液壓式可調(diào)距螺旋槳調(diào)距時(shí)間分析

謝清程，倪衛(wèi)國(guó)，易小冬

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

液壓式可調(diào)螺距螺旋槳由液壓動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)調(diào)距機(jī)構(gòu)來執(zhí)行螺距調(diào)距動(dòng)作，其調(diào)距時(shí)間參數(shù)一般是指其液壓系統(tǒng)調(diào)距用電液比例閥＋電液換向閥全部開啟時(shí)，從某一負(fù)螺距調(diào)節(jié)至某一正車螺距或某一正螺距調(diào)節(jié)至某一倒車螺距的時(shí)間，調(diào)距時(shí)間能力指標(biāo)取決于液壓系統(tǒng)的流量。隨著船舶的大型化和高速化發(fā)展，可調(diào)螺距螺旋槳越來越大型化，簡(jiǎn)單地按現(xiàn)有的規(guī)范來規(guī)定可調(diào)螺距螺旋槳的調(diào)距時(shí)間會(huì)使液壓系統(tǒng)流量過于富余，使得大尺寸可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)液壓?jiǎn)卧?寸過于龐大，不但增加成本，而且不利于機(jī)艙空間布置。

本文通過對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳調(diào)距速率特性、實(shí)際需求的調(diào)距時(shí)間等方面進(jìn)行分析，認(rèn)為現(xiàn)有的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的參數(shù)不太適合大尺寸可調(diào)螺距螺旋槳，其合理的調(diào)距時(shí)間指標(biāo)應(yīng)根據(jù)船舶特點(diǎn)、主機(jī)特性、操縱需求確定的船舶推進(jìn)聯(lián)控曲線來決定，可以使設(shè)計(jì)或選型的可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)尺寸、重量明顯減小，也更為節(jié)能。

1 調(diào)距過程螺距變化速率分析

圖1為典型液壓式可調(diào)螺距螺旋槳槳轂結(jié)構(gòu) 示意圖。

圖1 液壓式可調(diào)螺距螺旋槳典型槳轂結(jié)構(gòu)示意圖

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是槳轂調(diào)距采用的一種常用結(jié)構(gòu)，調(diào)距機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖如圖2所示：活塞1與活塞桿導(dǎo)架2剛性連接，當(dāng)活塞作軸向直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊3一方面在活塞桿垂向滑槽內(nèi)滑動(dòng)；另一方面，因滑塊內(nèi)孔套裝在曲柄盤偏心曲柄銷上，從而帶動(dòng)曲柄盤在扇形區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)。假定圖中S1和S2分別表示曲柄銷“垂直”位至全倒車位置的活塞行程、曲柄銷“垂直”位至全正車位置的活塞行程，對(duì)應(yīng)的螺距角變化為φ1和φ2。

圖2 曲柄滑塊式調(diào)距機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

設(shè)S為活塞行程參數(shù)（m），φ為螺距角變化 參數(shù)（°），β為對(duì)應(yīng)的槳葉螺距角（°），曲柄銷半徑為rpin，曲柄銷“垂直”時(shí)φ＝0，對(duì)應(yīng)螺距角為β0，則有

在分析槳轂伺服油缸調(diào)距能力時(shí)，假定調(diào)距過程中調(diào)距閥口全開，按配置的液壓系統(tǒng)最大有效流量均速進(jìn)行調(diào)距，即調(diào)距伺服油缸活塞行程速率為常數(shù)S/T，式（2）變?yōu)?/p>

式中：S為全倒車至全正車的總行程。S＝S1＋S2；T為對(duì)應(yīng)的調(diào)距時(shí)間，s。

從式（4）可知，當(dāng)調(diào)距伺服油缸活塞勻速變化時(shí)，螺距角變化速率為非線性，螺距角變化速率與調(diào)距時(shí)間成反比。如圖1所示，正車調(diào)距時(shí)為伺服油缸無桿腔進(jìn)油，倒車調(diào)距為伺服油缸有桿腔進(jìn)油。在相同的流量下，當(dāng)調(diào)距閥口全開時(shí)，倒車調(diào)距速率快于正車調(diào)距速率，即正車調(diào)距時(shí)間大于倒車調(diào)距時(shí)間，所以在計(jì)算所需液壓系統(tǒng)流量時(shí)，只計(jì)算正車調(diào)距工況即可。正車調(diào)距時(shí)，設(shè)液壓系統(tǒng)調(diào)距有效額定流量（不考慮系統(tǒng)泄漏量）為Qe，可得式（6）。

圖3 螺距變化速率與螺距角的關(guān)系

從式（6）和圖3中可知：調(diào)距時(shí)螺距變化速率與液壓系統(tǒng)流量成正比，與調(diào)距伺服油缸直徑Doil的平方成反比。對(duì)于確定的槳轂曲柄銷直徑rpin，如調(diào)距壓力一定，調(diào)距伺服油缸直徑越大，意味著轉(zhuǎn)葉調(diào)距扭矩越大，調(diào)距能力越強(qiáng)；如調(diào)距速率相同時(shí)，需要配置的液壓系統(tǒng)流量也就越大。同樣，當(dāng)伺服油缸直徑小時(shí)，如調(diào)距速率相同，需要的液壓系統(tǒng)流量就小，如壓力不變時(shí)，其轉(zhuǎn)葉調(diào)距扭矩也小。一般來說，Doil約為（0.55～0.70）d_hub。調(diào)距螺距變化速率隨螺距角按正割函數(shù)變化，最小值位于β－β0＝0時(shí)。

2 調(diào)距時(shí)間指標(biāo)要求情況及實(shí)船真實(shí)需求

調(diào)距槳裝置作為主推進(jìn)器時(shí)，按各大船級(jí)社規(guī)范或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于液壓式驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳裝置都要求配置主、備泵組以提高系統(tǒng)使用可靠性，但國(guó)外船級(jí)社[1-2]未對(duì)調(diào)距槳主備泵怎樣工作來達(dá)到調(diào)距時(shí)間指標(biāo)要求作出明確規(guī)定。中國(guó)船級(jí)社鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[3]規(guī)定：調(diào)距時(shí)間（1/3全正螺距?1/3全負(fù)螺距）≤15 s，也未明確是單電動(dòng)泵（組）能力必須滿足還是可以采用主泵組、備泵組一起工作來實(shí)現(xiàn)。

GB/T 13411—1992船用可調(diào)螺距螺旋槳技術(shù)條件及美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)DOD-P-24562A[4]中對(duì)調(diào)距時(shí)間的規(guī)定為調(diào)距槳在額定轉(zhuǎn)速下自全正車至全倒車（或反向）的調(diào)距時(shí)間應(yīng)符合表1的要求（除另有要求外）。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)DOD-P-24562A特地指出，對(duì)于液壓式螺距調(diào)節(jié)調(diào)距槳，單電動(dòng)泵（組）能力應(yīng)滿足表中調(diào)距能力?！杜灤烧{(diào)螺距螺旋槳規(guī)范》規(guī)定：調(diào)距槳的正倒車方向時(shí)間應(yīng)符合合同要求，沒有對(duì)調(diào)距時(shí)間作具體指標(biāo)要求。

表1 按功率范圍要求的調(diào)距時(shí)間對(duì)應(yīng)表

國(guó)外一些調(diào)距槳廠家，譬如RR AB公司（KaMeWa）在可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用主、備泵組一起工作來滿足調(diào)距時(shí)間指標(biāo)要求，僅采用1組泵組時(shí)，調(diào)距時(shí)間則相當(dāng)于原指標(biāo)要求的2倍。我國(guó)在設(shè)計(jì)可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)時(shí)，往往要求主泵組或備泵組單獨(dú)工作時(shí)調(diào)距時(shí)間（能力）需要滿足規(guī)范要求。

圖4和圖5為安裝可調(diào)螺距螺旋槳裝置的船舶推進(jìn)聯(lián)控曲線圖例。圖4中的控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單：當(dāng)手柄在正車30%與倒車20%范圍內(nèi)變化時(shí)，航速主要由調(diào)節(jié)螺距來控制，軸轉(zhuǎn)速則保持不變；當(dāng)?shù)竭_(dá)最大螺距以后，則由增加轉(zhuǎn)速來增加航速。圖5表示在整個(gè)手柄控制范圍內(nèi)，不同的軸轉(zhuǎn)速來對(duì)應(yīng)不同的螺距的控制策略，則對(duì)控制來講更加合理，但控制相對(duì)復(fù)雜一些，圖5中點(diǎn)畫線則表示適用PTO機(jī)帶發(fā)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)速模式下的螺距變化曲線。

按照推進(jìn)系統(tǒng)的要求，在所有操縱模式下，調(diào)距速度均應(yīng)如式（6）所示滿足推進(jìn)系統(tǒng)聯(lián)控中實(shí)船螺距調(diào)節(jié)速率的要求，這樣才能保證船舶的機(jī)動(dòng)操縱性能。聯(lián)控中的實(shí)船螺距調(diào)節(jié)速率的確定不但與船舶主機(jī)有關(guān)，還與船舶阻力、航速、噸位、慣性及船舶使用模式等有關(guān)。一般來說，大尺寸螺旋槳配置的大型船舶慣性大，機(jī)動(dòng)性要求也不像小噸位船舶高，實(shí)船螺距調(diào)節(jié)速率往往要求也低于中小噸位的船舶，其值在整個(gè)調(diào)距過程中并不一定為定值。

圖4 控制信號(hào)與軸轉(zhuǎn)速、螺距角的關(guān)系[5]

圖5 螺距/軸轉(zhuǎn)速聯(lián)控曲線

譬如某3 000噸級(jí)船舶的最大螺距調(diào)節(jié)速率約為2.0(°)/s，而某萬噸級(jí)船舶的最大螺距調(diào)節(jié)速率約為0.6(°)/s，螺距調(diào)節(jié)速率的具體確定屬船舶推進(jìn)系統(tǒng)的范疇，在此不展開論述。聯(lián)控中的實(shí)船螺距調(diào)節(jié)速率一般通過控制可調(diào)螺距螺旋槳裝置電液系統(tǒng)的比例閥的開啟大小來實(shí)現(xiàn)。

3 調(diào)距時(shí)間參數(shù)指標(biāo)對(duì)液壓?jiǎn)卧挠绊懛治?/h2>

為了說明調(diào)距時(shí)間指標(biāo)對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)的影響，在此列舉2個(gè)實(shí)例。一般地，液壓?jiǎn)卧獮榭烧{(diào)螺距螺旋槳液壓系統(tǒng)的主要部件，其上集成有主用、備用調(diào)距泵組（包括電機(jī)和液壓泵），調(diào)距主閥塊、濾器等，如果是自帶油箱，則包含主油箱。

按中國(guó)船級(jí)社規(guī)范[3]的調(diào)距時(shí)間要求對(duì)某一槳轂直徑約為1 700 mm的可調(diào)螺距螺旋槳裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，液壓系統(tǒng)液壓?jiǎn)卧?、備泵組額定流量均達(dá)到330 L/min，對(duì)應(yīng)電機(jī)額定功率達(dá)75 kW，液壓?jiǎn)卧叽鐬? 400 mm×1 835 mm×1 835 mm，重量（不含液壓油）約為3.9 t，如根據(jù)船舶實(shí)船可接受的調(diào)距速率要求將調(diào)距時(shí)間指標(biāo)延長(zhǎng)80%，則液壓?jiǎn)卧媒M電機(jī)功率可減小到34.5 kW，尺寸減小為2 000 mm×1 500 mm×1 750 mm，重量相應(yīng)可降低至約2.0 t。

又譬如某一萬噸級(jí)船舶，采用的可調(diào)螺距螺旋槳調(diào)距時(shí)間比GB/T 13411—1992標(biāo)準(zhǔn)中的時(shí)間延長(zhǎng)了120%，仍可很好地滿足推進(jìn)系統(tǒng)的螺距變化速率要求，但額定流量可由原來的550 L/min降低到250 L/min，液壓?jiǎn)卧靡源蟠鬁p小，其控制也變得相對(duì)容易。

眾所周知，可調(diào)螺距螺旋槳絕大部分時(shí)間（約超過95%的時(shí)間）處于螺距保持工況，即穩(wěn)距狀態(tài)，系統(tǒng)液壓壓力油通過溢流閥流回油箱，液壓泵輸出功率幾乎全部用于系統(tǒng)發(fā)熱，發(fā)熱量H（kW）計(jì)算公式如下：

式中：H為發(fā)熱量，kW；Pp為液壓泵的穩(wěn)距最大工作壓力，MPa；Qp為穩(wěn)距時(shí)系統(tǒng)流量，L/min；чp為液壓泵的總效率。

從式（8）可知，系統(tǒng)發(fā)熱量與液壓系統(tǒng)流量成正比，當(dāng)選用流量較小的液壓?jiǎn)卧獣r(shí)，系統(tǒng)的發(fā)熱量也相應(yīng)減小。

4 結(jié)論

本文對(duì)可調(diào)螺距螺旋槳調(diào)距時(shí)間這一重要參數(shù)進(jìn)行了分析，鑒于目前我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的調(diào)距時(shí)間指標(biāo)的局限性，對(duì)于大型液壓式可調(diào)螺距螺旋槳的調(diào)距時(shí)間，應(yīng)結(jié)合使用船舶的實(shí)際操控需要，在調(diào)距速度變化率滿足所有操縱模式的前提下來確定合理的調(diào)距時(shí)間，則可大幅值減小液壓系統(tǒng)液壓?jiǎn)卧某叽绾椭亓?，不但可降低產(chǎn)品成本，利于船舶機(jī)艙布置，還可降低使用中系統(tǒng)的發(fā)熱量。