一種小型高速游艇動力總成設(shè)計(jì)

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(湖北三江船艇科技有限公司，湖北 孝感 432000)

小型高速游艇動力驅(qū)動主要采用螺旋槳推進(jìn)和噴水推進(jìn)兩大類，噴水推進(jìn)動力系統(tǒng)原理是從船底由進(jìn)水口通過進(jìn)水流道吸水，再經(jīng)噴泵做功通過噴口向船后高速噴出，利用噴出水流反作用力來推動船舶前進(jìn)[1]，目前市場上小型游艇絕大多數(shù)采用的是舷外掛槳機(jī)，內(nèi)置式發(fā)動機(jī)帶噴水推進(jìn)動力系統(tǒng)因安裝較為繁瑣而應(yīng)用很少。本設(shè)計(jì)將內(nèi)置式發(fā)動機(jī)、流道、噴泵、操控，以及電氣系統(tǒng)融為一體，以集成化、模塊化思路，最大限度簡化安裝流程，可以適配不同結(jié)構(gòu)的船型，使更加安全、操控性更好、水域適應(yīng)性更廣的舷內(nèi)機(jī)噴水推進(jìn)動力系統(tǒng)，逐漸替代舷外掛槳機(jī)配置到各類小型游艇中。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：總體方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)、流道組件設(shè)計(jì)、樣件制作及組裝、裝艇水上試驗(yàn)。

1 總體方案

發(fā)動機(jī)、噴泵、流道組件為該動力總成動力輸出核心設(shè)備，噴泵緊固在流道組件上，噴泵葉輪軸通過聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)輸出軸相連，方向、倒車、油門拉線采用軟軸形式分別連接在噴泵及發(fā)動機(jī)上，儀表盤、控制桿、方向盤安裝在操控臺；整套設(shè)計(jì)功能齊全、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝便利，突出了該動力總成模塊化、集成化、通用性的設(shè)計(jì)理念。

2 系統(tǒng)布置

發(fā)動機(jī)、噴泵、流道組件三大動力輸出核心設(shè)備安裝布置見圖1。

該套系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于模塊化，使得該動力總成能適應(yīng)不同船型船底結(jié)構(gòu)的安裝，適用范圍較廣。另外，整套系統(tǒng)布置緊湊，安裝空間較小，動力總成安裝尺寸見圖2。

布置設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)如下。

1)分隔式機(jī)艙布置設(shè)計(jì)。機(jī)艙由發(fā)動機(jī)艙與流道艙組成。發(fā)動機(jī)艙用于安裝布置發(fā)動機(jī)本體、軸承座、聯(lián)軸器等；流道艙用于安裝布置流道、發(fā)動機(jī)消音器、艙底泵等。

2)噴泵與流道組合式設(shè)計(jì)。在流道氣窗面將噴泵安裝所需螺栓孔預(yù)先開好，待流道安裝定位完畢后即可安裝噴泵，而無需再在船尾板上開孔，安裝過程省時省力，見圖3。

3)軸承座單元設(shè)計(jì)。將軸承座、聯(lián)軸器及支撐座架設(shè)計(jì)組裝在一起，形成一個整體單元，安裝時使用調(diào)整墊片調(diào)節(jié)支撐座架上下及左右方位，能快速實(shí)現(xiàn)軸承座/聯(lián)軸器與葉輪軸之間的安裝對中，見圖4、5。

3 流道組件設(shè)計(jì)

隨著高性能計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來數(shù)值模擬方法越來越多地應(yīng)用于噴水推進(jìn)器部件與系統(tǒng)流場分析評估及性能預(yù)報(bào)等研究中，與試驗(yàn)方法結(jié)合證實(shí)了CFD研究噴水推進(jìn)水動力性能方法的可信和有效[2-3]。流道組件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于流道線形設(shè)計(jì),已有的研究表明，應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)綜合流體動力性能優(yōu)良的進(jìn)水流道快速設(shè)計(jì)[4]。

以目前某款船艇產(chǎn)品下艇身流道三維模型作為設(shè)計(jì)原型，提取流道線形參數(shù)，結(jié)合加工工藝要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并補(bǔ)充設(shè)計(jì)掏水草機(jī)構(gòu)與氣窗安裝面，完成流道組件設(shè)計(jì)，見圖6、7。

對流道組件進(jìn)行三維建模，見圖8。

該流道組件設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

1)流道形態(tài)簡化，加工制造更為方便。

2)增加掏水草機(jī)構(gòu)，解決了定期清理流道內(nèi)雜物的問題。

3)集成設(shè)計(jì)了軸承座底板，使軸承座安裝對中更加便捷，同時使得整套系統(tǒng)更加緊湊。

4)增加了氣窗安裝面，將噴泵安裝所需開設(shè)的螺紋孔預(yù)先打好，極大地簡化了噴泵安裝過程。

5)流道組件底部設(shè)計(jì)為平面，可以任意角度旋轉(zhuǎn)安裝，能適應(yīng)不同船底角度船型安裝。

4 樣件制作及組裝

為了適應(yīng)不同材質(zhì)船型安裝需要，加工制作玻璃鋼及鋁合金流道組件樣件各1件，玻璃鋼流道組件樣件采用模壓成型工藝[5]，鋁合金流道組件樣件采用焊接成型工藝[6]。組裝發(fā)動機(jī)、噴泵、軸承座組件、聯(lián)軸器及緩沖件后，形成動力總成樣件(玻璃鋼流道組件)，見圖9。

動力總成主要技術(shù)參數(shù)及配置見表1。

表1 發(fā)動機(jī)相關(guān)動力參數(shù)

5 裝艇水上試驗(yàn)

選用一款總長6 m，自重1 t的氣囊船作為試驗(yàn)艇，將試驗(yàn)艇艉部自帶的流道切除，采用手糊玻璃鋼工藝將玻璃鋼流道組件樣件安裝在試驗(yàn)艇尾部[7]，整套動力總成樣件安裝調(diào)試完畢后，將試驗(yàn)艇運(yùn)輸?shù)介_闊水域進(jìn)行水上試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)艇航速及油耗數(shù)據(jù)見表2。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)艇動力性與經(jīng)濟(jì)性滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求，該套動力總成樣件實(shí)用、可靠。

6 結(jié)論

1)對一種噴水推進(jìn)動力系統(tǒng)總成進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，這種緊湊、高效的推進(jìn)方式非常適合各類小型性能艇。由于該類艇自重較小，航行過程中能借助水浪反作用力在水面滑行，極大程度減小船體水阻，從而達(dá)到極高的航行速度。目前這種推進(jìn)方式已經(jīng)被大量用于海關(guān)、公安、救援等領(lǐng)域。

表2 試驗(yàn)艇水上試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)與之前研究所不同的是，本研究方向和設(shè)計(jì)思路是“兩化一性”，即模塊化、集成化、通用性。該套動力總成系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)、噴泵、流道三大系統(tǒng)集成為一個整體，形成一款模塊化動力總成產(chǎn)品，可為各類不同船型提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、便捷式噴水推進(jìn)動力配套方案。

3)目前在這個市場占據(jù)絕對主導(dǎo)地位的舷外掛槳機(jī)，將會被一部分水域適應(yīng)更廣、操控性更佳、安全性更好、推進(jìn)效率更高的噴水推進(jìn)動力系統(tǒng)所取代。

4)為了進(jìn)一步拓寬該套動力總成產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，后續(xù)需在采用液壓拉線替代軟軸拉線和縮短整套產(chǎn)品長度方向安裝尺寸方面進(jìn)行深入的研究。

[1] ALLSION J. Marine waterjet propulsion [J].SNAME Transaction，1993，101：275-335.

[2] NORBERT B. Numerical analysis of a waterjet propulsion system [D].Netherlands：Library Eindhoven University of Technology，2006.

[3] PEIXIN H，ZANGENEH M. CFD simulation of the flow through a waterjet pump [C] ∥ International Conference on Waterjet propulsion 3. Gothenburg：RINA，2001.

[4] 丁江明，王永生.噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道參數(shù)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(10):1423-1428.

[5] 黃家康，沈玉華.玻璃鋼模壓成型工藝[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1982.

[6] 周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[7] 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院.玻璃鋼漁船體手糊工藝規(guī)程：SC/T 8111-2000[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.