氣墊船導葉控制系統的應用與發展

孫 勇

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

氣墊船導葉控制系統的應用與發展

孫 勇

(海軍裝備部西安軍事代表局 西安 710054)

氣墊船進口導葉控制系統是燃機控制的重要組成部分,對保障機組的安全高效運行起著重要作用。通過壓氣機進口導葉的開度控制,不僅可以在低轉速時防止壓氣機發生喘振,還可以在部分負荷時,提高壓氣機出口空氣溫度,從而提高聯合循環的效率。文章闡述了氣墊船、導葉控制系統、軍事運用、裝備概況,最后論述了氣墊船導葉控制系統的發展動向與分析。

氣墊船; 導葉控制系統; 發展分析

Class Number TN97

1 引言

近年來各類概念新穎的復合高性能船不斷出現,其中,一種以氣墊船為基礎改進的先進船型顯示出其獨特的性能。該型船為雙體船結構,其船底復合了氣墊船與滑行艇的特點。每一單體的前部利用雙體船的下部結構作為防濺條,其寬度占總船寬的0.3～0.4,雙體之間的平板是該船動力滑行的部位。每個船體后部為矩形空腔,以形成氣墊。其長寬比為6～12。氣墊支撐了大約80%的排水量,在巡航速度下,推進功率僅為普通雙體船的一半。例如,美國制造的試驗船船長31m,船寬10m,最高航速達56節[1]。

2 氣墊船

氣墊船是利用高壓空氣在船底和水面(或地面)間形成氣墊,使船體墊起離開水面(或地面),而實現高速航行的船。氣墊是用大功率鼓風機將氣壓入船底下而形成的,船底周圍有柔性的圍裙或剛性的側壁,利用它們把氣體圍住,限制在船底,防止逸出。柔性圍裙用尼龍或氯丁橡膠制品做成[2]。

氣墊船是利用高于大氣壓的空氣在船底和支撐面(水面或陸地)之間形成“空氣墊”,通常稱氣墊,并由氣墊支持船體重量,從而使全部或部分船體離開支撐面的一種新型高速船。

氣墊船的最大優點在于減小航行阻力,因為空氣阻力遠小于水阻力。因此可以達到較高航速。

其次,氣墊船具有完全兩棲性,適于淺灘和淺水地帶航行。

氣墊船的動力裝置的功率主要用于兩部分：一部分供給墊升風扇造成氣墊所需的功率,稱為墊升功率。另一部分是航行所需功率,稱為推進功率。

2.1 全墊升氣墊船

全墊升氣墊船是利用墊升風扇將壓縮空氣注入船底,與支承面之間形成“空氣墊”,使船體全部離開支承面的高性能船,英國制造的世界第一艘氣墊船即為全墊升式。

全墊升氣墊船采用空氣螺旋槳推進,航行時船底離開水面,因此具有獨特的兩棲性和較好的快速性。在軍事上,氣墊艇是最理想的登陸作戰運輸裝備,它的高航速、兩棲性大大提高了上陸搶灘速度,加大了戰術突然性,有利于上得去,突得破。墊升式氣墊船不但可在冰雪、沼澤、礁灘上航行,也可在無碼頭設施的沿海島嶼停靠,實施無碼頭組織不間斷的后勤補給,有利于向縱深突擊；同時也是獵雷艇、掃雷艇的理想艇型。另外,還可用于在淺灘、灘涂、島嶼間擔負巡邏警戒、交通運輸、搶險救災等任務。

由于全墊升式氣墊船具有良好的通過性,受潮汐、水深、雷障、登陸障礙及近岸海底坡度、底質的限制小,因而可在全世界70%以上的海岸實施登陸作戰(排水型登陸艇只能在全世界17%的海岸線登陸)。另外,這種登陸氣墊船在戰斗裝載的情況下,仍可以30～40節甚至更高的航速航行,大大縮短了登陸部隊暴露于敵岸防火力下的時間,加快了上陸速度,提高了登陸部隊的安全性。

目前,美國海軍的新型全墊升式氣墊登陸艇LCAC氣墊登陸艇最為先進。LCAC氣墊登陸艇服役后與各種登陸艦先后進行了協同試驗,它可依靠自身動力和操縱自由進出各種登陸艦船塢。海灣戰爭中,LCAC艇參加了作為兩棲佯動的“雷擊臨近”大型演習。目前,俄羅斯擁有世界上最龐大的氣墊登陸艇編隊。

2.2 側壁式氣墊船

這種氣墊船的船底兩側有剛性側壁插入水中,首尾有柔性圍裙形成的氣封裝置,可以減少空氣外逸。航行時,利用專門的升力風機向船底充氣形成氣腔,使船體飄行于水面。它常選用輕型柴油機或燃氣輪機作為主動力裝置,用水螺旋槳或噴水推進,航速可達20～90節；有較好的操縱性和航向穩定性,但不具備兩棲性。

3 導葉控制系統

在燃氣輪機壓氣機的第一級動葉前有一列靜止的葉片,稱之為進口導葉(Inlet Guide Vane,IGV),進口導葉系統在各類燃氣輪機的運行中均起著至關重要的作用。通過改變導葉的角度,可以控制進入到壓氣機中氣流的角度與流量。某型船用燃氣輪機的IGV系統原本采用氣動控制,現參考航空發動機和重型燃氣輪機的設計,改造為液壓控制。故需要建立基于液壓控制的IGV系統模塊化仿真模型,從而對改造后的船用IGV系統進行研究。其系統包含機械、液壓、控制等多個領域。其組成結構[3]：

油循環系統-氣路循環系統-氣路循環系統-水路循環系統-配電系統-屏保護系統-直流電源系統-DTC控制系統

3.1 油循環系統

在啟動前,首先啟動油泵控制系統,油泵控制系統啟動后保證空壓機各潤滑部件潤滑良好,同時油泵控制系統可通過內置的溫控閥來調節內部油壓和油溫,以滿足系統需要。

3.2 氣路循環系統

壓縮機工作時,空氣經過自潔式空氣過濾器被吸入,通過PLC自動清洗過濾器,空氣在經過進口導葉自動調節后進入一級壓縮,經一級壓縮后的氣體溫度較高,然后進入中間冷卻器進行冷卻(水走管內,氣走管外,中冷器的水流量要求為110m/h)之后進入二級壓縮系統,為避免系統中的氣體倒入壓縮腔內(避免帶壓起動)在壓縮機的排氣管道安裝有一只懸掛全啟式止回閥,壓縮機排出的氣體推開止回閥進入排氣消聲器,然后進入一級后冷器,二級后冷器,再進入排氣主管道。

3.3 水路循環系統

冷卻水通過管道進入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進行冷卻降溫,再進入后冷器對排氣進行冷卻,另一路冷卻水進水管道經過主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組,還有一路對油冷卻器進行冷卻。

3.4 配電系統

空壓機為2000kW高壓電機(10kV)采用全壓啟動,控制柜為戶內交流、金屬鎧裝抽出式開關設備,開關設備由固定的柜體和可抽出部件即手車兩大部分組成,實現控制、保護、監測的目的,具有“五防”功能。

3.5 屏保護系統

中央信號裝置分為事故信號和預告信號兩種。事故信號的主要任務是在斷路器事故跳閘時,能及時地發出音響信號,并使相應的斷路器燈光位置信號閃光。預告信號的主要任務是在運行設備發生異常現象時,瞬時或延時發出音響信號,并使光字牌顯示出異常現象的內容。

3.6 直流電源系統

PZ32系列全自動免維護鉛酸蓄電池直流電源成套設備,由充電裝置屏,直流饋電屏和蓄電池組成,具有自動穩流,自動穩壓,自動調壓等功能,為中央信號屏和高壓控制系統提供電源。

3.7 DTC控制系統

DTC控制屏是空壓機的“大腦”,各類現場傳感器的數值,最終匯總至DTC控制屏,在DTC控制屏上顯示各類運行參數,并監視空壓機各部分的運行狀態,當某些參數超出允許范圍時,DTC會發出相應的報警或自動使空壓機停機。用電動機直接驅動壓縮機,使曲軸產生旋轉運動,帶動連桿使活塞產生往復運動,引起氣缸容積變化。由于氣缸內壓力的變化,通過進氣閥使空氣經過空氣濾清器(消聲器)進入氣缸,在壓縮行程中,由于氣缸容積的縮小,壓縮空氣經過排氣閥的作用,經排氣管,單向閥(止回閥)進入儲氣罐,當排氣壓力達到額定壓力0.7MPa時由壓力開關控制而自動停機。當儲氣罐壓力降至0.5MPa～0.6MPa時壓力開關自動聯接啟動。

通過壓氣機進口導葉的開度控制,不僅可以在低轉速時防止壓氣機發生喘振,還可以在部分負荷時,提高壓氣機出口空氣溫度,從而提高聯合循環的效率。壓氣機進口導葉控制系統是燃機控制的重要組成部分,對保障機組的安全高效運行起著重要作用。

壓氣機是燃氣輪機中的一個重要組成部件,它負責從周圍大氣吸入空氣并將其壓縮升壓,然后連續不斷的向燃燒室提供高壓空氣。通常在壓氣機第一級動葉前還有一列靜止固定的葉片,為進口導流葉片,又稱進口導葉(Inlet Guide Vane,IGV),用來控制進入第一級動葉前的氣流方向。

壓氣機進口導葉控制就是當機組啟停或調整負荷時,通過調節IGV葉片角度的變化,限制進入壓氣機的空氣流量,從而達到保護機組安全運行、提高運行效率的目的。

進口導葉控制系統與GE機組略有不同,運行過程中IGV葉片角度的變化,其最小開度為34°最大開度為-5°。啟動令發出(L4 master on),IGV即打開到中間開度,以減小空氣流量,防止機組喘振。

當機組轉速>2745rpm時,IGV關閉到最小開度,在燃機負荷<108MW時,保持最小開度不變,以維持較高的燃機排氣溫度,提高聯合循環的整體效率。若負荷繼續增加,則IGV逐漸打開,到燃機負荷等于243MW時達到最大開度,之后即使負荷繼續增加,IGV開度也保持不變。

4 裝備概況

氣墊船在英國、美國得到極大發展,在氣墊船研究、設計、工藝、制造、服務等方面達到國際一流水平,在世界氣墊船領域處于領導地位[4]。

4.1 英國格里芬

格里芬氣墊船是由柴油發動機驅動,可飛馳在土地、水雷、砂、泥、冰、雪、沙、巖石、雜草、原木、沼澤、雜物和急流之上。 在軍事領域,格里芬氣墊船被海軍、陸軍和準軍事客戶在全球使用,包括海岸警衛隊的巡邏艇、兩棲攻擊艦、快速攻擊、排除地雷、消防救援、警務執勤、海關輯私、物流后勤、醫療診所、緊急救援隊和突擊隊任務等。

4.2 美國近代

近代氣墊船創新的反向推力系統,全球專利,使得近代氣墊船成為唯一有效的可剎車和倒退的氣墊船,是同行業中最輕和最安靜的氣墊船。具有并排的座位,完全密封艙,高度發達的反向推力,制動性和可操作性,更多的駕駛艙空間,增加推力、低凈重和高載重量等。

4.3 英國比爾·貝克

英國比爾·貝克氣墊船公司專門制造可操作的氣墊船和氣墊船F1系列比賽用船。同時,比爾·貝克公司在英國氣墊船F1系列比賽中,提供比賽用氣墊船設計。比爾·貝克公司在賽車氣墊船設計方面持續成功,為世界的氣墊船俱樂部的賽車手們在更大的、所有形式的地形提供最滿意的比賽用氣墊船,這是在當今世界上沒有其他氣墊船公司可以做的有效工作。比爾·貝克公司還設計特種氣墊船,用于運輸,測繪,污染監測等。

4.4 英國海湃

英國海湃氣墊船采用了最新的CAD設計、數控工程和高密度聚乙烯船體的制造方法,導致更快的生產時間,并確保更短的交貨時間。海湃氣墊船的設計方法已經贏得了全世界的贊譽,比任何其他供應商生產更多的氣墊船。海湃氣墊船是為心靈的海上安全而設計的驅動器,非常方便和樂趣。海湃氣墊船非常適合于休閑、商業、救援和巡邏,是一種水陸兩棲氣墊飛船,它可以讓你懸停在任何平坦的表面,包括水、冰、雪、沙、泥和草。

4.5 澳大利亞海馬

澳大利亞氣墊船公司的海馬系列全艙型氣墊船,有多種型號：速度25、速度30、速度60、速度90等,載客從25人到90人,或者載重量從2.5噸到9噸,座椅很容易拆下來運載貨物。“海馬”系列氣墊船運行平穩,定向控制、操作簡單,非常安靜,裝飾豪華,外觀時尚,船身采用海洋級鋁合金制造,可以配備長程油箱、倉儲設施、廚房、衛生間。“海馬”系列氣墊船可探索任何的淺水區、珊瑚礁、沙、泥或雪,運送兩岸旅客,適合旅游及商業用途,是世界上最先進、最安靜的客輪。

4.6 加拿大空中客車

加拿大空中客車氣墊船公司生產多種型號商業氣墊船：海盜V12、先鋒V18、矢量V25、先鋒V40等,載客從16人到45人,廣泛應用于商業、旅游、軍事等領域。

5 軍事應用

氣墊船具有許多優良的特性,它航速快、聲場磁場壓力場小、隱蔽性好、適應性強等,尤其適于在登陸作戰中作為登陸輸送工具使用。從目前來看,其在軍事上應用的主要方面有[5]：

1) 輸送登陸兵。全墊升氣墊船航速快、且具有兩棲行駛能力,既能在離水面一定高度航行,也可以在海灘、泥澤、沼澤、水網稻田、冰雪地等較平坦的地形上航行。可以直接將登陸兵越過海岸的沙灘或淤泥輸送到陸地上,既提高了上陸速度,減少登陸兵上岸沖擊距離,縮短暴露在敵岸灘火力下的時間,又能越過相當多的各種自然的、人工的登陸障礙,使登陸點的選擇范圍更廣、更靈活。

2) 掃雷破障。氣墊船能大部分或全部脫離水面運行,且自身的磁場、壓力場等特征不明顯,水中的障礙物一般對其無作用或作用較小,水中的爆炸物也不易被其引爆。如傳統的阻礙排水型艦艇的障礙物和一些岸灘障礙物對其不起作用,而一般水雷也不會在氣墊船駛過時爆炸,且即使在氣墊船附近的水里爆炸時,其對氣墊船的損壞程度遠比排水型艦船小得多,因為氣墊船底下的氣墊能相當程度減少水中爆炸沖擊波的影響。利用這一點還可以運用氣墊船作為掃雷平臺,搭載掃雷具掃雷。

3) 作為武器平臺。氣墊船作為運載工具有航速快、受海浪等海況影響小、船身低隱蔽性較好等。采用氣墊船搭載反艦導彈進行反艦作戰,往往可以取得突襲的效果。裝載反艦導彈的小型氣墊船的反艦能力,甚至可以與排水量2000～3000噸級的導彈護衛艦相媲美。

6 發展動向

1) Aitech公司為美海軍氣墊登陸艇C4N系統提供配件。軍事航空電子網站2013年1月30日報道：美國海軍水面作戰中心巴拿馬分部(NSWC PCD)1月28日宣布將授予Aitech防務系統公司一份唯一來源合同,以提供多達275個配件,其中包括65個處理器板、110個雙頭圖形控制器、100個多功能A/D和D/A轉換器,用于氣墊登陸艇(LCAC)的指揮、控制通信、計算機和導航(C4N)設備[6]。

LCAC可以將武器、裝甲車、設備、貨物和部隊從海上兩棲攻擊艦運抵海灘,移動速度超過74km/h(40節),整個船體高出水面1.2m(4英尺)。LCAC C4N系統采用開放式結構設計,以納入商用現貨(COTS)組件,包括現代化高功率P-80雷達、精確導航系統和通信系統。

2) 美海軍開始建造氣墊登陸艇替代艇。美國海軍新聞網2014年1月25號報道：美海軍兩棲作戰項目經理克里斯·默瑟上尉在近日舉行的水面艦艇協會2014年會中透露,美海軍即將開始新一批9艘氣墊登陸艇,這種旨在替代美海軍現役氣墊登陸艇LCAC的新型氣墊艇名為岸艦連接器(Ship to Shore Connector,SSC)[7]。

3) 美海軍與德事隆集團簽訂氣墊登陸艇購買合同。合眾新聞網2015年4月14日報道：美國海軍簽訂了一項合同,德事隆集團海上及陸上系統公司將建造兩艘新型氣墊登陸艇。這兩艘登陸艇—102號和103號將在該公司位于新奧爾良的工廠中進行生產,并于2019年下半年交付。該兩艘登陸艇是美國海軍艦到岸計劃中的一部分,將用于從大型船只上運輸武器、設備、貨物和突擊小隊人員到岸上,并且人道主義救援任務設備和供給的傳遞[8]。

7 發展分析

氣墊船導葉控制系統的應用與發展分析：當前對于IGV系統的研究很多,但主要集中在對其葉片氣動效果以及關于燃機整體性能的控制等方面,例如,研究IGV葉片對燃氣輪機性能的影響；研究導葉角度對軸流壓氣機總壓畸變的影響；對IGV系統的仿真模型的研究；液壓驅動控制方面的研究；機電液一體化復雜系統的仿真等[9]。

8 結語

氣墊船進口導葉控制系統是燃機控制的重要組成部分,對保障機組的安全高效運行起著重要作用。通過壓氣機進口導葉的開度控制,不僅可以在低轉速時防止壓氣機發生喘振,還可以在部分負荷時,提高壓氣機出口空氣溫度,從而提高聯合循環的效率。隨著氣墊船導葉控制系統機電液一體化復雜系統的完善,在未來現代化戰爭或局部海戰中,對登陸作戰,實施突襲敵岸防目標,適時運用氣墊船導葉控制系統技術,就能夠達到預期的目的[10]。

[1] 張洪田,耿瑞光,孫遠濤.虛擬樣機技術在氣墊船推進系統特性研究中的應用[J].艦船科學技術,2012(1):56-57.

[2] 駱海民,張洪雨,蘭波.氣墊船操縱運動建模與仿真[J].船舶,2009(4):34-35.

[3] 冀楠,張洪雨,劉洋,等.氣墊船舶與水面沖擊過程的模型仿真分析[J].計算機仿真,2015(11):58-59.

[4] 程虹,楊屹,王青.氣墊船優化設計探討[J].艦船科學技術,2008(2):101-103.

[5] 王維相,翁亞棟.國外氣墊船的應用與發展[J].世界橡膠工業,2008(12):134-137.

[6] Aitech公司為美海軍氣墊登陸艇C4N系統提供配件[N].每日防務快訊,2013-01-30,23-25.

[7] 美海軍開始建造氣墊登陸艇替代艇[N].每日防務快訊,2014-01-25,45-47.

[8] 美海軍與德事隆集團簽訂氣墊登陸艇購買合同[N].每日防務快訊,2015-04-14,8-9.

[9] 龐景昊.航空操控面板組件在氣墊船上的應用研究[J].船舶,2015(6):67-70.

[10] 丁福光,朱超,方勝,等.全墊升氣墊船PID-非奇異終端滑模的航跡保持[J].新型工業化,2015(5):43-45.

Application and Development of the Control System of Guide Vane Hovercraft

SUN Yong

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Hovercraft inlet guide vane control system is an important component of the gas turbine control, to ensure the safe and efficient operation of the unit plays an important role. Through the compressor inlet guide vane opening control, it not only can prevent the compressor surge in low speed, can also in part load, improve the compressor outlet air temperature, so as to improve the efficiency of the combined cycle. The article expounds the hovercraft, guide vane profile control system, military use, equipment, finally discusses the hovercraft guide vane development trend and the analysis of the control system.

hovercraft, guide vane control system, development of analysis

2016年7月10日,

2016年8月19日

孫勇,男,工程師,研究方向：飛行器總體設計及結構裝配。

TN97

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.002