三種特殊驅(qū)動器的對比分析

三種特殊驅(qū)動器的對比分析

0艦隊推進(jìn)性能和操縱性能的要求隨著船舶和海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及不同的運營條件下的船舶提升和運營能力的不同要求。目前常見的艦船推進(jìn)方式除了常規(guī)的螺旋槳推進(jìn)器以外,噴水推進(jìn)器、直翼推進(jìn)器、吊艙推進(jìn)器這三種特殊推進(jìn)器使用也比較廣泛,它們各有特點,適應(yīng)于不同的工作環(huán)境和使用條件。1三個特殊推進(jìn)器的特點1.1強度控制裝置的布置噴水推進(jìn)是有別于傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的特殊艦船推進(jìn)方式,主要通過噴流和進(jìn)流動量的增量來形成推力。噴水推進(jìn)裝置最早是在1661年由英國人圖古德和海斯發(fā)明,到19世紀(jì)中期才真正成為實用的船舶推進(jìn)裝置。典型的噴水推進(jìn)裝置主要由進(jìn)水流道、推進(jìn)泵、操舵倒航設(shè)備、液壓系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等部分組成,按照在艦船上不同的布置位置,可分為外懸式和內(nèi)藏式等形式。其主要是通過操舵倒航設(shè)備來實現(xiàn)推進(jìn)力方向的改變?，F(xiàn)代噴水推進(jìn)船可以通過操縱舵及倒航設(shè)備分配或改變噴流方向來獲取船舶推進(jìn)或操縱所需要的推進(jìn)力。1.1.1噴管控制性能與操作性能(1)空泡性能好。傳統(tǒng)螺旋槳在高速運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生空泡,空泡將導(dǎo)致推進(jìn)效率降低、螺旋槳葉片損壞和噪聲的產(chǎn)生。由于噴水推進(jìn)器推進(jìn)水泵的葉輪是在均勻流場中工作,在高速情況下有較大的來流沖壓,可避免空泡的產(chǎn)生,從而實現(xiàn)較低的噪聲水平和較高的推進(jìn)效率。在航速和空泡性能要求較高的條件下,采用噴水推進(jìn)器具有獨特優(yōu)勢。(2)振動小。由于噴水推進(jìn)器不需要螺旋槳推進(jìn)器那樣復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu),而且噴水推進(jìn)器葉輪在均勻流場中工作,脈動壓力小,由此而產(chǎn)生的噪聲水平較低。因此,由推進(jìn)器工作所造成的船體振動水平比傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器低。(3)低速航行時操縱性能好,可實現(xiàn)矢量推進(jìn)。噴水推進(jìn)器可以通過噴管方向的改變來控制推進(jìn)力方向,也可以通過與操舵裝置或倒車裝置的配合來實現(xiàn)推進(jìn)力方向的改變,從而實現(xiàn)矢量推進(jìn)。(4)保護(hù)性能好。推進(jìn)水泵的葉輪在導(dǎo)管中受到較好保護(hù),空泡和氣蝕對葉輪和葉片產(chǎn)生破壞的可能性也較小。(5)可以適應(yīng)不同的作業(yè)工況。采用固定螺距螺旋槳推進(jìn)的艦船在不同負(fù)荷工況作業(yè)時,由于航速改變而引起葉切面來流攻角的變化,將導(dǎo)致非設(shè)計工況下推進(jìn)效率降低。而采用噴水推進(jìn)器的艦船在航速變化時,對推進(jìn)水泵中噴水流量的影響并不大,故對推進(jìn)效率影響也不大。因此,采用噴水推進(jìn)器的艦船更適用于工況多變的作業(yè)環(huán)境。(6)適應(yīng)于淺水作業(yè)船。與螺旋槳推進(jìn)器不同,噴水推進(jìn)器不受螺旋槳直徑的限制,可以適用于淺水作業(yè)環(huán)境。1.1.2高轉(zhuǎn)速時操縱性能好的船舶(1)體積龐大、葉輪拆換復(fù)雜。由于增加了外殼體的保護(hù),推進(jìn)器的重量和體積都較大,且推進(jìn)水泵葉輪的拆換比普通螺旋槳復(fù)雜。(2)由于噴水管道中有水的緣故,導(dǎo)致艦船的排水量增大,整體推進(jìn)效果受到影響。(3)在雜物較多的水域航行時,推進(jìn)器進(jìn)水口容易堵塞。(4)航速較低時推進(jìn)效率比傳統(tǒng)螺旋槳低。(5)價格較螺旋槳推進(jìn)器高。噴水推進(jìn)裝置可應(yīng)用于如下類型的艦船或武備:(1)高性能船舶高性能船主要包括水翼艇、側(cè)壁氣墊船、高速雙體船、穿浪型導(dǎo)彈快艇等,它們在高速航行時全部或部分脫離水面。其高航速和非排水量船型的特征給常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器的采用帶來諸多不利因素,如螺旋槳安裝不便、推進(jìn)效率低等問題。而這類船舶若采用噴水推進(jìn)裝置,則可充分發(fā)揮噴水推進(jìn)器在高航速時推進(jìn)效率高、空泡性能好的特點。(2)低速條件下具備較好操縱性能的艦船常規(guī)“螺旋槳+舵”的推進(jìn)、操縱方式在航速越低時操縱性能越差,航向穩(wěn)定性也越不易保證,而噴水推進(jìn)方式?jīng)]有這方面的缺陷。因此在挖泥船、漁船、消防船、港作拖船及多用途拖船等作業(yè)船舶使用噴水推進(jìn)裝置,其操縱性、動力定位性和適應(yīng)變負(fù)荷能力都有顯著提升。對于掃雷、獵雷艦艇這類軍用艦船,其作業(yè)特點要求艦船在低速航行的同時具有良好的操縱特性。在這類艦船上采用噴水推進(jìn)裝置,除了滿足該作業(yè)要求外,還具備低噪聲場的優(yōu)點。(3)隱蔽性能要求高的艦船對于作戰(zhàn)艦艇而言,隱蔽性是最為重要的作戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)。噴水推進(jìn)器的振動噪聲較小,具有良好的空泡性能。由于噴水推進(jìn)器尾波特征不明顯,艦船的航跡模糊,同時推進(jìn)水泵泵殼還可以屏蔽葉輪噪聲場的向外輻射,這些特點為提高作戰(zhàn)艦船隱蔽性提供了基礎(chǔ)條件。(4)兩棲艦船登陸艇這類兩棲艦船采用噴水推進(jìn)器后不僅具有吃水淺、淺水效應(yīng)小、沖灘力大以及通過操舵倒航設(shè)備可使登陸艇擺尾退灘,省去尾錨等優(yōu)勢,還可以避免螺旋槳推進(jìn)器在淺水區(qū)域推進(jìn)力降低、低速沖灘登陸或倒航離灘條件下推進(jìn)力急劇降低且操縱不靈活、登陸時螺旋槳槳葉容易受損、對不同工況推進(jìn)力適應(yīng)能力差等問題,從而提高登陸艦的作戰(zhàn)與生存能力。(5)在淺吃水航道作業(yè)以及工況多變的船舶那些在淺吃水航道上航行、推進(jìn)器直徑受限制的船舶,以及一些工況多變的工程/工作船(如拖船、頂推船、挖泥船、港口消防船等),使用噴水推進(jìn)器可以有效提高這些類型船舶的的工作效能。(6)魚雷采用泵噴射推進(jìn)器是近期新發(fā)展的一種新型魚雷推進(jìn)器形式。該推進(jìn)器不僅可以克服螺旋槳推進(jìn)器容易產(chǎn)生空泡、削弱魚雷隱身性能的弊端,還可避免螺旋槳推進(jìn)器噪聲向雷頭自導(dǎo)裝置的輻射。1.2直翼推進(jìn)裝置的操縱機構(gòu)設(shè)計直翼推進(jìn)器也稱為直葉推進(jìn)器、豎軸推進(jìn)器、擺線推進(jìn)器等。它是一種裝有垂直機翼型葉片的圓盤式推進(jìn)器,葉片采用低阻升比和大展弦比的矩形機翼,葉片之間互相平行,并與圓盤的轉(zhuǎn)動軸平行,葉片繞自身轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)的同時繞圓盤轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn),以產(chǎn)生方向一致的推力,見圖1(a)。它可在360°范圍內(nèi)快速改變推力方向及大小,因而具有較好的操縱性和機動性。1925年,奧地利工程師E.Schneider發(fā)明了這種轉(zhuǎn)動圓盤式推進(jìn)器,德國J.M.Voith公司于1928年試制成功第一臺直翼推進(jìn)器。因此,此種直翼推進(jìn)器通常又稱為VoithSchneider推進(jìn)器(VoithSchneiderPropeller,簡稱:VSP)。直翼推進(jìn)器葉片運動規(guī)律如圖2所示。推進(jìn)器葉片繞圓盤轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn),而各葉片在公轉(zhuǎn)中保持葉片的弦線與葉片中心至操縱點C的連線相垂直。當(dāng)葉片以某一角速度ω繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),而推進(jìn)器以速度VA前進(jìn)時,葉片在空間的運動軌跡是一條擺線(擺線推進(jìn)器因此而得名),稱O軍C軍為偏心距、e=O軍C軍/(D/2)為直翼推進(jìn)器的偏心率。當(dāng)推進(jìn)器圓盤轉(zhuǎn)動時,葉片按某一規(guī)律和圓盤作相對的搖擺,在不同的位置以不同的方向角迎向水流。選擇相對搖擺的規(guī)律需要使每一葉片在其轉(zhuǎn)動一周的任何位置,都能產(chǎn)生和艦船行進(jìn)方向或需要產(chǎn)生推力的方向一致的分力。通過改變偏心距O軍C軍的大小,可以調(diào)整擺角的幅度和初始角,與此同時,直翼推進(jìn)器推力的大小及方向也會隨之改變。直翼推進(jìn)器中通過控制葉片在不同的位置以不同的方向角迎向水流而產(chǎn)生升力的原理與螺旋槳推進(jìn)器中槳葉切面產(chǎn)生升力的原理類似。在實際推進(jìn)器機構(gòu)中實現(xiàn)圖2所示的直翼推進(jìn)器葉片運動的方式很多,這里介紹其中一種最基本的廣義擺線操縱機構(gòu),以使讀者對直翼推進(jìn)器機構(gòu)的操縱運動方式有一個大致了解。如圖3所示,圓盤1轉(zhuǎn)動,直翼2隨之轉(zhuǎn)動。圓盤上的滑塊3帶動連桿4(后者安裝在操縱機構(gòu)的偏心輪5上)。連桿4繞偏心輪5的轉(zhuǎn)動角速度與圓盤1的轉(zhuǎn)動角速度不相等,但它們的轉(zhuǎn)動周期相等。連桿4與連桿6的一端鉸接,連桿6的另一端與傳動桿8相連。圓盤轉(zhuǎn)動時,連桿6在滑槽7內(nèi)滑動?；?插在圓盤1上,可以轉(zhuǎn)動但不能移動。連桿6牽引傳動桿8及曲軸9,使葉片攻角改變。由于直翼推進(jìn)器既可以產(chǎn)生沿艦船行進(jìn)方向的推力,又可以根據(jù)需要產(chǎn)生任何其他方向的推力,因此使用此類推進(jìn)器的船舶無需再安裝舵。一般螺旋槳船舶在停航或以極低航速運動時,舵效往往很差或完全喪失操船能力,而直翼推進(jìn)器在上述工況下仍具有靈活的操縱力。直翼推進(jìn)器的另一個重要特性是由于偏心距O軍C軍的大小可任意調(diào)整,它可以控制葉片以不同的方向角迎向水流,從而改變?nèi)~片的螺距角。這一特性使直翼推進(jìn)器在不同工況下都可以與主機配合,充分發(fā)揮主機的功率,這對于如拖輪、漁船、破冰船等類型的多工況船是有利的。綜上所述,直翼推進(jìn)器作為一種船用推進(jìn)裝置,其優(yōu)點是操縱性能優(yōu)良、推進(jìn)效率較高、適應(yīng)于不同工況,并可在淺水中使用。直翼推進(jìn)器常用于對操縱性有特殊要求的船舶上,例如港口工作船、拖輪、渡輪、起重浮吊以及軍用艦船中的獵雷艦艇。直翼推進(jìn)器的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價較高,并且由于垂直機翼安裝在船底外部,葉片容易損壞,見圖1(b)。1.3吊艙器法規(guī)吊艙推進(jìn)器分為機械傳動的Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器和電力驅(qū)動的吊艙式電力推進(jìn)器兩種主要形式,其所驅(qū)動的螺旋槳可以隨吊艙進(jìn)行360°回轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)集推進(jìn)裝置與舵裝置于一體的功能。吊艙推進(jìn)器的主要優(yōu)點是操縱性能好。由于其可以在360°范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn),故可以對船體實施矢量推進(jìn)、提高船舶操縱的靈活性、縮小船舶的回轉(zhuǎn)半徑。采用吊艙推進(jìn)器的船舶還可進(jìn)行常規(guī)推進(jìn)器艦船無法完成的操縱,如進(jìn)行原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、急速后退和在微速范圍內(nèi)操舵等。吊艙推進(jìn)器的主要缺點是:由于吊艙安置于船體外部,抗沖擊能力弱,吊艙易受損壞;由于沒有尾舵,船舶的航向穩(wěn)定性較差,船舶橫搖阻尼也較傳統(tǒng)的船舶小,更易出現(xiàn)大幅度橫搖。1.3.1z型軸系非織造軸的特點Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器的示意圖見圖4。該推進(jìn)器由兩套錐齒輪組以機械傳動的方式,通過Z型軸系將主機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩傳遞到螺旋槳,螺旋槳可繞豎向立軸軸線作360°回轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生全方位的推力。1.3.2吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)吊艙式電力推進(jìn)器(又稱POD推進(jìn)器)是近年來發(fā)展起來的新型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。其利用發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)變成電能,再通過電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能,從而實現(xiàn)原動機(主機)功率向推進(jìn)器功率的非機械方式傳遞。吊艙式電力推進(jìn)器主要由支架、吊艙和螺旋槳等部件構(gòu)成。其中,吊艙通過支撐結(jié)構(gòu)懸掛于船體尾部或其他需要產(chǎn)生推進(jìn)力的部位,艙體內(nèi)置電機直接驅(qū)動艙體前端和(或)后端的螺旋槳。與常規(guī)軸系式推進(jìn)器相比,吊艙式電力推進(jìn)器由于螺旋槳工作在穩(wěn)流場中,可提高螺旋槳的效率;由于省去了長軸系,故提高了傳動效率;由于取消了螺旋槳支撐等附屬裝置和舵,故提高了推進(jìn)效率,并且具有布置方便、降低噪聲等優(yōu)點。吊艙式電力推進(jìn)器典型模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。電力推進(jìn)模塊是吊艙式電力推進(jìn)器的主體部分,它主要由內(nèi)置驅(qū)動電機、螺旋槳、轉(zhuǎn)舵裝置以及冷卻裝置組成。螺旋槳直接連接在推進(jìn)電機軸上,機、槳同軸省卻了齒輪傳動。螺旋槳產(chǎn)生的推力通過推進(jìn)電機的軸承傳遞給船體,按照螺旋槳和電機的相對位置或螺旋槳作用力方式的不同可分為拉式和推式。轉(zhuǎn)舵裝置由轉(zhuǎn)動電機和相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)組成。冷卻機構(gòu)負(fù)責(zé)對整個吊艙進(jìn)行冷卻,可分為利用周圍海水對流的水冷卻和在吊艙內(nèi)形成空氣循環(huán)的空氣冷卻兩種方式。吊艙通過法蘭盤與船體相接。電動機由位于船艙內(nèi)的發(fā)電機供電,發(fā)電機的電力和相關(guān)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)電纜和滑環(huán)裝置傳送給電動機。不直接采用電纜而采用滑環(huán)裝置把機艙內(nèi)的動力和控制電纜與吊艙內(nèi)的動力和控制電纜進(jìn)行連接是為防止吊艙旋轉(zhuǎn)時電纜扭結(jié)在一起,從而使吊艙具在更好的靈活性。滑環(huán)裝置由電動機或液壓發(fā)動機來帶動,使吊艙360°回轉(zhuǎn),從而起到轉(zhuǎn)舵的作用。吊艙式電力推進(jìn)器優(yōu)點:(1)有利于全船優(yōu)化布置。對于傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的艦船,從主機到螺旋槳之間的傳動軸系位置是難以改變的,因此艦船的總體布置在很大程度上取決于傳動軸系和主機的布置,這就使船舶總體設(shè)計的優(yōu)化受到一定程度的制約。若采用吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng),由于動力機艙位置不受推進(jìn)器、軸系限制,可以根據(jù)具體需要進(jìn)行自由布置,這就為提高艙容、優(yōu)化全船的布置提供條件,從而提高艦船設(shè)計、建造和使用的靈活性。(2)螺旋槳推進(jìn)效率高、空泡性能好。由于吊艙式電力推進(jìn)器的螺旋槳不受艉軸限制,可以工作在均勻伴流流場中,提高船后螺旋槳效率,降低空泡的發(fā)生率;省去長軸系,提高了從原動機到螺旋槳之間的功率傳送效率;取消螺旋槳支撐等附屬裝置和舵,減少了附體阻力;同時螺旋槳布置位置自由度的增加,也為提高船身效率提供了條件。(3)船體振動、噪聲低。相對于采用常規(guī)推進(jìn)方式的船舶,采用吊艙式電力推進(jìn)器的船舶由于螺旋槳工作的流場均勻性得到改善,降低了螺旋槳周期性干擾力;由于動力機艙位置不受限制,可以對動力機艙實施更有效的屏蔽措施,減弱主機周期性干擾力;由于在動力裝置和推進(jìn)器之間沒有機械連接,軸系干擾力也可以降低。(4)模塊化程度高,縮短了船舶的建造周期。吊艙式電力推進(jìn)器實行專業(yè)化生產(chǎn),在專門工廠整體制造,后期將作為一個整體模塊直接安裝在艦船上。這樣可以有效降低建造費用和建造周期,也有利于推進(jìn)器的專業(yè)維護(hù)。(5)提高了原動機(主機)的效率。由于推進(jìn)器與原動機沒有直接的機械功率傳遞關(guān)系,原動機可不受推進(jìn)負(fù)載變化的制約而保持最佳的工作狀態(tài);也可以根據(jù)負(fù)荷需要決定并入電網(wǎng)的發(fā)電機臺數(shù),使機組運行于理想負(fù)荷下,使全電力系統(tǒng)的優(yōu)越性得以充分發(fā)揮。吊艙式電力推進(jìn)器的主要缺點:(1)初始投資相對較大;(2)吊艙內(nèi)電機本身引起的噪聲較大,需要采取多種措施來降低所產(chǎn)生的水下噪聲;(3)由于吊艙內(nèi)空間狹窄,發(fā)生故障需要大修較普通推進(jìn)器麻煩;(4)大功率吊艙式電力推進(jìn)器軸承負(fù)荷高、發(fā)熱后容易引起機構(gòu)熱變形,從而損壞軸承或破壞槳軸密封的問題目前還沒有得到妥善的解決。雖然吊艙式電力推進(jìn)器與Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器同屬于全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,且它們的吊艙模塊都可繞垂直軸線作360°回轉(zhuǎn),將螺旋槳推進(jìn)力直接作用于所需方向。但是它們的功率傳遞方式不同:前者的推進(jìn)電機裝在吊艙內(nèi),螺旋槳軸與電動機的轉(zhuǎn)子成為一體、一起旋轉(zhuǎn),原動機所發(fā)出的功率通過非機械方式傳遞給螺旋槳;而后者的推進(jìn)主機(電機或柴油機)設(shè)在船艙內(nèi),所發(fā)出的功