螺旋面桨无噪声螺旋面桨及其动力系统的理论分析

螺旋面桨无噪声螺旋面桨及其动力系统的理论分析

0桨叶的互打及静力发动机是一组向前运动，同时旋转整个截面，并以一定的偏转角的机翼。旋转时，气机产生的浮力通过转向角和水的角度来共同增加。随着航速及吨位的增大,螺旋桨的负荷也随之增大。当其在非均匀的伴流场中高速转动时,机翼上表面水的流速要比下表面的高得多,而压力却低得多,易造成冷沸,从而产生空泡。由于空泡的体积随时间变化,因而会使作用到船体上的脉动激振力成倍数增加而形成噪声［1］,这样不但会降低桨的推力(效率)并使桨产生剥蚀及裂纹,而且还会损害人体健康。螺旋桨的转速与航速呈线性关系,功率与转速呈立方关系,这对增大航速不利。而降低桨的转速,其负荷又会变小,虽然能消除噪声,但因机翼及迎角产生的力均太小,因而只能低速航行。海豚在水中摆动大尾鳍时的频率低于20Hz,其不仅不产生空泡,而且还没有噪声,但其游水的速度与其身长之比目前舰船还办不到,可谓节能、高效。划桨采用的也是此仿生原理,在划桨运动中,可以发现划桨的速度与人体力的消耗呈线性关系,而增加桨的数量则可增大航速。螺旋面桨就相当于是由足够多的划桨所组成,桨的外形类似于螺旋送料器中的多头螺杆,转动时,螺旋面就像划桨一样推水来使船前进或后退。桨耗功率与转速呈线性关系,其特性曲线为过坐标原点的斜线,如图1中的a,b,c线。实际上,早在19世纪,英国农夫史密斯(PettitSmith)就已做出了一个回转两周的螺旋面桨(图2),资料中记载:“……试车时该桨的螺旋面部分破坏,由此意外而使得试车速度增大”,但后来不知何故没有采用［2］。当螺旋面升角为45°时,无论其转速如何,在前进方向上的合推力都可达到最大。由于螺旋面桨的面积大、负荷低,只要转速降低到不会产生空泡,即可消除空泡噪声,而其搅动的水波属次声波,此时桨的效率便可达到最高。因此,必须用新型脉动无级变速器［3］将桨转速降低至无噪声临界转速以下。要增大桨尖的线速度,就必须增大桨径,且桨尖需与海面保持适当的距离,不过螺旋面长度的增大不受空间限制。为减轻桨在水中的重量,可将其做成薄的中空结构并注满聚氨酯泡沫,这样不但能增大刚性,而且也可防止向空腔中渗水。桨的重力即等于浮力,其不影响船体的前、后平衡及载重量,但一旦桨被冰块卡住,安全离合器便会打滑。由于螺旋面桨的转速低,其对尾部流体加速、压力分布、附面层厚度与附面层内流速分布所造成的外加船体阻力以及推力减额远比螺旋桨小(即动能损失小),其尾波扰动也比螺旋桨小,使得桨—舵易配合,即使在空中也难以发现水中的潜艇［4］。1发动机n额d如图1所示,L线为燃气轮机在额定供油量μ0时的转速n机与功率N曲线［5］。当船在正常阻力R条件下航行时,螺旋面桨的特性曲线为a线,它与L线相交于额定工作点A,桨的转速n桨=n桨额,n机=n机额,N=N额。当船逆风航行时,R增大,桨的特性曲线为b线,其与L线相交于B点,n桨B<n桨额,N<N额,发动机属轻载,而当把桨转速从n桨B增加至n桨额时,N增大至N额,工作点从B点升至A点。当航行阻力R变小时,桨的特性曲线为c线,它和L线相交于C点,但由于μ0是定值,N额不变,因而工作点便保持在A点上。螺旋面桨的外径是按船的吃水深度来划分的,其由几个长度不同的螺旋面桨串在轴上组成,不同的组合可以满足和发动机N额的不同匹配。当发动机的使用到达一定年限后,额定功率会下降［6］,需重新确定其μ0和N额,这时,可在桨上适当拆下一小段,使发动机和桨在新的工作点上工作,照样能达到桨—机的完美配合。2轴向同步转动如图3所示,将变偏心曲柄摇杆机构的B转动副扩大至包容A转动副,便成为偏心轮机构,当偏心半径AB可变时,便为变偏心曲柄摇杆机构。在D转动副上装上面接触超越离合器,便成为曲柄摇杆组合机构,再将两组组合机构的变偏心半径按180°相角差并联在A轴(输入轴)及D轴(输出轴)上,当B点绕A点转动时C点摆动,当三点在一条直线上时C点的运动速度为零,两组合机构交替自锁或超越,便成为新型脉动无级变速器(图4)。如图4所示,变速杆2在输入轴1中,其可轴向移动或与输入轴1同步转动。在变速杆2的圆柱面上,有与其轴向夹角相比小于等于自锁角的4个圆头普通平键形斜键槽,每侧2个,在斜键槽内有滑块13,在滑块上面有一个孔,孔装在圆轮12及变偏心配重4的轴上。在输入轴1的圆柱面上,每侧有2个半圆键形槽,对称分布在侧视图的垂直坐标两侧,然后再把同一组的圆轮12及其变偏心配重4放在同一对槽中。在槽底平面上,有圆头普通平键形透孔,该孔并不影响圆轮12,以及在变偏心配重4上插入滑块13的轴在透孔中移动。圆轮12和变偏心配重4的形状类似于圆饼,在前者的外圆柱面上有止口与连杆11连接,在两者的平面圆心上,有类似于圆头普通平键形状的透孔,透孔两侧的平行面卡在输入轴1的半圆键形槽底平面上,透孔的两个圆头面与输入轴1的外圆面有适当的间隙,但这并不影响圆轮12及变偏心配重4在槽中移动。在主视图中,变速杆2所在位置的变偏心半径为零,圆轮12及变偏心配重4的质心均在变速杆2的中心线上,输入轴1转动时输出轴3不转动。当向右连续拉动变速杆2至变偏心半径最大值位置时,由于斜键槽的斜向不同,会推动滑块13使圆轮12及变偏心配重4分别沿输入轴1的半圆键形槽沿径向向外散开移动,各质心的移动距离为变偏心半径,两者大小相等、方向相反,输出轴3的转速由零逐渐增大至最大值。当向左连续推动变速杆2时,其运动正好相反,输出轴3按侧视图的反时针方向转动。与变偏心半径最大值相比,外环8的内半径要大得多,因而使得角速度的波动幅度变小。由于圆轮12、连杆11和变偏心配重4的质量起到了飞轮的作用,特别是在用燃气轮机提供动力时,所以速度不均匀系数δ会变小。3带润滑控制机构的组合机构设计现有的滚柱式超越离合器为线接触,变形大,效率低,只能用于一般场合［7］。如图4所示,在滚柱10上安装有1个弧块7,下面安装有1个下滑块9,板簧6被铆钉14铆在内星轮3的螺纹盲孔中。板簧6的弹力会推动下滑块9并带动滚柱10及弧块7向左移动,同时与外环8及内星轮3接触并形成一定的起始摩擦力,便成为面接触超越离合器。实践证明,在弧块7的R弧面上,有平行的细密排油沟通向接触面外,沟边与沟边之间有适当的距离(图上未绘出),因而在超越时,无法形成动压油膜,外环8与弧块7总是接触的,属边界润滑,自锁灵敏。面接触超越离合器的自锁原理与滚柱式超越离合器相同,取楔角ϕ=6°,小于摩擦角,所不同的是,其运动副均为滑动摩擦,因此要求下滑块9与滚柱10及内星轮3的滑动摩擦系数值要低于滚动摩擦系数值,但采用提高尺寸和形状精度,降低表面粗糙度值或更换材料等的方法还未见有成功的先例。本文采用液体静压润滑原理,使滑动副被承载油膜分开,以液体摩擦状态工作,其摩擦系数只有万分之几,与滚动摩擦系数相比要小得多,且自锁可靠、解锁阻力矩非常小、摩损小、寿命长。当该机不工作时,变速杆2位于变偏心半径为零的位置,当没有压力油注入时,封油间隙为零。工作时,先开动主机,驱动输入轴1及定压油泵,注入定量定压为P的高压油,然后经输出轴3的左端进入小孔节流器15以及与其相连的很近的2个油腔。在高压油的作用下,零件会发生弹性变形而形成封油间隙,若再向右拉变速杆2,变偏心半径便不再为零。设此时组合机构第1组外环8的转速由零开始反时针转动时为开始自锁,外环8与弧块7的滑动摩擦力使两者同步转动,则其驱动转矩会使各零件发生弹性变形,在空转一个溜滑角α后才与内星轮3同步转动并完成自锁,自锁后,同步转角为β。此时,输出轴3有动力输出,当增大转矩时,封油间隙会变小,至最大转矩时,封油间隙也达到最小,而弧块7对外环8的压力则达到最大。假设最小封油间隙为0.005mm,两个最小封油间隙之和便为0.01mm,小孔节流器的压力降为0.1P,流量为1L/min,则油腔的油压为0.9P。当第1组组合机构的外环8开始自锁时,第2组组合机构外环8的转速将由零开始顺时针转动并开始解锁,外环8与弧块7的滑动摩擦力会使两者顺时针同步转动,并带动滚柱10及下滑块9右移,由此,封油间隙便逐渐增大。油的流量与进入封油间隙入口处的截面积成正比,当两个封油间隙之和接近0.031mm时,油的流量也将由1L/min升至3.1L/min,增大了3.1倍。小孔节流器15的压力降与小孔直径有关,与流量的平方成正比［8］,因压力降在由0.1增大至其3.1的平方倍后接近于P(0.1P×3.12=P),因而此时油腔中的油压接近于零,弧块7对外环8的压力非常小,当外环8空转了α角后,各零件的弹性变形将消失,在板簧6的弹力作用下,弧块7便会对外环8开始滑动,从而完成解锁。解锁后,外环8对弧块7超越β角,没有动力输出。离合器的α角在面接触时要比在线接触时小得多,其对输出轴3的脉动波形的连续性影响并不大。当驱动力矩过大、封油间隙达到零时,由于没有液体润滑,便不自锁,外环8对弧块7滑动。油腔的厚度要比封油间隙大得多,其周围有一定宽度的封油面,若要求两油腔的封油间隙相同,则两油腔的面积不等。为了减小推、拉变速杆2的阻力,可对变速杆2和滑块13采用液体静压润滑技术。采用钢丝编织的橡胶软管将压力为P的高压油从变速杆2的右端引入中心进油孔中,其中一路经节流器15流入其表面上的4个油腔中,然后再经封油间隙、回油沟流回油箱;另一路经节流阀15进入滑块13的2个油腔中,然后再经封油间隙、回油孔和回油沟流回油箱。4新型互联无线汽机的效率、寿命和完全平衡4.1弹性变形许用截面面积该机构由运动副组成,一般运动副确定后,其效率便不会变。下面,将用求功率法来计算效率。设转矩为M,弹性变形角α(又称溜滑角)为空转角,无功率输出,属损耗功Wf,同步转角β属有用功Wr,输入功为Wa,则效率为弹性变形时M取平均值,假设β=1°,η=0.98,便可求出α=0.04°。以α为依据,用虎克定律计算出各零件的许用截面面积。它应满足无限寿命设计N-S曲线最小应力值的要求,其寿命需比齿轮长。4.2新型脉动级数变压器的正转效率组合机构有4个转动副,由于是并联,因此只按一个组合机构计算。脉动无级变速机构的效率为(0.98)4=0.92,换向机构的正转效率η换正=0.98,新型脉动无级变速器的正转效率为η脉正=0.92´(0.98)2=0.88,与二级减速器相近。4.3机构的惯性力图3中,A点为输入轴,与燃气轮机主轴相连,圆轮的几何中心为变偏心半径的质心。假设:圆轮、连杆、外环(摇杆)的质量分别为m1,m2和m3,其质心分别在B,E,D点处。为平衡,设将连杆的质心m2分别用集中于B,C两点的两个质量m2B和m2C予以代换,采用质量代换法便可求出:在AB延长线上,B′(AB=AB′)处变偏心配重的重量为(m1+m2B)·g,即与圆轮的重量相比,变偏心配重的重量大m2B·g。同理,在CD延长线上,D′处(取CD=DD′)配重的重量为m2C·g。安装上变偏心配重及配重后,可以认为A,D点分别集中了2个质量:mA=2(m1+m2B),mD=m3+2m2C,由此便可求出AD线上的机构总质心点F,由于是定点,即aF=0,与变偏心半径大小无关,因而认为机构的惯性力已得到平衡［9］。图4中,当向右拉变速杆2时,其左端第1个实线斜键槽与第2个虚线斜键槽中的滑块13会推动第1组圆轮12向下移动,而其变偏心配重4则向上移动,由于两者不在同一平面内,便形成了反时针力偶矩。第3个实线斜键槽和第4个虚线斜键槽中的滑块13用于推动第2组圆轮12及其变偏心配重4移动,其运动方向及形成的力偶矩与前者相反,达到了完全平衡。5发动机的剩余剩余功率现有船舶的动力一般是按最大航速选定并留有10%的功率储备,而最大航速在总行程中的比例最多只占1%~2%,其余时间均是采用巡航速度,即所谓的经济速度航行。因柴油机与燃气轮机各有优缺点,可采用柴—燃联合推进装置,用一个减速齿轮箱驱动一个桨来实现不同航速的要求,此时,各台主机的持续工况能达到60%就很不错了。而由巡航态进入高速态须再另开一台发动机,且在冷态下起动至满功率又至少需要几分钟,这对于作战来说非常不利。可见,用经济航速增大航程违背了“兵贵神速”的原则。实践证明,低速大直径螺旋桨可提高桨的效率,但增大桨径受限于其与海面的距离,当大浪把桨抬出海面时,桨在瞬间会发生飞车,而当桨沉入水中时又易造成发动机闷车事故。且低速大直径螺旋桨采用的是低效的二冲程内燃机,重量与体积均大。该螺旋桨发展得不快,只占有约5%的市场［10］。文献是采用把手控制油门,发动机变功率工作,定距桨只有在设计工况下达到额定航速时主机功率才能全部被桨吸收,即发动机的剩余功率为零。但在其它航速下,发动机不但发不出额定功率,而且还有剩余功率。变距桨可以使发动机在额定功率下工作,和定距桨相比,虽然其发动机的剩余功率多,但航速却要快一些,目前只用到了特殊的军辅船上。经总结发现,船舶诸多问题的根源均来自螺旋桨、减速器及并车齿轮箱,而采用本文提出的动力系统方案不但能消除噪声,而且还可使船舶的运动性能更好。6发动机转速变桨n额舰船航速v与其克服的阻力R的乘积即为其等速直线运动所需的功率N,螺旋桨产生的推力T等于R,三者呈R×v=N的关系,即为船舶的负载特性。如图1和图4,按照燃气轮机的供油量与转速变化曲线上最低点,作为额定供油量μ0,此时发动机的转速为额定转速n机额,发出的功率为额定功率N额。用转速表指示燃气轮机的转数n机及螺旋面桨的转数n桨。在正常阻力R下,n机=n机额,n桨=n桨额,N=N额,v=v额。当R变大时,n机<n机额,n桨<n桨额,N<N额,发动机属轻载,此时,向右拉变速杆将n桨增大至n桨额,N升至N额,由于R增大了,因此v<v额。当R变小时,n桨>n桨额,由于是额定供油,n额不可能增大,燃气轮机属超载,n机<n机额,此时,向左拉变速杆使n桨回落至n桨额,N升至N额,由于R变小了,致使v>v额,实现了恒功率无级变速,效率可达到最高,燃油可在最佳状态下燃烧。n机额可使发动机的转速及频率稳定。恒功率无级变速可采用自动驾驶仪完成,只需一