吊艙式海事公務船液壓推進系統

王成剛，徐加俊，張　博

(武漢工程大學 機電學院，湖北 武漢 430205)

吊艙式海事公務船液壓推進系統

王成剛，徐加俊，張博

(武漢工程大學 機電學院，湖北 武漢 430205)

摘要：隨著船舶業的迅猛發展，大型、高速、專業船舶是發展的趨勢。國內船舶推進系統研究也在不斷深入，逐漸縮小與發達國家之間的差距。本文通過對國內外船舶液壓推進系統的研究，根據船舶推進系統的工作原理和船舶推進系統中柴油機、液壓泵、螺旋槳、液壓馬達等關鍵元件的選型計算，對壓系統主回路、補油回路、系統過載保護回路進行設計。

關鍵詞：吊艙式；液壓推進；液壓泵；液壓馬達

0引言

近年來，隨著船舶業的迅猛發展，大型、高速、專業船舶是發展的趨勢，這勢必要求船舶推進系統操控方便、效率高、安全性強，工藝優良。現有的船舶推進方式有直接推進、電力推進、超導電磁推進、噴水推進、液力推進等。目前在船舶推進領域研發比較熱門的是吊艙式液壓推進系統。

吊艙式液壓推進系統是將吊艙推進器設計在船體的下方，取消了主機和螺旋槳的連接，螺旋槳可以不受主機制約進行360°回轉運動。這種推進方式增加了船艙的利用率，系統響應靈敏，操作性強，推進效率高。本文主要研究在設計吊艙式海事公務船液壓推進系統時所涉及到的關鍵元件的選擇，以及推進系統的回路組成。

1船舶液壓推進研究現狀

1.1　國內研究現狀

我國在船舶液壓推進器的研究方面起步較晚，目前上海交通大學、大連海事大學、哈爾濱工程大學等高校在這方面的研究已經取得了一些成果。哈爾濱工程大學對舵面水動力對液壓舵機系統的干擾進行了分析，通過AMESim模型進行仿真分析了PID控制器參數，結果證明模糊PID對液壓舵機系統中啟停、換向時的沖擊力具有明顯的消減作用[1]。吳伯才[2]通過對液壓推進系統的能量傳遞形式、扭矩特點和轉速控制的分析，指出液壓推進具有功率大、推進效率高、機動性強等優點。紀玉龍、孫玉清等[3]通過研究船舶液壓推進系統的數學模型和仿真，提出了船舶綜合液壓推進恒功率與變功率聯合控制方法—CVCC，該控制方法可以使主機一直維持在最佳工況下，克服了主機在持續重載下功率低的狀況。

1.2　國外研究現狀

20世紀50年代英國、德國、俄羅斯等國已開始研發和使用船舶液壓推進系統。

表1　國外對船舶液壓推進系統研究歷程

2船舶液壓推進系統設計

2.1　船舶液壓推進工作原理

船舶液壓推進主要包括柴油機、液壓泵、液壓馬達、螺旋槳、控制器、各種傳感器件以及相應調節裝置。柴油機輸出的機械能通過液壓泵轉化為壓力能，螺旋槳、舵機、船舶側推裝置(當采用吊艙式推進器時,可以取消舵機以及首側推)以及其它輔助裝置在壓力能的推進作用下工作。經過馬達液壓油的壓力轉化為螺旋槳的機械能，通過對泵站以及柴油機的控制來調節螺旋槳的轉速與轉向，實現螺旋槳、舵機、側推裝置等其他輔助裝置協調工作，滿足船舶的各種運動工況。其工作原理如圖1所示。

圖1　船舶液壓推進系統原理圖Fig.1　Sehematic diagram of ship hydrau1ic propulsion system

2.2　船舶液壓系統關鍵元件選型計算

功率對于大型船舶來說至關重要，吊艙式液壓推進系統的功率傳遞為圖2所示。

圖2　船舶液壓推進系統功率傳遞圖Fig.2　The power flow of the hydraulic propulsion system

圖中：ηA為柴油機的傳遞效率；η0為螺旋槳敞水效率；ηH為船體效率；ηR為相對旋轉效率。

1)柴油機選型計算

根據在中國的磁流體船舶推進項目[4]中對柴油機有效功率的定義可知：

Ne=neiVhPe/3×104δ。

(1)

式中：ne為柴油機曲軸轉速；i為汽缸數；Vh為氣缸工作容積；Pe氣缸有效壓力；δ為沖程數目。

液壓泵需要在柴油機的帶動下工作，當柴油機的循環供油量發生改變時，液壓泵的輸出功率也要發生改變，并且柴油機的輸出功率一定要大于液壓泵所需的功率，才能保證船舶的正常運轉。

2)液壓泵選型計算

液壓泵分為高壓腔和低壓腔，高壓腔的流量和壓力使得馬達能夠克服螺旋槳負載正常運轉，低壓腔基本不變，高壓腔的流量方程為：

(2)

式中：Qp為液壓泵的輸出流量；qp為泵的容積量；Cip和Cep為泵的內、外漏系數；θp為泵的選擇角度。

由于低壓很低可忽略不計，故式(2)可改寫為：

(3)

等價于：

(4)

或者

(5)

當ηp=1時，由式(5)可得液壓泵的最大流量為：

(6)

3)螺旋槳選型計算

根據文獻[5]定義螺旋槳的力矩為：

(7)

式中: K為螺旋槳的扭矩系數；ρ為海水密度； Dpp為螺旋槳直徑；n為螺旋槳的轉速。

船舶負載力矩為：

(8)

式中：Jt為船舶總轉動慣量；Bm為船舶總粘性阻尼系數；G為負載扭簧系數；θ為馬達轉角[6]。

4)液壓馬達選型計算

理想情況下，馬達的輸出力矩等于負載力矩，則：

(9)

故馬達的壓力為：

(10)

由式(8)和式(10)可得

(11)

將θ=θmsinwt代入式(8)可得：

(12)

對式(12)求極值求出Mmax，代入式(11)可求得液壓馬達的排量V。

液壓馬達流量僅取決于高壓腔流量，得：

(13)

由于低壓很低，故式(13)改寫為：

(14)

由式(12)得：

(15)

當Mf隨時間變化時

(16)

因此可根據V， ps和Qm選擇馬達。

2.3　船舶推進系統設計

根據船舶航行時啟動、加速、工進和減速制動的要求，整個船舶推進系統設計包括液壓系統主回路、補油回路、系統過載保護回路。

1)液壓系統主回路

液壓系統主回路分為開式回路和閉式回路，一般從系統穩定性和經濟性角度出來選擇液壓系統主回路。開式回路系統設計簡單，設計的油箱大，液壓油與空氣大面積的接觸，容易發生化學反應，損耗大，效率低，系統不夠穩定。與開式回路相對比，閉式回路設計復雜，進油口和回油口直接通過管件相連，減少了與空氣的接觸，功率得到大幅提升，增加了液壓泵旋轉的動力，但是由于封閉性強導致散熱性較差，所以在系統設計中需要增加輔助油泵來換油冷卻。

本文設計液壓系統主回路由雙向變量泵2和雙速定量馬達12組成。液壓泵的轉速通過調節柴油機的轉速，在最大輸出流量范圍內，通過調節液壓泵轉速和排量可以實現整個系統流量的無級調速。液壓泵的吸排方向隨著液壓泵的斜盤傾斜方向而改變，可是實現正反轉的不同轉動。當船舶航行平穩的狀態下，柴油機轉速和轉向都保持在恒定狀態時更有利于柴油機的長期工作。

2)補油回路

本文設計的補油回路由補油泵3、補油溢流閥9、濾油器10、單向閥8組成。

電機帶動補油泵3，經過濾油器10、單向閥8和低壓選擇閥將低溫液壓油補給給系統低壓側。補油溢流閥9的作用是設置補油壓力，同時使多余的低溫液壓油回流到油箱，壓力設置為1.5 MPa。

液壓系統工作與否時產生的壓力差沖洗閥閥芯發生變化，不工作時，沖洗閥停在中間，工作時，沖洗閥移到高壓側，此時低壓側部分高溫油經過沖洗閥4、濾器和冷卻液流回油箱。沖洗溢流閥壓力應低于補油壓力約0.5 MPa，這樣能夠保證部分高溫液壓油流出和持續對系統補充低溫液壓油，有利于油液的冷卻和更換。

3)系統過載保護回路

船舶液壓推進系統在工作過程，螺旋槳承受的負載突然增大時會導致液壓系統工作壓力瞬間升高，這就需要系統元件有較大范圍的承受能力，不然會對系統造成嚴重損壞，導致航海事故，所以在液壓系統中必須設置過載保護裝置。

正常工況下安全閥為閉合狀態，安全閥為2個液控先導式溢流閥，設置的壓力為系統額定壓力的1.05%~1.10%[6]，本文設置為38 MPa。當設置的壓力小于相對應側的工作壓力時，此側的安全閥就會開啟，經過安全閥和單向閥高壓油液溢流到低壓側，保證液壓系統的安全。

根據對柴油機、液壓泵、螺旋槳、液壓馬達等關鍵元件的選型計算，以及液壓推進系統的原理設計船舶液壓推進系統如圖3所示。

圖3　船舶液壓推進系統設計圖Fig.3　Sim pledesignschemeofintegratedhydrau1iePr0Pulsionsystem

3結語

本文通過研究船舶推進系統的工作原理，船舶推進系統中柴油機、液壓泵、螺旋槳、液壓馬達等關鍵元件的選型計算，對壓系統主回路、補油回路、系統過載保護回路進行了設計。

參考文獻：

[1]馬興瑞.船舶液壓舵機系統中的流體噪聲控制[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010.

[2]吳伯才.船舶液壓推進的可行性探討[J].寧波大學學報(理工版)，2002(2).

[3]紀玉龍,張英,郭陽,等.船舶液壓推進技術評述[J].大連海事大學學報,2011(3):102-106.

[4]YAN L G,SHA C W,ZHOU K,et al.Progress of the MHD ship propulsion projeet in China[J].IEEE Transactions on Applied Superconduetivity,2000,10(1):951-954.

[5]吳恒.船舶動力裝置技術管理[M].大連:大連海事大學出版社,1999.

[6]彭秀英,盧飛平.溢流閥的壓力整定值及其確定方法[J].貴州工業大學學報(自然科學版),2005,34(5).

[7]OHTSUKI K.Boat propulsion system: United States, US 7168997 B2[P].2007-01-30.

Podded maritime official ship hydraulic propulsion system design

WANG Cheng-gang,XU Jia-jun,ZHANG Bo

(School of Mechanical and Electrical,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China)

Abstract：As shipping industry developed rapidly in recent years, large, high-speed, professional development trend of ship. Research on ship propulsion systems are constantly depth in China. The gap between the developed countries is gradually narrowing. Based on the research of domestic and international marine hydraulic propulsion system, according to the working principle of the ship propulsion system, selection calculation of the key element in ship propulsion systems, such as diesel engines, pumps, propellers, hydraulic motors. The article designs pressure system on the main circuit, fill the oil circuit, system overload circuits.

Key words：podded; hydraulic propulsion; pump; hydraulic motor

作者簡介：王成剛( 1974 - ) ，男，博士，副教授，主要研究方向為新型化工設備開發、機電控制及新型液壓氣動關鍵技術。

收稿日期：2014-03-21； 修回日期： 2014-08-15

文章編號：1672-7649(2015)02-0140-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.030

中圖分類號：U664.3

文獻標識碼：A