)境由于低氣壓的特點(diǎn)，進(jìn)氣量小于平原狀態(tài)。對(duì)于額定轉(zhuǎn)速附近的高轉(zhuǎn)速工況，增壓器工作效率損失較小，主機(jī)功率下降較小。對(duì)于低轉(zhuǎn)速工況，由于增壓器工作效率很低，進(jìn)氣量損失很大，因此低轉(zhuǎn)速工況主機(jī)功率下降劇烈。見圖1。

圖1 主機(jī)在平原及高原環(huán)境下的外特性曲線

高原環(huán)境半浸槳的水動(dòng)力性能包含起滑前和起滑后2個(gè)狀態(tài)。

起滑前半浸式螺旋槳全部浸沒于水中，此時(shí)為全浸狀態(tài)。全浸狀態(tài)下，半浸式螺旋槳水動(dòng)力性能與其空化程度密切有關(guān)，半浸式螺旋槳全浸狀態(tài)下不同空泡數(shù)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)見圖2[3]。由圖2可見，隨著空泡數(shù)的降低，轉(zhuǎn)矩系數(shù)有下降的趨勢，空泡數(shù)越低，下降越明顯。

圖2 下不同空泡數(shù)對(duì)半浸式螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響(全浸狀態(tài))

對(duì)于起滑后的滑行狀態(tài)，此工況對(duì)應(yīng)半浸式螺旋槳的設(shè)計(jì)工況，槳處于通氣狀態(tài)。半浸槳工作在自由表面附近，槳葉剖面不斷出入水形成通氣狀態(tài)，與常規(guī)螺旋槳出現(xiàn)的蒸汽空泡有很大的區(qū)別，盡管表征這2種現(xiàn)象的相似參數(shù)目前都采用空泡數(shù)，空泡數(shù)是半浸式螺旋槳模型試驗(yàn)重要的相似參數(shù)。為了研究空泡數(shù)對(duì)半浸式螺旋槳水動(dòng)力在半浸狀態(tài)下的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)[4]，采用等車速變轉(zhuǎn)速進(jìn)行，即保持傅氏數(shù)不變從而試驗(yàn)結(jié)果不含傅氏數(shù)的影響，便于試驗(yàn)結(jié)果分析。車速定為6.0 m/s，通過調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速獲得不同的進(jìn)速系數(shù)，通過調(diào)節(jié)水池壓力獲得不同的空泡數(shù)。部分試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同空泡數(shù)半浸式螺旋槳水動(dòng)力性能曲線(半浸狀態(tài))

由圖3可見，在試驗(yàn)進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)，越過最大效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的2個(gè)大進(jìn)速系數(shù)點(diǎn)，空泡數(shù)有較大影響，而設(shè)計(jì)點(diǎn)的進(jìn)速系數(shù)都小于最大效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的進(jìn)速系數(shù)，其他進(jìn)速的空泡數(shù)對(duì)半浸式螺旋槳水動(dòng)力性能影響都不大，可以忽略[5]。因此，從工程運(yùn)用來看，高原環(huán)境低氣壓對(duì)半浸式螺旋槳半浸狀態(tài)影響不大，設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略[6-7]。從這一點(diǎn)上看，相比于常規(guī)螺旋槳在高原環(huán)境下伴隨的推扭力和效率的下降以及極易伴隨的空泡剝蝕問題，半浸式螺旋槳本身的性能受高原環(huán)境的影響較小，有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

2 雙速比齒輪箱的選型論證方法

選型時(shí)需要分別針對(duì)2級(jí)減速比開展論證及分析，從中選擇出更加合適的雙速比組合。艇體阻力特性見圖4。

圖4 高速艇阻力特性

由圖4可見，在19 kn附近存在一個(gè)阻力峰值，給高速艇起滑帶來一定的困難，同時(shí)考慮主機(jī)在低速段的特殊性，需要權(quán)衡考慮低速起滑與高速工況下的影響開展選型分析。選取大減速比時(shí)需保證高速艇在采用大減速比可越過低速阻力峰值；而小減速比選取時(shí)則需考慮高速艇在完成越過阻力峰在減速比變換成小減速比后，高速艇在小減速比狀態(tài)下仍能滿足主機(jī)功率高于半浸槳功率需求。

齒輪箱的選型關(guān)鍵考慮選擇半浸槳驅(qū)動(dòng)裝置的最大轉(zhuǎn)矩承受能力。而半浸槳裝置收到的轉(zhuǎn)矩主要來源是主機(jī)通過軸系及齒輪箱傳遞的，因此半浸槳驅(qū)動(dòng)裝置的最大轉(zhuǎn)矩可通過主機(jī)特性粗略估算。不同轉(zhuǎn)速下最大轉(zhuǎn)矩的估算方法見圖5。

圖5 最大轉(zhuǎn)矩估算

2.1 小減速比的評(píng)估

首先從高速工況考慮小減速比，即齒輪箱第二級(jí)減速比的選取。分別評(píng)估了1.400，1.480及1.572三種減速比下半浸槳方案的最大航速(見表1)，評(píng)估相應(yīng)方案在高原環(huán)境下的起滑性能，結(jié)果見圖6。評(píng)估結(jié)果表明，采用單減速比時(shí)，可以滿足高速需求；但在高原環(huán)境下，全浸狀態(tài)時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速高于1 600 r/min時(shí)，主機(jī)功率滿足半浸槳的功率需求，而當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 600 r/min時(shí)功率下降劇烈，明顯不能滿足半浸槳的功率需求。因此，單減速比方案不能滿足該艇低速起滑的需求。

總的來說，在初中數(shù)學(xué)教學(xué)中發(fā)揮學(xué)生的主體性，是需要我們教師結(jié)合不同的教學(xué)模式與方法才能獲得的，同時(shí)他們的主體性得到激發(fā)才能夠獲得更好的教學(xué)效果。為此我們數(shù)學(xué)教師應(yīng)重視這個(gè)過程，并認(rèn)真反思自身的教學(xué)行為，這樣學(xué)生的主體性才能夠得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。

表1 不同減速比下航速評(píng)估

圖6 高原環(huán)境下三機(jī)方案低速下半浸槳功率需求與主機(jī)功率比較

由表1可知，隨著減速比增加，半浸槳的直徑有所增加，效率略有提升，同時(shí)半浸槳驅(qū)動(dòng)裝置的承受能力需要越大，因此第一減速比取小減速比取1.400附近可滿足高速工況要求，半浸槳敞水效率ηo可達(dá)0.68左右，但在主機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 600 r/min時(shí)主機(jī)無法滿足半浸槳的功率需求，無法完成起滑。

2.2 大減速比選型分析

對(duì)于大減速比的選取，由于半浸槳驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩限制不宜選取過大，因此需要從驅(qū)動(dòng)裝置能力、起滑性能兩方面考慮選擇一個(gè)合適的大減速比，即第一級(jí)減速比。圖7給出了第一級(jí)減速比分別為1.706，2.033，以及2.407下低速下半浸槳功率需求與主機(jī)功率比較。由圖7可見，隨著減速比增加，半浸槳的起滑性能明顯改善，但從驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)際能力考慮，減速比不宜過大，否則驅(qū)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)矩承受能力需要增加，驅(qū)動(dòng)裝置重量大大增加，同時(shí)減速比過大往往容易導(dǎo)致半浸槳過輕，吸收不了主機(jī)功率，不能充分發(fā)揮主機(jī)特性，因此在選取大減速比時(shí)需要兼顧這些因素，保證高速艇使用大減速比時(shí)可越過低速阻力峰。

圖7 不同大減速比方案下低速下半浸槳功率需求與主機(jī)功率比較

3 方案設(shè)計(jì)及實(shí)艇驗(yàn)證

目前還沒有專門針對(duì)高原環(huán)境開發(fā)相應(yīng)的主機(jī)。為節(jié)約成本，應(yīng)用到高原上的主機(jī)必須進(jìn)行高原環(huán)境適應(yīng)性改造，可考慮增加進(jìn)氣量的裝置，見圖8。

圖8 主機(jī)在低速段高原適應(yīng)性改裝后的外特性曲線

與平原環(huán)境相比，在高原環(huán)境下，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 600 r/min左右時(shí)，主機(jī)功率隨著轉(zhuǎn)速的降低急劇減小(見圖1)。由在高的主機(jī)轉(zhuǎn)速下，主機(jī)功率略微高于平原情況。而圖8可知，經(jīng)過改裝，低速段的主機(jī)特性有所改善，但相比平原下還是有所不足。為此，針對(duì)高原環(huán)境改裝主機(jī)，開展半浸槳方案設(shè)計(jì)及齒輪箱的選型設(shè)計(jì)，半浸槳方案見圖9。

圖9 半浸槳方案

根據(jù)采用雙速比齒輪箱的選型論證方法針對(duì)某高原高速艇開展半浸槳推進(jìn)方式雙速比齒輪箱的選型，小減速比取1.386，大減速比取1.769，見圖10，完成了實(shí)艇試航。由圖10可見，原先采用1.386的減速比方案在航速18 kn以下主機(jī)功率無法滿足半浸槳功率需求，在航速大于20 kn時(shí)主機(jī)功率則滿足半浸槳功率需求，采用大減速比1.769后，20 kn以下的低速起滑性能明顯得到改善。因此在20 kn以下采用大減速比，當(dāng)航速達(dá)到20 kn時(shí)，通過減速比變換成小減速比，可保證在整個(gè)航速段主機(jī)功率滿足半浸槳功率需求。

圖10 低速時(shí)半浸槳不同減速比下主機(jī)所需功率曲線(全浸狀態(tài))

進(jìn)行高原環(huán)境下實(shí)艇雙速比聯(lián)調(diào)試，高速艇在高原成功完成了起滑[8]。實(shí)艇不同時(shí)間下航速變化情況及雙速比的聯(lián)調(diào)情況見圖11。

圖11 高原環(huán)境下高速艇雙速比聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

由圖11可見，速度隨著時(shí)間變化比較平緩，高速艇起滑比較順利，初始階段經(jīng)過約20 s后由大減速比變換小減速比，順利完成齒輪箱的換擋，艇體完成起滑,驗(yàn)證了雙速比齒輪箱的選型方法在高原高速艇半浸槳推進(jìn)方式中的應(yīng)用是可行的。

4 結(jié)論

1)高原環(huán)境對(duì)主機(jī)低速特性影響較大，在半浸槳匹配設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮，可以進(jìn)行主機(jī)在低速段的高原適應(yīng)性改裝，采用雙減速比齒輪箱可顯著改善低速起滑性，便于高速艇越過低速阻力峰值。

2)當(dāng)高速艇采用的主機(jī)在低速段的功率特性不佳的情況下，采用雙速比齒輪箱是解決高速艇低速起滑問題的良好手段。

3)雙減速比齒輪箱工作時(shí)，2個(gè)速比差距越大，越有利于降低半浸槳負(fù)荷，但減速比太大低速下不利于發(fā)揮主機(jī)性能，在選取雙減速比時(shí)需要權(quán)衡低速及高速工況要求，保證采用大減速比可越過低速阻力峰，同時(shí)在減速比換擋時(shí)保證雙減速比均可滿足主機(jī)功率要求，從而使得在整個(gè)航速段滿足主機(jī)功率高于半浸槳需求功率。

[1] ALEXANDER S. Achkinadze.supercavitating, highly cavitating and surface piercing propellers design[J].FAST,2005,89-90.

[2] 丁恩寶，唐登海，周偉新.半浸式螺旋槳研究綜述[J].船舶力學(xué)，2002,6(2):75-77.

[3] 吳幼華，周偉新.半浸槳試驗(yàn)方法研究[R].無錫：中國船舶科學(xué)研究中心,1997.

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[5] 劉紹宗，朱恒順.部分浸水螺旋槳的系列化特性[R].無錫：中國船舶科學(xué)研究中心,1989.

[6] HADLER J B, HECKER R. Performance of partially submerged propellers[C]. Proceedings, Seventh Office of Naval Research Sympo-siumon Naval Hydrodynamics,Aug.1968.

[7] 王國強(qiáng)，賈大山，盛振邦.部分浸水通氣螺旋槳水動(dòng)力性能[J].中國造船,1990：109-110.

[8] 周劍，丁恩寶.新型高原高速艇半浸槳關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)報(bào)告[R].無錫：中國船舶科學(xué)研究中心,2013.

Application of Double-ratio Gearbox in Surface Piercing Propeller of High Speed Craft in Plateau

ZANG Rui-bin1, ZHOU Jian2, XIN Gong-zheng2, DING EN-bao2, PENG Xiao-xing2

(1.Changzhou Fiberglass Shipyard Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213127, China;2.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)

To analyze the type selection of the double-ratio gearbox for the surface piercing propeller (SPP) of high speed craft in plateau, the scheme meeting the maximum speed demand was made during choosing the small reduction ratio. Meanwhile the big reduction ratio was optimized by comparative analysis of planning performance under low speed of different big reduction ratios. The results of ship trial showed the application of the double-ratio gearbox in SPP of high speed craft in plateau meets requirements of both the low speed and high speed, and the method is validated.

double-ratio; surface piercing propeller; high speed craft; plateau

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.027

2016-09-14

國家自然科學(xué)基金(11332009)

臧瑞斌(1976—)，男，學(xué)士，高級(jí)工程師

研究方向：船舶總體

U661.43

A

1671-7953(2017)04-0122-04

修回日期：2016-10-10