一种新型喷水推进器的设计及其关键技术

一种新型喷水推进器的设计及其关键技术 28液压与气动2008年第5期 一 种新型喷水推进器的设计及其关键技术 李晓晖,朱玉泉,聂松林 ANewTypeofWaterjetPropulsionanditsKeyTechniques LIXiao-hui,ZHUYu-quan,NIESong-lin (华中科技大学饥械学院液压教研室,湖北武汉430074) 摘要:针对当前喷水推进装置存在的问题,主要介绍了一种采用容积式液压泵进 行喷射推进的新型 喷水推进器的基本原理和结构特点,提出了需要解决的关键技术,并对这种新型 喷水推进器的应用作了预 测和探索 关键词:喷水推进器;容积式液压泵;关键技术;应用状况 中图分类号:TH137文献标识码:B文章编号:1000—4858(2008)05—0028—05 1引言 喷水推进器作为一种特殊的推进装置,早在l9世 纪末,就最早应用干船舶推进.在喷水推进器技术诞 生的340年的历程中,大致经历了液泵式喷水推进,间 歇式喷水推进,底板式喷水推进,尾板式喷水推进和 舷外喷水推进5个阶段.随着船舶工业的不断发展, 尤其是战争给军事领域技术带来的不断挑战,推进器 技术成为决定海上战争的关键,隐身技术和精确制导 技术要求推进器不仅具有高速度,而且要有低噪声,推 进器技术也由此产生了巨大的变化,从传统的螺旋桨推 进器发展到今天各种特色的泵喷推进器,磁流体推进 以及固体火箭发动机推进器.最初由于理论还不成熟, 工艺水平低F,喷水推进的效率很低,不能满足人们的 需要.因此,在很长的一段时期内,喷水推进的研究和 应用处于停滞状态,而螺旋桨推进长期以来一直占主 导地位,从目前在船舶的应用来看,尾板式喷水推进已 成为喷水推进的首选方式”,. 2当前喷水推进装置的特点.l 螺旋桨推进器和轴流泵推进器仍然是当前水面舰 艇,船只及水下航行器推进装置的主流,随着科学技术 的发展,相对于螺旋桨推进器而言,以轴流泵为主动力 源的现代喷水推进器克服了其效率低下的缺点,而且 越来越显示出传统螺旋桨推进器所无法比拟的优越 性.轴流泵喷水推进器的主要优点表现为抗空泡能力 强,推进效率高;振动小,噪声较低;附体阻力小,适 宜浅水航行,减小了浅水效应;在一定程度上可实现矢 量推进,操纵和动力定位性能较好;推进泵的叶轮在 导管中受到较好的保护,空穴和气蚀不易对轴流泵的 叶轮和叶片产生严重破坏,保护性能增强;在船舶工 况发生变化的条件下,能充分吸收主机功率,调节和适 应工矿的变化能力强.但是作为一种理想的推进装置, 喷水推进尚存的不足之处为: (1)机械传动机构仍然比较复杂,体积庞大.由于 增加了外壳体的保护,推进泵叶轮的拆换比螺旋桨复 杂; (2)由于增加了管道中水的重量,导致航行器的排 水量增大,效率有所降低.进水口损失的功率约占主 机总功率的7%,9%.在水草或杂物较多的水域,进 水口容易堵塞; (3)推进效率在航速较低时比传统螺旋桨的低; (4)在航行过程中产生的空气辐射噪声仍较大; (5)推力矢量化程度低,特别在航行器转弯时其推 力会丧失; (6)缺乏一套操作灵敏,水动力学性能优异的倒车 装置; (7)喷水推进器的浅吃水航行带来了在沙砾较多的 水域碎石和沙砾吸入系统的风险. 泵喷推进发动机装置的核心部件泵都是轴流泵, 收稿日期:2007—11—23 作者简介:李晓晖(1972一),男,山西太原人,讲师,在职 博士研究生,主要从事水压传动技术和喷水推进等方面的 研究和教学工作. 2008年第5期液压与气动29 混流泵或离心泵,,尽管在加速性,高航速,浅吃水航 行,无可比拟的操纵性和舒适安静的航程,可靠性等性 能方面的技术进步比传统的螺旋桨推进方式更优越; 但是目前还处于日臻完善过程中的船用喷水推进技术 也还有诸如体积大,传动机构复杂,空穴对叶轮的破 坏,喷水推进装置进水口的功率损失及其噪声大等需 要克服的缺点.当今世界潜艇及水下航行器的噪声问 题一直是影响潜艇隐蔽性的关键因素,大多数水下航 行器为了降低航行中的噪声,其推进技术采用提高螺 旋浆的加工精度和采用轴流泵推进代替螺旋浆推进, 基于这两种推进技术的结构局限于其工作原理,均采 用置于潜艇舱外的外悬式安装,为达到精确制导的降 噪问题尚未彻底解决.国内外水下高速航行器的研究 趋势是体积小型化,航行隐形化,进攻高速化,制导精 确化,纵观国内外水下航行器轴流泵推进器技术的应 用,改变传统的轴流泵推进技术的新 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 采用系列模 块化制造技术,以无轴推进技术为主要发展趋势.随 着水压传动技术的发展,以海(淡)水为介质的容积式 液压泵的研究技术取得卜定的突破,为容积式液压 泵喷水推进技术的应用奠定了基础.因此,采用容积 式液压泵作为推进喷射泵符合当前推进技术的发展趋 势,不失为水下航行器无轴推进技术的一种选择. 3容积式液压泵喷水推进器的基本原理与结构特点 喷水推进的基本原理是通过向与舰船等航行器运 动相反的方向喷射加速后的水流,使船体受到水流的 反作用力而产生推力.如图1所示,推力的大小等于流 经推进器流道的流体在单位时间内的动量变化率: T=pq(e厂)(1) R=cR/2(2) 式中:为喷水推进器产生的推力(kN);q为流经流道 水流的流量(m/s);v为喷水的流速(m/s);v为航行器 的航速(m/s);为航行器的行进阻力;C为阻力系数; 为航行器的浸湿表面积,D=rDL,D为航行器的直径, 为航行器的长度.当?时,航行器在推力作用下 前进. 喷水推进器的理想效率为: = 2/(1+七)(3) 式中:k为喷速1,i与航速1,之比,即k=~/v.而实际喷 ? 一 ?三?》 图1喷水推进原理示意图 水推进器的效率叩为喷水推进泵效率叩和系统效率 叩之乘积: 叩T=叩P’叩c(4) 而叩P=Pq102No(5) 叩c=9.81TYsqH(6) 式中:q为喷水推进泵的流量(m/s);为推进泵的扬 程(m);No为推进泵的输入功率(kW);T为推进泵产 生的推力(N);P为水的比重(kg/m). 一 般来说,当前传统的喷水推进器主要由进水管, 喷口,泵及传动装置,操舵和倒车装置等结构组成.按 照在舰船上的布置,可分为外悬式和内藏式两种形式. 外悬式适用于重负荷大中型运输船和工作船,也适用 于安静型潜艇和大型登陆舰等军用舰艇;内藏式主要 适用于高性能船,高速军用舰艇及浅吃水内河船等.如 图2a所示,容积式液压泵喷水推进器的结构特征在于 电机5,联轴器6,容积式喷射泵7和喷嘴9均置于航 行器的舱体内.容积式喷射泵7通过联轴器6与电机 5相连.吸水口2位于舱体1的头部,其吸水端通过 吸水管路4与容积式喷射泵7的进水口相连,吸水口2 的进水口处设有过滤器3.喷嘴9位于舱体1的尾部, 并通过出水管路8与容积式喷射泵7的出水口相连, 溢流阀l0(图2b)并联在容积式喷射泵7的出水口,起 到过载安全保护作用.该水下推进器可以安装在各种 航行器的舱体1内,利用位于水下舱体1的容积式喷射 泵7,将本应排开的航行器运动前方的流体(海水)通 过置于舱体1前端的吸水口2吸入,海水经过滤器3 过滤掉海水中的杂质后,再经吸水管路4吸入水下推 进器的核心部件容积式喷射泵7.进入容积式喷射泵 7的海水在喷嘴9的阻尼作用下被加压成高压后,通过 出水管路8输出到舱体1尾部的喷嘴9向舱体1运动 的相反方向喷射,形成高压水淹没射流,从而对舱体1 产生巨大的反推力.容积式液压泵喷水推进器相应的 液压系统原理如图2b所示.电机5驱动容积式喷射 泵7,根据容积式喷射泵的工作特性,容积式喷射泵从 大海(实验室指水箱)吸入海水,输出的水流通过管 ,通过喷嘴9喷射出. 道进入置于舱体1尾部的喷嘴腔 根据动量定理和伯努利方程的原理,通过喷嘴的水射 流会产生巨大的反推力,溢流阀l0是本推进器的安全 阀.通过调节电机的转速控制容积式喷射泵输出到喷 嘴的压力和流量,从而调节水],型高速推进发动机产 生不同的反推力,改变喷嘴的水射流方向调节水下航行 器的前进方向. 30液压与气动2008年第5期 l23456789 a)结构 ll310 b)原理图 图2容积式液压泵喷水推进器简图 4容积式液压泵喷水推进器的关键技术 4,1适用于海水介质的中高压大流量容积式喷水推 进泵 基于容积式液压泵喷水推进器的特征,采用内藏 式的安装,有利于降低航行器的空气辐射噪声.容积 式液压泵是这种新型水下推进器的关键动力元件,其 性能,寿命直接影响推进器的应用和发展,尤其是在适 用于海水性质的海洋环境中.海水的理化性能与矿物 型液压油差别很大,给海(淡)水轴向柱塞泵的研究带 来了严峻的技术挑战,特别是在泵的摩擦副中,不仅存 在接触比压大,运动速度高,而且可能由于水的贯通而 导致润滑性介质的润滑性能差和腐蚀性严重,因而容 易发生泄漏和产生严重的磨损,因此摩擦副设计成为 海水液压泵最突出的研制难点.美国,英国,日本,德国, 芬兰等国早在20世纪70年代即开始海水液压传动技 术的研究,中高压海(淡)水液压泵及相关海(淡)水 液压元件的研究取得很大进展,以丹麦Danfoss公司 的PAH系列轴向柱塞泵的部分成果已经形成产品投 放市场,其特点是运动面采用PEEK工程树脂 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与 不锈钢材料的配合.相对西方发达国家,我国水压传 动技术的研究起步较晚,开始于20世纪90年代.目 前华中科技大学,浙江大学已进行了比较深入地研究, 并取得了许多一定的成果,研制成了低压小流量阀配流 水压柱塞泵的样机,其他院校如昆明理工大学,重庆大 学,厦门大学,西安交通大学等已开展了相应的研究. 为了开发适用于海水介质的中高压大流量容积式 喷水推进泵,我校在原有技术的基础之上提出了开发 斜盘连杆油水分离式柱塞配流海(淡)水轴向柱塞泵, 其关键技术难题有以下几个方面. 1)腐蚀问题 海水中丰富的氯离子对各种金属钝化膜有很强的 渗透力,具有很大的腐蚀破坏作用;而且海水中的离子 浓度高,导电眭强,更容易造成金属之间的电偶腐蚀,金 属表面的点蚀,缝隙腐蚀,晶间腐蚀等问题. 2)润滑问题 海水的黏度很低,仅为液压油的1/40,1/50,导 致对偶摩擦副中难以形成液体润滑膜,往往产生干摩 擦,这势必造成摩擦副之间摩擦功率损耗增大,磨损加 剧,引发失效. 3)泄漏问题 由于海水的黏度比油小的多,因此,据测算,在同 等压力下因黏度不同,水压传动元件的泄漏量将是油 压传动元件泄漏量的30,40倍以上,这将使液压泵 的容积效率大大降低.如果采取减小间隙配合方式解 决,水压传动元件的配合间隙约为0.004,0.009mm. 如此小的配合间隙,一方面零件加工十分困难,另一方 面运动副工作时极易出现堵塞,卡死现象.同时,密封 间隙的减小,又会使润滑膜厚度减小,元件的磨损加 大,继而导致密封迅速失效.由此可见,耐磨损和防泄 漏是一对矛盾的问题,很难同时满足. 4)气蚀问题 泵的吸人流速过快,很容易发生气蚀.气蚀一方面 会导致吸入不足,另一方面会加剧零件的气蚀腐蚀.由 于海(淡)水的汽化压力比油高,因此,海(淡)水柱塞 泵发生气蚀时比油压柱塞泵发生气蚀时后果会更加严 重. 5)冷却问题 斜盘连杆油水分离式柱塞配流海(淡)水轴向柱 塞泵的柱塞往返速度不受阀门惯性的限制,所以转速 可以达到很高,体积可以做得相对较小,速度高则摩擦 ,油水分离式结构中,润 热大,体积lb~,ll散热困难.此外 滑油始终呆在泵内的润滑腔,这也严重影响了泵热量 的向外传递. 6)疲劳破坏问题 泵需要周期性的吸入和压出海水,由于泵的压力 高,转速高,使得泵的主轴和轴承等零部件承受着很大 的交变应力,很容易发生疲劳破坏现象. 针对上述问题,斜盘连杆油水分离式柱塞配流海 (淡)水轴向柱塞泵采用柱塞配流及端面螺旋配流槽 的结构研究,适用于海水介质的柱塞及柱塞套之间不 同新型材料的摩擦副配对研究,适用于海水介质密封 的流体动密封技术的研究,柱塞缸套以及配流副的压 力场,速度场等的模拟仿真对磨损和泄漏的影响,诸如 2008年第5期液压与气动3l 传动轴,柱塞等运动部件运动学及动力学的模态分析 都将成为研究的重点. 4.2进水口的形状位置 进水口的形状和位置取决于船型和喷水系统的形 式.对于进水口的设计应予充分注意,因为进水口损失 总是大于其他任何管段区域的损失,而且在高速时进口 端可能会产生空泡或泵的吸入不足.设计时应当使进 口在各种航行条件下都能向泵提供充足的水流,同时, 不致在进口的任何部位产生涡流和空泡,而且还应使 进口的内部损失和外部阻力尽量减少.采用FLUENT 软件对水下航行器模拟样机进水口的流场进行参数敏 感性分析,并对整个水下航行器的流场特性进行研究, 对这新型喷水推进器的喷射泵进水口的形状和位置优 化,对其系统的运动阻力特性,振动和噪声特性分析. 4_3喷嘴的结构参数 喷嘴是水射流技术应用中获得高能量利用率的关 键因素之一,对射流质量有重要影响.利用从喷嘴射出 的具有很大动量的射流进行喷水推进,喷嘴结构与射 流性能之间的关系,提高射流质量非常重要.喷嘴结 构是指喷嘴的流道形状与几何尺寸,喷嘴的流动特性即 水力特性是指它所形成的射流扩散角的大小,等速核 长度以及喷嘴流量系数的大小,对喷嘴结构与射流动 力性能关系主要包括理论分析,数值仿真和实验研究. 在喷水推进中,喷嘴的结构对射流的质量更加重要,尽 可能消除射流中空泡的能量损失.随着对中高压水 射流技术的研究工作不断进展,研制新型优质喷嘴的 重要性越来越明显,主要包括喷嘴的内截面形状,表面 加工精度,表面粗糙度,材质和热处理等工艺要求;以 通过喷嘴的高压,高速流体的推进力最大为目标,采用 FIENT软件喷嘴的流场进行分析,优化喷嘴结构及 参数优化设计,对优化的各种喷嘴和喷射腔进行试验 研究. 4,4系统总推进效率 传统的喷水推进器的总推进效率如 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 (4)所示, 包括水泵效率和系统效率.作为采用容积式液压泵推 进器的系统效率涉及到了喷嘴的效率,由于高压条件下 喷嘴的空泡作用产生的气蚀能量损失,使得系统效率 降低.公式(4)表明水泵效率的提高,总的推进效率也 相应的提高.这对提高航速十分有利,而航速又是高 性能舰艇追求的主要技术性能指标.航行中推进泵需 要长时间的连续运转,在燃油储备一定的情况下,提高 泵效率可以增加续航能力.所以推进泵效率的高低将 直接影响舰艇的总体性能.为了减小喷嘴在高压下的 气蚀能量损失,必须选择合理的喷嘴结构,避免在喷嘴 的射流形成大量的空泡产生而导致增加系统的能量损 耗,从而提高系统的效率.当然,从节约能源出发,提高 推进泵效率和减少喷嘴气蚀能量的损耗,同样有着重 要的现实意义. 4,5其他因素 中高压喷水推进技术中推力的矢量化程度也是决 定这一技术在实际应用中的关键,矢量化技术是当前 推进技术的一个难点和重点.通过改变喷嘴的方向实 现矢量化推进,在航空领域已经实现;但在深海运行 中,将涉及到深海密封,材料的耐腐蚀,海洋流场对航 行器造成的干扰力的控制精度等将有特殊的要求;海 水水深对这种新型喷水推进器的推力特性也会产生重 要影响,在不同水深处,水下航行器进水口,喷嘴出水口 的位置对中高压喷水推进技术的矢量推力控制要求不 同.为了便于船艇的布置以及减少排水量,喷水推进泵 要求其体积尺寸小,重量轻,耐海水腐蚀,并且安装,维 修,拆卸方便,易于组装化. 5结束语 华中科技大学首次提出了采用容积式液压泵的喷 水推进技术,在试验研究基础上,建立吸入口,喷射腔 和喷嘴系统流场的数学模型,通过数字仿真对这种喷 水推进器系统的静,动态特性进行研究分析,对中高压 喷水推进系统工作效率进行分析研究,寻求提高系统 工作效率的途径,为喷水推进器的实用化奠定理论和 试验基础.容积式液压泵自吸能力好,容积效率高,因 此可以直接置于航行器的舱内,这种技术方案不仅结 构简单,而且与置于舱外的螺旋浆式和轴流泵的泵喷 式推进装置相比,减少了复杂的传动机构,加之容积式 液压泵的本体噪声相对较低,这种方案有利于降低航 行器产生的空气辐射噪声.根据容积式液压泵特有的 工作性能,将本应排开的航行体运动前方的流体由喷 射泵通过置于航行体前端的吸水口吸入,经泵加压成 高压后经航行体尾部的喷嘴向航行体运动的相反方向 喷射出,从而对航行体产生巨大的反推力,大大降低了 航行器的阻力,减小与海水的摩擦面,有助于进一步降 低航行器的行进噪声,提高航行器的行进航速.因此, 这种新型喷水推进器在若干关键技术取得突破之后, 可以适应海洋开发船舶机器设备在安全性,机动灵活 性,隐蔽性,高效和环境保护等各方面的要求,在海底石 油开采,水下作业工具,水下作业机器人以及载人潜水 32液压与气动2008年第5期 吸扫式扫路车液压系统的总体设计与研究 徐宁’,钟汉如 AnOverallDesignandResearchoftheSweepingandSuction Sweeper’HydraulicSystem XUNingZHONGHan.ru (1.广东建设职业技术学院机电工程系,广东广州510450;2.华南理工大学工业装 备与控制工程学院,广东广州510640) 摘要:介绍了吸扫式扫路车三级分离驱动液压系统的设计思路和设计要点,对设 计中发现的问题提出 了解决方法,并给出了液压系统的工作原理图.实际应用表明,该系统具有结构简 单,工作稳定可靠,维修方便 的特点. 关键词:吸扫式扫路车:液压系统;设计 中图分类号:TH137.3文献标识码:B文章编号:1000--4858(2008)05--0032--03 1引言 吸扫式扫路车(sweepingandsuctionsweeper) 配备有清扫系统和由风机(或其他抽气装置),吸嘴,风 道,垃圾箱等组成的气力输送系统.在清扫作业时,利 用盘刷将路面垃圾扫至吸嘴前面,再利用风机(或其他 抽气装置)运转时在气力输送系统中所产生的动压和 静压,通过吸嘴将垃圾吸人垃圾箱内,以达到清除路面 垃圾的目的’. 吸扫式扫路车的许多动作都是通过液压系统实现 的,如驱动风机工作;盘刷的旋转和摆动;垃圾箱的 举升,下落,以及垃圾箱后门的启闭,锁紧等.该液压 系统由副发动机提供动力,这样可使各清扫工作机构不 受车速变化的影响. 因为液压驱动属于软驱动,可有效地减少冲击振 动和运动部件加减速的附加载荷,延长了各元器件的使 用寿命和提高了各元器件的可靠性. 液压系统易出故障,且液压转换效率较低,因此其 技术性能和可靠性直接决定了扫路车的使用性能和可靠 性.为此在液压元器件的选用上既要考虑基本I生能和设 计相符,还要考虑体积,安装和可靠性等一系列因素. 收稿日期:2008—01—19 基金项目:广东省粤港关健领域重点突破项目(2004A1 0403023) 作者简介:徐宁(1966一),男,江苏宜兴人,工程师,讲 师,硕士,主要从事计算机辅助设计,机械装备自动控制理 论及应用,工程图学等教学与科研工作. 器,传统的深海潜器ROv//AUV装备中将会显示出使 用优势,在船舶工业装备以及海洋工程领域中开展极 限深度下作业具有一定的应用前景?.. 参考文献: [1]金平仲.船舶喷水推进[M].北京:国防工业出版 社,1986 [2]吴梵,陈昕.喷水推进装置及其在舰艇上的应用[J].海 军工程大学学报,2003,15(6):44-48. 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