螺旋面槳無噪聲螺旋面槳及其動(dòng)力系統(tǒng)的理論分析

螺旋面槳無噪聲螺旋面槳及其動(dòng)力系統(tǒng)的理論分析

0槳葉的互打及靜力發(fā)動(dòng)機(jī)是一組向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)整個(gè)截面，并以一定的偏轉(zhuǎn)角的機(jī)翼。旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣機(jī)產(chǎn)生的浮力通過轉(zhuǎn)向角和水的角度來共同增加。隨著航速及噸位的增大,螺旋槳的負(fù)荷也隨之增大。當(dāng)其在非均勻的伴流場(chǎng)中高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),機(jī)翼上表面水的流速要比下表面的高得多,而壓力卻低得多,易造成冷沸,從而產(chǎn)生空泡。由于空泡的體積隨時(shí)間變化,因而會(huì)使作用到船體上的脈動(dòng)激振力成倍數(shù)增加而形成噪聲［1］,這樣不但會(huì)降低槳的推力(效率)并使槳產(chǎn)生剝蝕及裂紋,而且還會(huì)損害人體健康。螺旋槳的轉(zhuǎn)速與航速呈線性關(guān)系,功率與轉(zhuǎn)速呈立方關(guān)系,這對(duì)增大航速不利。而降低槳的轉(zhuǎn)速,其負(fù)荷又會(huì)變小,雖然能消除噪聲,但因機(jī)翼及迎角產(chǎn)生的力均太小,因而只能低速航行。海豚在水中擺動(dòng)大尾鰭時(shí)的頻率低于20Hz,其不僅不產(chǎn)生空泡,而且還沒有噪聲,但其游水的速度與其身長之比目前艦船還辦不到,可謂節(jié)能、高效。劃槳采用的也是此仿生原理,在劃槳運(yùn)動(dòng)中,可以發(fā)現(xiàn)劃槳的速度與人體力的消耗呈線性關(guān)系,而增加槳的數(shù)量則可增大航速。螺旋面槳就相當(dāng)于是由足夠多的劃槳所組成,槳的外形類似于螺旋送料器中的多頭螺桿,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),螺旋面就像劃槳一樣推水來使船前進(jìn)或后退。槳耗功率與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系,其特性曲線為過坐標(biāo)原點(diǎn)的斜線,如圖1中的a,b,c線。實(shí)際上,早在19世紀(jì),英國農(nóng)夫史密斯(PettitSmith)就已做出了一個(gè)回轉(zhuǎn)兩周的螺旋面槳(圖2),資料中記載:“……試車時(shí)該槳的螺旋面部分破壞,由此意外而使得試車速度增大”,但后來不知何故沒有采用［2］。當(dāng)螺旋面升角為45°時(shí),無論其轉(zhuǎn)速如何,在前進(jìn)方向上的合推力都可達(dá)到最大。由于螺旋面槳的面積大、負(fù)荷低,只要轉(zhuǎn)速降低到不會(huì)產(chǎn)生空泡,即可消除空泡噪聲,而其攪動(dòng)的水波屬次聲波,此時(shí)槳的效率便可達(dá)到最高。因此,必須用新型脈動(dòng)無級(jí)變速器［3］將槳轉(zhuǎn)速降低至無噪聲臨界轉(zhuǎn)速以下。要增大槳尖的線速度,就必須增大槳徑,且槳尖需與海面保持適當(dāng)?shù)木嚯x,不過螺旋面長度的增大不受空間限制。為減輕槳在水中的重量,可將其做成薄的中空結(jié)構(gòu)并注滿聚氨酯泡沫,這樣不但能增大剛性,而且也可防止向空腔中滲水。槳的重力即等于浮力,其不影響船體的前、后平衡及載重量,但一旦槳被冰塊卡住,安全離合器便會(huì)打滑。由于螺旋面槳的轉(zhuǎn)速低,其對(duì)尾部流體加速、壓力分布、附面層厚度與附面層內(nèi)流速分布所造成的外加船體阻力以及推力減額遠(yuǎn)比螺旋槳小(即動(dòng)能損失小),其尾波擾動(dòng)也比螺旋槳小,使得槳—舵易配合,即使在空中也難以發(fā)現(xiàn)水中的潛艇［4］。1發(fā)動(dòng)機(jī)n額d如圖1所示,L線為燃?xì)廨啓C(jī)在額定供油量μ0時(shí)的轉(zhuǎn)速n機(jī)與功率N曲線［5］。當(dāng)船在正常阻力R條件下航行時(shí),螺旋面槳的特性曲線為a線,它與L線相交于額定工作點(diǎn)A,槳的轉(zhuǎn)速n槳=n槳額,n機(jī)=n機(jī)額,N=N額。當(dāng)船逆風(fēng)航行時(shí),R增大,槳的特性曲線為b線,其與L線相交于B點(diǎn),n槳B<n槳額,N<N額,發(fā)動(dòng)機(jī)屬輕載,而當(dāng)把槳轉(zhuǎn)速從n槳B增加至n槳額時(shí),N增大至N額,工作點(diǎn)從B點(diǎn)升至A點(diǎn)。當(dāng)航行阻力R變小時(shí),槳的特性曲線為c線,它和L線相交于C點(diǎn),但由于μ0是定值,N額不變,因而工作點(diǎn)便保持在A點(diǎn)上。螺旋面槳的外徑是按船的吃水深度來劃分的,其由幾個(gè)長度不同的螺旋面槳串在軸上組成,不同的組合可以滿足和發(fā)動(dòng)機(jī)N額的不同匹配。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用到達(dá)一定年限后,額定功率會(huì)下降［6］,需重新確定其μ0和N額,這時(shí),可在槳上適當(dāng)拆下一小段,使發(fā)動(dòng)機(jī)和槳在新的工作點(diǎn)上工作,照樣能達(dá)到槳—機(jī)的完美配合。2軸向同步轉(zhuǎn)動(dòng)如圖3所示,將變偏心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的B轉(zhuǎn)動(dòng)副擴(kuò)大至包容A轉(zhuǎn)動(dòng)副,便成為偏心輪機(jī)構(gòu),當(dāng)偏心半徑AB可變時(shí),便為變偏心曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。在D轉(zhuǎn)動(dòng)副上裝上面接觸超越離合器,便成為曲柄搖桿組合機(jī)構(gòu),再將兩組組合機(jī)構(gòu)的變偏心半徑按180°相角差并聯(lián)在A軸(輸入軸)及D軸(輸出軸)上,當(dāng)B點(diǎn)繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)C點(diǎn)擺動(dòng),當(dāng)三點(diǎn)在一條直線上時(shí)C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度為零,兩組合機(jī)構(gòu)交替自鎖或超越,便成為新型脈動(dòng)無級(jí)變速器(圖4)。如圖4所示,變速桿2在輸入軸1中,其可軸向移動(dòng)或與輸入軸1同步轉(zhuǎn)動(dòng)。在變速桿2的圓柱面上,有與其軸向夾角相比小于等于自鎖角的4個(gè)圓頭普通平鍵形斜鍵槽,每側(cè)2個(gè),在斜鍵槽內(nèi)有滑塊13,在滑塊上面有一個(gè)孔,孔裝在圓輪12及變偏心配重4的軸上。在輸入軸1的圓柱面上,每側(cè)有2個(gè)半圓鍵形槽,對(duì)稱分布在側(cè)視圖的垂直坐標(biāo)兩側(cè),然后再把同一組的圓輪12及其變偏心配重4放在同一對(duì)槽中。在槽底平面上,有圓頭普通平鍵形透孔,該孔并不影響圓輪12,以及在變偏心配重4上插入滑塊13的軸在透孔中移動(dòng)。圓輪12和變偏心配重4的形狀類似于圓餅,在前者的外圓柱面上有止口與連桿11連接,在兩者的平面圓心上,有類似于圓頭普通平鍵形狀的透孔,透孔兩側(cè)的平行面卡在輸入軸1的半圓鍵形槽底平面上,透孔的兩個(gè)圓頭面與輸入軸1的外圓面有適當(dāng)?shù)拈g隙,但這并不影響圓輪12及變偏心配重4在槽中移動(dòng)。在主視圖中,變速桿2所在位置的變偏心半徑為零,圓輪12及變偏心配重4的質(zhì)心均在變速桿2的中心線上,輸入軸1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出軸3不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)向右連續(xù)拉動(dòng)變速桿2至變偏心半徑最大值位置時(shí),由于斜鍵槽的斜向不同,會(huì)推動(dòng)滑塊13使圓輪12及變偏心配重4分別沿輸入軸1的半圓鍵形槽沿徑向向外散開移動(dòng),各質(zhì)心的移動(dòng)距離為變偏心半徑,兩者大小相等、方向相反,輸出軸3的轉(zhuǎn)速由零逐漸增大至最大值。當(dāng)向左連續(xù)推動(dòng)變速桿2時(shí),其運(yùn)動(dòng)正好相反,輸出軸3按側(cè)視圖的反時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。與變偏心半徑最大值相比,外環(huán)8的內(nèi)半徑要大得多,因而使得角速度的波動(dòng)幅度變小。由于圓輪12、連桿11和變偏心配重4的質(zhì)量起到了飛輪的作用,特別是在用燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力時(shí),所以速度不均勻系數(shù)δ會(huì)變小。3帶潤滑控制機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)有的滾柱式超越離合器為線接觸,變形大,效率低,只能用于一般場(chǎng)合［7］。如圖4所示,在滾柱10上安裝有1個(gè)弧塊7,下面安裝有1個(gè)下滑塊9,板簧6被鉚釘14鉚在內(nèi)星輪3的螺紋盲孔中。板簧6的彈力會(huì)推動(dòng)下滑塊9并帶動(dòng)滾柱10及弧塊7向左移動(dòng),同時(shí)與外環(huán)8及內(nèi)星輪3接觸并形成一定的起始摩擦力,便成為面接觸超越離合器。實(shí)踐證明,在弧塊7的R弧面上,有平行的細(xì)密排油溝通向接觸面外,溝邊與溝邊之間有適當(dāng)?shù)木嚯x(圖上未繪出),因而在超越時(shí),無法形成動(dòng)壓油膜,外環(huán)8與弧塊7總是接觸的,屬邊界潤滑,自鎖靈敏。面接觸超越離合器的自鎖原理與滾柱式超越離合器相同,取楔角?=6°,小于摩擦角,所不同的是,其運(yùn)動(dòng)副均為滑動(dòng)摩擦,因此要求下滑塊9與滾柱10及內(nèi)星輪3的滑動(dòng)摩擦系數(shù)值要低于滾動(dòng)摩擦系數(shù)值,但采用提高尺寸和形狀精度,降低表面粗糙度值或更換材料等的方法還未見有成功的先例。本文采用液體靜壓潤滑原理,使滑動(dòng)副被承載油膜分開,以液體摩擦狀態(tài)工作,其摩擦系數(shù)只有萬分之幾,與滾動(dòng)摩擦系數(shù)相比要小得多,且自鎖可靠、解鎖阻力矩非常小、摩損小、壽命長。當(dāng)該機(jī)不工作時(shí),變速桿2位于變偏心半徑為零的位置,當(dāng)沒有壓力油注入時(shí),封油間隙為零。工作時(shí),先開動(dòng)主機(jī),驅(qū)動(dòng)輸入軸1及定壓油泵,注入定量定壓為P的高壓油,然后經(jīng)輸出軸3的左端進(jìn)入小孔節(jié)流器15以及與其相連的很近的2個(gè)油腔。在高壓油的作用下,零件會(huì)發(fā)生彈性變形而形成封油間隙,若再向右拉變速桿2,變偏心半徑便不再為零。設(shè)此時(shí)組合機(jī)構(gòu)第1組外環(huán)8的轉(zhuǎn)速由零開始反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為開始自鎖,外環(huán)8與弧塊7的滑動(dòng)摩擦力使兩者同步轉(zhuǎn)動(dòng),則其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)使各零件發(fā)生彈性變形,在空轉(zhuǎn)一個(gè)溜滑角α后才與內(nèi)星輪3同步轉(zhuǎn)動(dòng)并完成自鎖,自鎖后,同步轉(zhuǎn)角為β。此時(shí),輸出軸3有動(dòng)力輸出,當(dāng)增大轉(zhuǎn)矩時(shí),封油間隙會(huì)變小,至最大轉(zhuǎn)矩時(shí),封油間隙也達(dá)到最小,而弧塊7對(duì)外環(huán)8的壓力則達(dá)到最大。假設(shè)最小封油間隙為0.005mm,兩個(gè)最小封油間隙之和便為0.01mm,小孔節(jié)流器的壓力降為0.1P,流量為1L/min,則油腔的油壓為0.9P。當(dāng)?shù)?組組合機(jī)構(gòu)的外環(huán)8開始自鎖時(shí),第2組組合機(jī)構(gòu)外環(huán)8的轉(zhuǎn)速將由零開始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)并開始解鎖,外環(huán)8與弧塊7的滑動(dòng)摩擦力會(huì)使兩者順時(shí)針同步轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)滾柱10及下滑塊9右移,由此,封油間隙便逐漸增大。油的流量與進(jìn)入封油間隙入口處的截面積成正比,當(dāng)兩個(gè)封油間隙之和接近0.031mm時(shí),油的流量也將由1L/min升至3.1L/min,增大了3.1倍。小孔節(jié)流器15的壓力降與小孔直徑有關(guān),與流量的平方成正比［8］,因壓力降在由0.1增大至其3.1的平方倍后接近于P(0.1P×3.12=P),因而此時(shí)油腔中的油壓接近于零,弧塊7對(duì)外環(huán)8的壓力非常小,當(dāng)外環(huán)8空轉(zhuǎn)了α角后,各零件的彈性變形將消失,在板簧6的彈力作用下,弧塊7便會(huì)對(duì)外環(huán)8開始滑動(dòng),從而完成解鎖。解鎖后,外環(huán)8對(duì)弧塊7超越β角,沒有動(dòng)力輸出。離合器的α角在面接觸時(shí)要比在線接觸時(shí)小得多,其對(duì)輸出軸3的脈動(dòng)波形的連續(xù)性影響并不大。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩過大、封油間隙達(dá)到零時(shí),由于沒有液體潤滑,便不自鎖,外環(huán)8對(duì)弧塊7滑動(dòng)。油腔的厚度要比封油間隙大得多,其周圍有一定寬度的封油面,若要求兩油腔的封油間隙相同,則兩油腔的面積不等。為了減小推、拉變速桿2的阻力,可對(duì)變速桿2和滑塊13采用液體靜壓潤滑技術(shù)。采用鋼絲編織的橡膠軟管將壓力為P的高壓油從變速桿2的右端引入中心進(jìn)油孔中,其中一路經(jīng)節(jié)流器15流入其表面上的4個(gè)油腔中,然后再經(jīng)封油間隙、回油溝流回油箱;另一路經(jīng)節(jié)流閥15進(jìn)入滑塊13的2個(gè)油腔中,然后再經(jīng)封油間隙、回油孔和回油溝流回油箱。4新型互聯(lián)無線汽機(jī)的效率、壽命和完全平衡4.1彈性變形許用截面面積該機(jī)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)副組成,一般運(yùn)動(dòng)副確定后,其效率便不會(huì)變。下面,將用求功率法來計(jì)算效率。設(shè)轉(zhuǎn)矩為M,彈性變形角α(又稱溜滑角)為空轉(zhuǎn)角,無功率輸出,屬損耗功Wf,同步轉(zhuǎn)角β屬有用功Wr,輸入功為Wa,則效率為彈性變形時(shí)M取平均值,假設(shè)β=1°,η=0.98,便可求出α=0.04°。以α為依據(jù),用虎克定律計(jì)算出各零件的許用截面面積。它應(yīng)滿足無限壽命設(shè)計(jì)N-S曲線最小應(yīng)力值的要求,其壽命需比齒輪長。4.2新型脈動(dòng)級(jí)數(shù)變壓器的正轉(zhuǎn)效率組合機(jī)構(gòu)有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,由于是并聯(lián),因此只按一個(gè)組合機(jī)構(gòu)計(jì)算。脈動(dòng)無級(jí)變速機(jī)構(gòu)的效率為(0.98)4=0.92,換向機(jī)構(gòu)的正轉(zhuǎn)效率η換正=0.98,新型脈動(dòng)無級(jí)變速器的正轉(zhuǎn)效率為η脈正=0.92′(0.98)2=0.88,與二級(jí)減速器相近。4.3機(jī)構(gòu)的慣性力圖3中,A點(diǎn)為輸入軸,與燃?xì)廨啓C(jī)主軸相連,圓輪的幾何中心為變偏心半徑的質(zhì)心。假設(shè):圓輪、連桿、外環(huán)(搖桿)的質(zhì)量分別為m1,m2和m3,其質(zhì)心分別在B,E,D點(diǎn)處。為平衡,設(shè)將連桿的質(zhì)心m2分別用集中于B,C兩點(diǎn)的兩個(gè)質(zhì)量m2B和m2C予以代換,采用質(zhì)量代換法便可求出:在AB延長線上,B′(AB=AB′)處變偏心配重的重量為(m1+m2B)·g,即與圓輪的重量相比,變偏心配重的重量大m2B·g。同理,在CD延長線上,D′處(取CD=DD′)配重的重量為m2C·g。安裝上變偏心配重及配重后,可以認(rèn)為A,D點(diǎn)分別集中了2個(gè)質(zhì)量:mA=2(m1+m2B),mD=m3+2m2C,由此便可求出AD線上的機(jī)構(gòu)總質(zhì)心點(diǎn)F,由于是定點(diǎn),即aF=0,與變偏心半徑大小無關(guān),因而認(rèn)為機(jī)構(gòu)的慣性力已得到平衡［9］。圖4中,當(dāng)向右拉變速桿2時(shí),其左端第1個(gè)實(shí)線斜鍵槽與第2個(gè)虛線斜鍵槽中的滑塊13會(huì)推動(dòng)第1組圓輪12向下移動(dòng),而其變偏心配重4則向上移動(dòng),由于兩者不在同一平面內(nèi),便形成了反時(shí)針力偶矩。第3個(gè)實(shí)線斜鍵槽和第4個(gè)虛線斜鍵槽中的滑塊13用于推動(dòng)第2組圓輪12及其變偏心配重4移動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方向及形成的力偶矩與前者相反,達(dá)到了完全平衡。5發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余剩余功率現(xiàn)有船舶的動(dòng)力一般是按最大航速選定并留有10%的功率儲(chǔ)備,而最大航速在總行程中的比例最多只占1%~2%,其余時(shí)間均是采用巡航速度,即所謂的經(jīng)濟(jì)速度航行。因柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn),可采用柴—燃聯(lián)合推進(jìn)裝置,用一個(gè)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)一個(gè)槳來實(shí)現(xiàn)不同航速的要求,此時(shí),各臺(tái)主機(jī)的持續(xù)工況能達(dá)到60%就很不錯(cuò)了。而由巡航態(tài)進(jìn)入高速態(tài)須再另開一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),且在冷態(tài)下起動(dòng)至滿功率又至少需要幾分鐘,這對(duì)于作戰(zhàn)來說非常不利?？梢?用經(jīng)濟(jì)航速增大航程違背了“兵貴神速”的原則。實(shí)踐證明,低速大直徑螺旋槳可提高槳的效率,但增大槳徑受限于其與海面的距離,當(dāng)大浪把槳抬出海面時(shí),槳在瞬間會(huì)發(fā)生飛車,而當(dāng)槳沉入水中時(shí)又易造成發(fā)動(dòng)機(jī)悶車事故。且低速大直徑螺旋槳采用的是低效的二沖程內(nèi)燃機(jī),重量與體積均大。該螺旋槳發(fā)展得不快,只占有約5%的市場(chǎng)［10］。文獻(xiàn)是采用把手控制油門,發(fā)動(dòng)機(jī)變功率工作,定距槳只有在設(shè)計(jì)工況下達(dá)到額定航速時(shí)主機(jī)功率才能全部被槳吸收,即發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余功率為零。但在其它航速下,發(fā)動(dòng)機(jī)不但發(fā)不出額定功率,而且還有剩余功率。變距槳可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下工作,和定距槳相比,雖然其發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余功率多,但航速卻要快一些,目前只用到了特殊的軍輔船上。經(jīng)總結(jié)發(fā)現(xiàn),船舶諸多問題的根源均來自螺旋槳、減速器及并車齒輪箱,而采用本文提出的動(dòng)力系統(tǒng)方案不但能消除噪聲,而且還可使船舶的運(yùn)動(dòng)性能更好。6發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變槳n額艦船航速v與其克服的阻力R的乘積即為其等速直線運(yùn)動(dòng)所需的功率N,螺旋槳產(chǎn)生的推力T等于R,三者呈R×v=N的關(guān)系,即為船舶的負(fù)載特性。如圖1和圖4,按照燃?xì)廨啓C(jī)的供油量與轉(zhuǎn)速變化曲線上最低點(diǎn),作為額定供油量μ0,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速n機(jī)額,發(fā)出的功率為額定功率N額。用轉(zhuǎn)速表指示燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)n機(jī)及螺旋面槳的轉(zhuǎn)數(shù)n槳。在正常阻力R下,n機(jī)=n機(jī)額,n槳=n槳額,N=N額,v=v額。當(dāng)R變大時(shí),n機(jī)<n機(jī)額,n槳<n槳額,N<N額,發(fā)動(dòng)機(jī)屬輕載,此時(shí),向右拉變速桿將n槳增大至n槳額,N升至N額,由于R增大了,因此v<v額。當(dāng)R變小時(shí),n槳>n槳額,由于是額定供油,n額不可能增大,燃?xì)廨啓C(jī)屬超載,n機(jī)<n機(jī)額,此時(shí),向左拉變速桿使n槳回落至n槳額,N升至N額,由于R變小了,致使v>v額,實(shí)現(xiàn)了恒功率無級(jí)變速,效率可達(dá)到最高,燃油可在最佳狀態(tài)下燃燒。n機(jī)額可使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及頻率穩(wěn)定。恒功率無級(jí)變速可采用自動(dòng)駕駛儀完成,只需一