高原高速艇半浸槳雙速比齒輪箱應用分析

臧瑞斌，周劍，辛公正，丁恩寶，彭曉星

(1.常州玻璃鋼造船廠有限公司，江蘇 常州 213127；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

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高原高速艇半浸槳雙速比齒輪箱應用分析

臧瑞斌1，周劍2，辛公正2，丁恩寶2，彭曉星2

(1.常州玻璃鋼造船廠有限公司，江蘇 常州 213127；2.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

針對高原環境下高速艇半浸槳的雙速比齒輪箱選型問題，通過最大航速工況下的小減速比的選取，確定滿足最大航速需求的半浸槳方案，根據半浸槳全浸狀態下的水動力特性開展不同大減速比下低速起滑性能的比較，優選出低速起滑性能更優的大減速比方案。實船試航結果表明，雙速比齒輪箱的應用成功解決了高原高速艇低速起滑的難點，雙速比齒輪箱的選型方法可取。

雙速比；半浸槳；高速艇；高原

半浸槳在高速航行時，處于通氣狀態，槳葉不會發生空泡，從而避免了剝蝕和推進效率下降[1]，是一種特別適合用于高原低氣壓環境下高速船的推進方式。船-機-槳匹配仍然是高原環境半浸式螺旋槳設計的關鍵技術，采用半浸式螺旋槳的高速船，起滑過程是一個重負荷的工況，為了沖過阻力峰，此時螺旋槳轉速比較低，平原環境下的高速船也有因為無法克服阻力峰而導致船舶無法達到設計航速的案例，通過改變滑行狀態姿態，如增加可調艉板或給螺旋槳通過減小螺旋槳負荷的方法可以改善船的起滑性能[2]。高原環境下，在起滑階段，由于螺旋槳轉速比較低，對應于低轉速的主機工況，此時進氣量遠低于平原工況，主機輸出功率下降很大，極易造成無法提供螺旋槳所需要的功率而發生起滑失敗。采用雙速比齒輪箱可有效改善起滑性能，起滑前采用大減速比，可使主機工作在高轉速工況，起滑后再調整到小減速比，兼顧了起滑前后主機槳匹配的矛盾。因此考慮高原環境的影響規律，針對雙速比齒輪箱應用選型開展分析。

1 高原環境的影響

1.1 高原環境對主機的影響

主機作為驅動螺旋槳旋轉的動力源，是船-機-槳三者匹配的重要因素。高原環境由于低氣壓的特點，進氣量小于平原狀態。對于額定轉速附近的高轉速工況，增壓器工作效率損失較小，主機功率下降較小。對于低轉速工況，由于增壓器工作效率很低，進氣量損失很大，因此低轉速工況主機功率下降劇烈。見圖1。

圖1 主機在平原及高原環境下的外特性曲線

高原環境半浸槳的水動力性能包含起滑前和起滑后2個狀態。

起滑前半浸式螺旋槳全部浸沒于水中，此時為全浸狀態。全浸狀態下，半浸式螺旋槳水動力性能與其空化程度密切有關，半浸式螺旋槳全浸狀態下不同空泡數的轉矩系數見圖2[3]。由圖2可見，隨著空泡數的降低，轉矩系數有下降的趨勢，空泡數越低，下降越明顯。

圖2 下不同空泡數對半浸式螺旋槳轉矩系數的影響(全浸狀態)

對于起滑后的滑行狀態，此工況對應半浸式螺旋槳的設計工況，槳處于通氣狀態。半浸槳工作在自由表面附近，槳葉剖面不斷出入水形成通氣狀態，與常規螺旋槳出現的蒸汽空泡有很大的區別，盡管表征這2種現象的相似參數目前都采用空泡數，空泡數是半浸式螺旋槳模型試驗重要的相似參數。為了研究空泡數對半浸式螺旋槳水動力在半浸狀態下的影響規律，設計模型試驗[4]，采用等車速變轉速進行，即保持傅氏數不變從而試驗結果不含傅氏數的影響，便于試驗結果分析。車速定為6.0 m/s，通過調整螺旋槳轉速獲得不同的進速系數，通過調節水池壓力獲得不同的空泡數。部分試驗結果見圖3。

圖3 不同空泡數半浸式螺旋槳水動力性能曲線(半浸狀態)

由圖3可見，在試驗進速系數范圍內，越過最大效率點對應的2個大進速系數點，空泡數有較大影響，而設計點的進速系數都小于最大效率點對應的進速系數，其他進速的空泡數對半浸式螺旋槳水動力性能影響都不大，可以忽略[5]。因此，從工程運用來看，高原環境低氣壓對半浸式螺旋槳半浸狀態影響不大，設計時可以忽略[6-7]。從這一點上看，相比于常規螺旋槳在高原環境下伴隨的推扭力和效率的下降以及極易伴隨的空泡剝蝕問題，半浸式螺旋槳本身的性能受高原環境的影響較小，有明顯的應用優勢。

2 雙速比齒輪箱的選型論證方法

選型時需要分別針對2級減速比開展論證及分析，從中選擇出更加合適的雙速比組合。艇體阻力特性見圖4。

圖4 高速艇阻力特性

由圖4可見，在19 kn附近存在一個阻力峰值，給高速艇起滑帶來一定的困難，同時考慮主機在低速段的特殊性，需要權衡考慮低速起滑與高速工況下的影響開展選型分析。選取大減速比時需保證高速艇在采用大減速比可越過低速阻力峰值；而小減速比選取時則需考慮高速艇在完成越過阻力峰在減速比變換成小減速比后，高速艇在小減速比狀態下仍能滿足主機功率高于半浸槳功率需求。

齒輪箱的選型關鍵考慮選擇半浸槳驅動裝置的最大轉矩承受能力。而半浸槳裝置收到的轉矩主要來源是主機通過軸系及齒輪箱傳遞的，因此半浸槳驅動裝置的最大轉矩可通過主機特性粗略估算。不同轉速下最大轉矩的估算方法見圖5。

圖5 最大轉矩估算

2.1 小減速比的評估

首先從高速工況考慮小減速比，即齒輪箱第二級減速比的選取。分別評估了1.400，1.480及1.572三種減速比下半浸槳方案的最大航速(見表1)，評估相應方案在高原環境下的起滑性能，結果見圖6。評估結果表明，采用單減速比時，可以滿足高速需求；但在高原環境下，全浸狀態時，主機轉速高于1 600 r/min時，主機功率滿足半浸槳的功率需求，而當主機轉速低于1 600 r/min時功率下降劇烈，明顯不能滿足半浸槳的功率需求。因此，單減速比方案不能滿足該艇低速起滑的需求。

總的來說，在初中數學教學中發揮學生的主體性，是需要我們教師結合不同的教學模式與方法才能獲得的，同時他們的主體性得到激發才能夠獲得更好的教學效果。為此我們數學教師應重視這個過程，并認真反思自身的教學行為，這樣學生的主體性才能夠得到進一步的增強。

表1 不同減速比下航速評估

圖6 高原環境下三機方案低速下半浸槳功率需求與主機功率比較

由表1可知，隨著減速比增加，半浸槳的直徑有所增加，效率略有提升，同時半浸槳驅動裝置的承受能力需要越大，因此第一減速比取小減速比取1.400附近可滿足高速工況要求，半浸槳敞水效率ηo可達0.68左右，但在主機轉速低于1 600 r/min時主機無法滿足半浸槳的功率需求，無法完成起滑。

2.2 大減速比選型分析

對于大減速比的選取，由于半浸槳驅動裝置的轉矩限制不宜選取過大，因此需要從驅動裝置能力、起滑性能兩方面考慮選擇一個合適的大減速比，即第一級減速比。圖7給出了第一級減速比分別為1.706，2.033，以及2.407下低速下半浸槳功率需求與主機功率比較。由圖7可見，隨著減速比增加，半浸槳的起滑性能明顯改善，但從驅動裝置的實際能力考慮，減速比不宜過大，否則驅動裝置的轉矩承受能力需要增加，驅動裝置重量大大增加，同時減速比過大往往容易導致半浸槳過輕，吸收不了主機功率，不能充分發揮主機特性，因此在選取大減速比時需要兼顧這些因素，保證高速艇使用大減速比時可越過低速阻力峰。

圖7 不同大減速比方案下低速下半浸槳功率需求與主機功率比較

3 方案設計及實艇驗證

目前還沒有專門針對高原環境開發相應的主機。為節約成本，應用到高原上的主機必須進行高原環境適應性改造，可考慮增加進氣量的裝置，見圖8。

圖8 主機在低速段高原適應性改裝后的外特性曲線

與平原環境相比，在高原環境下，當主機轉速低于1 600 r/min左右時，主機功率隨著轉速的降低急劇減小(見圖1)。由在高的主機轉速下，主機功率略微高于平原情況。而圖8可知，經過改裝，低速段的主機特性有所改善，但相比平原下還是有所不足。為此，針對高原環境改裝主機，開展半浸槳方案設計及齒輪箱的選型設計，半浸槳方案見圖9。

圖9 半浸槳方案

根據采用雙速比齒輪箱的選型論證方法針對某高原高速艇開展半浸槳推進方式雙速比齒輪箱的選型，小減速比取1.386，大減速比取1.769，見圖10，完成了實艇試航。由圖10可見，原先采用1.386的減速比方案在航速18 kn以下主機功率無法滿足半浸槳功率需求，在航速大于20 kn時主機功率則滿足半浸槳功率需求，采用大減速比1.769后，20 kn以下的低速起滑性能明顯得到改善。因此在20 kn以下采用大減速比，當航速達到20 kn時，通過減速比變換成小減速比，可保證在整個航速段主機功率滿足半浸槳功率需求。

圖10 低速時半浸槳不同減速比下主機所需功率曲線(全浸狀態)

進行高原環境下實艇雙速比聯調試，高速艇在高原成功完成了起滑[8]。實艇不同時間下航速變化情況及雙速比的聯調情況見圖11。

圖11 高原環境下高速艇雙速比聯調試驗

由圖11可見，速度隨著時間變化比較平緩，高速艇起滑比較順利，初始階段經過約20 s后由大減速比變換小減速比，順利完成齒輪箱的換擋，艇體完成起滑,驗證了雙速比齒輪箱的選型方法在高原高速艇半浸槳推進方式中的應用是可行的。

4 結論

1)高原環境對主機低速特性影響較大，在半浸槳匹配設計過程中需要重點考慮，可以進行主機在低速段的高原適應性改裝，采用雙減速比齒輪箱可顯著改善低速起滑性，便于高速艇越過低速阻力峰值。

2)當高速艇采用的主機在低速段的功率特性不佳的情況下，采用雙速比齒輪箱是解決高速艇低速起滑問題的良好手段。

3)雙減速比齒輪箱工作時，2個速比差距越大，越有利于降低半浸槳負荷，但減速比太大低速下不利于發揮主機性能，在選取雙減速比時需要權衡低速及高速工況要求，保證采用大減速比可越過低速阻力峰，同時在減速比換擋時保證雙減速比均可滿足主機功率要求，從而使得在整個航速段滿足主機功率高于半浸槳需求功率。

[1] ALEXANDER S. Achkinadze.supercavitating, highly cavitating and surface piercing propellers design[J].FAST,2005,89-90.

[2] 丁恩寶，唐登海，周偉新.半浸式螺旋槳研究綜述[J].船舶力學，2002,6(2):75-77.

[3] 吳幼華，周偉新.半浸槳試驗方法研究[R].無錫：中國船舶科學研究中心,1997.

[4] 吳幼華，周偉新.不同空泡數下的半浸槳水動力性能研究[R].無錫：中國船舶科學研究中心,1998.

[5] 劉紹宗，朱恒順.部分浸水螺旋槳的系列化特性[R].無錫：中國船舶科學研究中心,1989.

[6] HADLER J B, HECKER R. Performance of partially submerged propellers[C]. Proceedings, Seventh Office of Naval Research Sympo-siumon Naval Hydrodynamics,Aug.1968.

[7] 王國強，賈大山，盛振邦.部分浸水通氣螺旋槳水動力性能[J].中國造船,1990：109-110.

[8] 周劍，丁恩寶.新型高原高速艇半浸槳關鍵技術總結報告[R].無錫：中國船舶科學研究中心,2013.

Application of Double-ratio Gearbox in Surface Piercing Propeller of High Speed Craft in Plateau

ZANG Rui-bin1, ZHOU Jian2, XIN Gong-zheng2, DING EN-bao2, PENG Xiao-xing2

(1.Changzhou Fiberglass Shipyard Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213127, China;2.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)

To analyze the type selection of the double-ratio gearbox for the surface piercing propeller (SPP) of high speed craft in plateau, the scheme meeting the maximum speed demand was made during choosing the small reduction ratio. Meanwhile the big reduction ratio was optimized by comparative analysis of planning performance under low speed of different big reduction ratios. The results of ship trial showed the application of the double-ratio gearbox in SPP of high speed craft in plateau meets requirements of both the low speed and high speed, and the method is validated.

double-ratio; surface piercing propeller; high speed craft; plateau

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.027

2016-09-14

國家自然科學基金(11332009)

臧瑞斌(1976—)，男，學士，高級工程師

研究方向：船舶總體

U661.43

A

1671-7953(2017)04-0122-04

修回日期：2016-10-10