基于模塊化的小型噴水推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)研究

孟堃宇，李貴斌，張 潛

(1. 噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200011；2. 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

0 引 言

在艦船領(lǐng)域，模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用不僅能大大提高艦船配置的靈活性，滿足多元化的任務(wù)需求，而且能提高設(shè)備的獨(dú)立性，有利于生產(chǎn)分工和生產(chǎn)維護(hù)成本的降低。噴水推進(jìn)裝置是集推進(jìn)與操縱于一體的船用推進(jìn)設(shè)備，其具有推進(jìn)效率高、操縱性能好，適應(yīng)變工況能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已在各類高性能平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用，且隨著技術(shù)的發(fā)展，也越來(lái)越注重模塊化的設(shè)計(jì)理念。目前在小型噴水推進(jìn)裝置領(lǐng)域，以Kanewa，Hamilton，Alamarin 等為代表的國(guó)外供應(yīng)商，均各自形成了模塊化的噴水推進(jìn)系列化產(chǎn)品。產(chǎn)品集成化程度高、安裝便捷、覆蓋2 000 kW 功率級(jí)別以下的各類高性能船舶。國(guó)內(nèi)方面，噴水推進(jìn)裝置模塊化概念的設(shè)計(jì)應(yīng)用尚處于起步階段。中國(guó)船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院作為國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展噴水推進(jìn)相關(guān)研究的單位，于2010 年前后逐步推出了HL 系列模塊化產(chǎn)品，并不斷地完善擴(kuò)充產(chǎn)品庫(kù)，目前單泵覆蓋功率最高已達(dá)1 200 kW，縮小了與國(guó)外的技術(shù)差距。

1 模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路

與常規(guī)面向需求的“定制化”產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路不同，模塊化設(shè)計(jì)更注重產(chǎn)品的獨(dú)立性、通用性和標(biāo)準(zhǔn)化原則，在滿足用戶需求的前提下，設(shè)計(jì)流程也更為深入、復(fù)雜。產(chǎn)品本身作為一級(jí)模塊，明確了設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束，以模塊的屬性和輸入/輸出的形式表達(dá)；一級(jí)模塊又根據(jù)功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程劃分為數(shù)個(gè)子模塊，各模塊作為子功能的載體，其結(jié)構(gòu)與功能形成映射，并采用模塊化的思路開(kāi)展設(shè)計(jì)；針對(duì)用戶具體需求對(duì)功能模塊進(jìn)行選擇和組合，并加以必要的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的交互接口連接，保證模塊之間信息可以有效傳輸；最后對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并針對(duì)不足進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

根據(jù)上述思路，本文將小型噴水推進(jìn)裝置的模塊化設(shè)計(jì)流程分為需求分析、總體方案、功能分解、詳細(xì)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)等數(shù)個(gè)階段，設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。

圖 1 模塊化噴水推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)流程Fig. 1 Design process of the modular waterjet-unit

2 需求分析與總體方案

模塊化設(shè)計(jì)的第1 步是開(kāi)展深入的用戶需求分析。需求分析可以獲得設(shè)計(jì)輸入和約束條件，弄清這些內(nèi)容，才能更好實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)。表1 對(duì)常規(guī)小艇對(duì)噴水推進(jìn)裝置的主要需求進(jìn)行歸類整理，并給出一組需求權(quán)重。雖然不同類型的船艇對(duì)于噴水推進(jìn)裝置的需求和權(quán)重并不完全一致，但一般來(lái)說(shuō)，快速性、操縱性、尺寸重量、成本等能以明確數(shù)值體現(xiàn)的指標(biāo)，需求權(quán)重往往較高，設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先滿足；而對(duì)于安裝維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性等定性的指標(biāo)，優(yōu)先級(jí)較低，權(quán)重較小，一般作為附加的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

表 1 小型噴水推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)需求分析Tab. 1 Analyze the design requirement of small waterjet-unit

采用模塊分析法構(gòu)造小型噴水推進(jìn)裝置的初步總體方案。作為船用主推進(jìn)設(shè)備，噴水推進(jìn)裝置的主要功能是：接收主機(jī)發(fā)出的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為噴射流的動(dòng)能，從而利用水流的動(dòng)量差來(lái)推動(dòng)船舶前進(jìn)；通過(guò)操舵倒航機(jī)構(gòu)分配和改變噴流方向，從而驅(qū)動(dòng)船舶變更航向或倒航，實(shí)現(xiàn)船舶操縱。噴水推進(jìn)的功能框圖如圖2 所示。

圖 2 噴水推進(jìn)功能模塊Fig. 2 Waterjet functional module

噴水推進(jìn)功能模塊包含了兩方面要素：一是模塊的輸入/輸出。輸入為機(jī)械能（來(lái)自主機(jī)）和操縱指令（來(lái)自駕控臺(tái)），輸出為對(duì)艇體的力（包括正推力、倒航力和操舵力）。模塊的輸入/輸出表征了噴水推進(jìn)模塊與外界在力、電和能量等方面的交互關(guān)系，需要建立接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊化產(chǎn)品接口要求簡(jiǎn)化，并宜采取標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。根據(jù)圖2 可知，噴水推進(jìn)模塊與艇本體至少存在與主機(jī)、駕控臺(tái)（電氣系統(tǒng)）以及艇體結(jié)構(gòu)間的3 處接口。接口的詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合各艇實(shí)際狀態(tài)，體現(xiàn)在詳細(xì)設(shè)計(jì)中。二是模塊的屬性，即模塊自身的功能特性和技術(shù)參數(shù)，如推進(jìn)，操縱性能、尺寸重量、制造成本等，這些屬性應(yīng)與需求相符合。由表1的需求權(quán)重分析可知，在噴水推進(jìn)模塊的設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先滿足快速性，其次是外形重量和經(jīng)濟(jì)性等需求。

通過(guò)噴水推進(jìn)主參數(shù)選型理論可以確定滿足艇快速性的最佳主尺度，并進(jìn)一步預(yù)估其外形、重量和制造成本，以完成總體設(shè)計(jì)方案。噴水推進(jìn)的設(shè)計(jì)匹配可歸結(jié)為噴水推進(jìn)系統(tǒng)、艇體和動(dòng)力系統(tǒng)三方面的平衡。此外，對(duì)于固定葉型的推進(jìn)泵，其泵葉輪尺度越大，往往對(duì)艇的快速性能就越有利，但葉輪尺寸增大卻意味著裝置外形和重量的增大，因此選型設(shè)計(jì)中需要在這種矛盾中尋求平衡。

若初步設(shè)計(jì)方案不能滿足尺寸、重量、成本的約束，則需考慮變更葉輪葉型或采取輕量化的措施，如采用鋁、鈦等輕質(zhì)材料，優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)、減小壁厚、軸徑等。在降低制造成本方面，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)、固化生產(chǎn)工藝、引進(jìn)精密鑄造新技術(shù)的手段實(shí)現(xiàn)。

3 功能分解與模塊設(shè)計(jì)

功能分解是將模塊基本功能按實(shí)現(xiàn)流程再分解為下一層級(jí)子功能的過(guò)程?；竟δ芘c子功能間具有從屬關(guān)系，需要進(jìn)一步分解并與子模塊建立映射關(guān)系。功能分解有助于理清各子模塊間的交互關(guān)系，便于開(kāi)展模塊的獨(dú)立性和通用性設(shè)計(jì)。在功能分解中，通常會(huì)借鑒產(chǎn)品傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)劃分經(jīng)驗(yàn)。圖3 為噴水推進(jìn)功能分解樹(shù)，噴水推進(jìn)模塊基本功能實(shí)現(xiàn)所需的子功能層以及對(duì)應(yīng)的模塊層，采用實(shí)線連接表達(dá)對(duì)應(yīng)關(guān)系。各模塊間的虛線，表明模塊間存在著力、能量或信號(hào)的傳遞，需要設(shè)計(jì)輸入/輸出接口。根據(jù)此功能樹(shù)，可將噴水推進(jìn)模塊進(jìn)一步分解為推進(jìn)泵、軸系、管道、操舵倒航、液壓和控制等6 個(gè)子模塊。

圖 3 噴水推進(jìn)功能樹(shù)分解Fig. 3 Functional decomposition of the waterjet tree structure

1）推進(jìn)泵模塊

推進(jìn)泵模塊是實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換和艇快速性的的核心，其主要構(gòu)件為葉輪與導(dǎo)葉。從圖3 可知本模塊僅與軸系模塊存在能量和推力的輸入/輸出，由于小型噴水推進(jìn)裝置一般傳遞的功率較小，故接口普遍采用鍵連接。在模塊設(shè)計(jì)中，因總體方案中已確定了葉輪的主要參數(shù)，故詳細(xì)設(shè)計(jì)主要考慮重量控制、材質(zhì)選擇和制造工藝等需求實(shí)現(xiàn)。

2）軸系模塊

模塊接口：除與推進(jìn)泵模塊的接口外，還有與主機(jī)接口，采用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)軸器剛性連接接收主機(jī)功率；與管道模塊接口，小型噴水推進(jìn)裝置一般采用艙內(nèi)推力軸承組的模式，葉輪產(chǎn)生的推力向前傳遞至艙內(nèi)推力軸承并傳遞給管道模塊。

模塊設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)：軸系的軸承布置方案應(yīng)合理，設(shè)計(jì)推力軸承以保障推力可靠傳遞，軸直徑應(yīng)在滿足強(qiáng)度、剛度和扭振的條件下，盡量減??；推力軸承組應(yīng)考慮模塊化的設(shè)計(jì)方案，并與密封組件（阻擋海水進(jìn)入艙室）構(gòu)建為一體式，便于后期裝配和維修。

3）管道模塊

管道模塊是承受和傳遞噴水推進(jìn)推力、操舵力或倒航力的終端，與軸系、操舵倒航模塊和艇體都存在接口。在設(shè)計(jì)上，采用常見(jiàn)的一體直角式法蘭與艇體剛性連接，與操舵倒航模塊通過(guò)銷軸或螺栓連接，承受操舵./倒航力。管道模塊作為裝置最大的結(jié)構(gòu)件，直接影響到噴水推進(jìn)模塊的外形和重量。除考慮與各子模塊的接口外，還應(yīng)根據(jù)輪機(jī)和艇尾開(kāi)孔布置情況設(shè)計(jì)合理高效的流道線型，并綜合考慮推進(jìn)、汽蝕性能和管道重量等因素。

4）操舵倒航模塊

操舵倒航模塊由操舵機(jī)構(gòu)和倒航機(jī)構(gòu)組成，小型噴水推進(jìn)裝置中常用的操舵倒航機(jī)構(gòu)型式有翻斗式和箱型式，可根據(jù)艇的具體需求選擇設(shè)計(jì)。在接口設(shè)計(jì)方面：與管道模塊通過(guò)螺栓、銷軸連接；與液壓模塊通過(guò)管路撓性連接模塊上的液壓油缸；與控制模塊需要將舵角或倒航斗的開(kāi)閉位置信號(hào)傳遞給控制模塊，一般采用傳感器或軟軸實(shí)現(xiàn)。

5）液壓和控制模塊

小型噴水推進(jìn)裝置所應(yīng)用的20 t 以下級(jí)別小艇平臺(tái)，一般對(duì)控制自動(dòng)化程度要求不高，故可將液壓和控制模塊合并。常見(jiàn)的液壓操控模式有機(jī)械式、半機(jī)械式和“電-液”控制式，應(yīng)根據(jù)艇的具體需求選擇模式。本模塊又可分解為動(dòng)力源模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、液壓閥件集成模塊、操縱模塊等子功能單元。模塊的主要接口：駕控臺(tái)有操舵手輪、操倒航手柄與駕控臺(tái)安裝物理接口；與艇電源有DC 24 V 接口，為模塊提供動(dòng)力；與操舵倒航模塊有位移信號(hào)反饋接口。

4 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)與實(shí)例

模塊化設(shè)計(jì)的最后一步對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的目的是篩選最優(yōu)方案，減少不合理設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，確保最終產(chǎn)品能夠滿足用戶需求。本文將噴水推進(jìn)裝置的評(píng)價(jià)體系分為2 個(gè)層級(jí)：一是對(duì)其功能特性的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，即產(chǎn)品的各項(xiàng)功能指標(biāo)與用戶需求的契合度；二是對(duì)設(shè)計(jì)的模塊化/標(biāo)準(zhǔn)化特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如設(shè)計(jì)模塊的技術(shù)成熟性、獨(dú)立性、通用性和可擴(kuò)展性；標(biāo)準(zhǔn)化特性方面指標(biāo)有零部件、接口及材料等的標(biāo)準(zhǔn)化情況。

上述評(píng)價(jià)指標(biāo)中既有定量的又有定性的成分，定義各指標(biāo)的權(quán)重也會(huì)受到多因素的影響。例如，高速滑行艇一般追求噴水推進(jìn)裝置的性能、外形重量和模塊式的設(shè)計(jì)，而工作艇、拖船等類型船舶則更關(guān)注設(shè)備的操縱性、經(jīng)濟(jì)性和可靠耐用程度。因此，評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重定義是一個(gè)主觀性較強(qiáng)的過(guò)程，需要根據(jù)具體案例來(lái)調(diào)整。文獻(xiàn)[5]中介紹了分析指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)的方法，如加權(quán)平均法、層次平均法和模糊綜合決策等。本文采用了加權(quán)平均的方法：

表 2 13 m 小艇噴水推進(jìn)裝置總體方案設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)Tab. 2 Design evaluation of the waterjet-unit in 13 m boat project

基于該思路設(shè)計(jì)并制造用于某型艇的模塊化噴水推進(jìn)裝置。該艇總長(zhǎng)約13 m，設(shè)計(jì)吃水1.6 m，滿載排水量13 t。動(dòng)力系統(tǒng)采用雙機(jī)雙噴水推進(jìn)，主機(jī)最大功率320 kW。在總體方案階段，根據(jù)用戶需求提出了HL350（混流泵主尺度350 mm）和ZL460（軸流泵主尺度460 mm）兩型噴水推進(jìn)方案，對(duì)這兩型方案的評(píng)價(jià)如表2 所示。

綜合評(píng)價(jià)選擇在快速性、制造成本方面有較大優(yōu)勢(shì)的ZL460 型設(shè)計(jì)方案，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。本裝置的各功能模塊連接關(guān)系如圖4 所示，設(shè)計(jì)中借鑒了模型庫(kù)中的現(xiàn)有成熟模型，注重對(duì)各模塊采用獨(dú)立封裝設(shè)計(jì)，如推力軸承組模塊、操舵倒航模塊、液壓控制模塊等組件，便于裝配維修，模塊的獨(dú)立性和組合性較高。在零部件和接口設(shè)計(jì)中，盡可能選用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，減少部件種類，外部采用標(biāo)準(zhǔn)接口以便于設(shè)備在其他船艇上的應(yīng)用。

圖 4 ZL460 型噴水推進(jìn)裝置子功能模塊連接關(guān)系Fig. 4 Relationship between the sub-functional modules of ZL460 waterjet

本型噴水推進(jìn)裝置在實(shí)艇應(yīng)用中取得了良好的試航效果?？焖傩?、操縱性、尺寸重量、經(jīng)濟(jì)性等主要指標(biāo)全部達(dá)成，在安裝維護(hù)、可靠性、可維修、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化等方面也獲得了用戶的肯定。該裝置可拓展應(yīng)用至單機(jī)功率最大350 kW，航速10～35 kn 區(qū)間內(nèi)的鋼制、鋁制和玻璃鋼制高性能船艇。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文初步探討了模塊化小型噴水推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)思路，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展有一定借鑒意義。文中對(duì)噴水推進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)的研究尚處于起步階段，存在著模塊庫(kù)不完善、評(píng)價(jià)體系不健全等不足，隨著理解的深入，其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)將逐漸體現(xiàn)。今后噴水推進(jìn)裝置將不僅是單獨(dú)的推進(jìn)設(shè)備，而是集合了轉(zhuǎn)速控制、主機(jī)冷卻、縱傾調(diào)節(jié)、智能控制等多元功能的綜合推進(jìn)系統(tǒng)。采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，將有助于這些功能在噴水推進(jìn)裝置上的集成實(shí)現(xiàn)。