氣動注水噴氣推進式快艇關鍵技術研究

張東方

(江蘇海事職業技術學院，江蘇 南京 214082)

0 引 言

船舶噴射推進技術從早期的噴射推進、液壓推進、間歇性噴水推進、底板式噴水推進等演變[1]，并且隨著高性能艦船噴射推進數量的大量增加[2]，目前已經發展成為高性能艦艇普遍采用的先進推進技術。對于隱身艦艇而言，噴射推進技術在降低其聲學信號以及抑制空泡方面效果顯著。在高速航行時，噴射推進的噪聲比傳統螺旋槳推進低10 dB左右[3]。與此同時，研究表明，海上行駛的船舶所排放的污染物與汽車尾氣一樣能嚴重污染空氣，從而對沿海居民的健康造成影響[4]。所以在石油資源逐漸耗盡的今天，氣動式噴射推進作為一種高效綠色的推進方式顯得尤為重要。

現代船舶也有通過推進水泵噴出的水流或者氣體的反作用力來獲得動力，并通過操縱舵及倒舵設備分配和改變分流的方式來實現對船舶航向的操作。但是當船舶航速較低時，噴水推進的效率比螺旋槳要低些，而且由于增加了外殼體的保護，推進泵葉輪的拆換比螺旋槳復雜[5]。工作于艇后的推進器與螺旋槳工作環境類似，但是推進器模型與螺旋槳模型有所差別，推進器模型由壓縮裝置與噴射裝置等組成，相比于螺旋槳模型裝置更為復雜。國內外文獻[6 – 10]對于普通船舶噴水推進技術的研究較多，對軍用領域比如高速攻擊艇等快艇的研究較少，本文針對快速艇的噴水推進效率和控制的關鍵技術進行了深入有效的研究。

1 噴氣推進裝置數學模型

1.1 噴氣推進裝置的運動學模型

噴氣移動裝置的運動模型主要由運動學模型和動力學模型2部分組成，其運動學模型用來描述其運動狀態。圖1顯示了均勻作用在推進器反應室外表面的外部標準大氣壓和作用在其內部的水蒸氣壓力。反應室內部壓力為飽和水蒸氣溫度為通過面積為第一出氣口時速度為由面積為的第二出氣口向外部排放時的速度為溫度為壓力為

圖1 作用在反應室和噴管內外的不均勻壓力Fig. 1 Pressure acting on inner and outer surface of the relation cell and nozzle

式（1）可以簡化為

根據牛頓第一運動規律，勻速運動的物體合外力為0。所以推力應該與船體所受的阻力[12]大小相等，其中是船體總阻力系數；為船體的濕表面積；為船體擬能達到的速度。

1.2 噴氣推進裝置的動力學模型

氣動注水噴氣推進器的的動力學模型，用于分析推進器在推進工作時的動力情況。

1.2.1 水蒸汽溫度[13]

推進器穩定工作時，水蒸汽溫度Tm由熱力學公式可得：

圖1 溫度Tm流量Q關系曲線Fig. 1 Relation of flux rate and water vapor temperature

1.2.2 推進器推力

由式（2）和式（5）可得：

由式（4）、式（6）和式（7）可得：

2 快艇噴氣推進裝置關鍵技術設計

2.1 快艇噴氣推進裝置驅動技術設計

本文設計的快艇推進驅動技術主要包括噴氣閥門的自動鎖止控制設計，噴氣閥門的閉合與打開是由控制指令轉換成自鎖指令實現的，噴氣推進裝置采用自動鎖止控制，如圖4設計所示，自動鎖止控制系統的控制結構是由壓力感應器和鎖止開關組成的。工作原理是快艇中的增壓氣室內氣體壓力值達到臨界值，壓力感應器打開鎖止開關。該控制系統的優點在于操作簡單，控制方便，并且可以根據推力的不同需求，更改壓力感應器的預設壓力值。

圖3 推力F流量Q關系曲線Fig. 3 Relation of thruster propulsion and flow rate

圖4 噴氣系統的自動鎖止控制Fig. 4 Locking control system of jet automatic

2.2 快艇噴氣推進裝置控制技術設計

噴氣推進裝置的控制是噴氣推進裝置的關鍵技術之一，控制技術包括控制技術的設計和系統的補償等方面。本文設計的快艇噴氣推進裝置的系統控制原理如圖5所示。推進裝置接收到姿態信息以后，傳遞給信息處理機構，計算得出新的控制指令，傳輸給快艇推進系統以達到控制執行的目的。該系統的能量來源是由光伏發電系統提供的清潔能源，優點是環境保護，節約能源，其中外界擾動多為偶然擾動。

圖5 噴氣推進裝置控制原理Fig. 5 Control principle of jet propulsion

3 噴氣推進快艇設計及性能分析

3.1 噴氣推進快艇設計

為解決現有噴氣推進技術中驅動效率低，精度控制困難的問題，設計一種利用離網光伏發電系統為氣動注水推進裝置提供能量的快速艇作為研究對象，快艇結構如圖6所示。

圖6 快速艇結構示意圖Fig. 6 Schematic diagram of speedboat

離網光伏氣動注水推進快速艇利用主船體表面的太陽能電池板5進行離網光伏發電功能，主船體兩側的翼體上空氣壓縮機3工作時，將壓縮空氣注入增壓氣室2，使增壓氣室2內的氣體具有一定壓力。翼體的上層蓋板采用太陽能集熱板4制成，通過太陽能集熱板4吸收太陽能，以增壓氣室2內的氣體為介質，為其加熱增壓，提高噴射氣體的壓力，保證噴射效能。

推進器的控制系統是由并列設置的兩氣動注水噴射裝置尾部的矢量變向裝置構成，矢量變向裝置包括連接在注水室與噴口之間的波紋管110和控制波紋管伸縮的液壓裝置，液壓裝置包括設置在波紋管一側的液壓缸109；兩氣動注水噴射裝置的波紋管及噴口部分并列聯接，液壓缸分別設置在其并列整體的左、右兩側；液壓缸的活塞桿114向后伸出，與波紋管的末端連接，通過控制兩液壓缸活塞桿的相對伸縮量調節兩噴口的轉動角度，以達到精確控制船體運動軌跡的目的。噴射裝置的設計效果如圖7所示。

圖7 氣動注水噴射裝置的主、俯視圖Fig. 7 Pneumatic water injection device of the main vertical view

推進器的驅動系統主要技術內容包括貯氣室103與注水室108之間的隔板開關控制系統，渦輪注水系統和噴口113。

貯氣室與注水室之間的隔板開關控制系統包括壓力開關105和鎖止氣水分隔板104的自動鎖止機構，壓力開關設有監測貯氣室氣壓的壓力傳感器。采用自動鎖止機構控制氣水分隔板在貯氣室氣壓未達標時保持關閉狀態，自動鎖止機構與壓力開關連接，根據壓力開關發送的觸發信號，打開鎖止機構，釋放其對氣水分隔板的約束，使氣水分隔板在氣流沖擊下打開，在重力作用下回落到初始位置被重新鎖止關閉。通過預設壓力開關的壓力系數來調節預噴氣體的壓力值，可進一步改變噴射所需的推力。噴射時，壓力開關打開，貯氣室內的高壓氣體頂開氣水分隔板,在氣流沖擊水體的同時，氣水分隔板對水也會產生一個前進的推力。

如圖8和圖9所示，渦輪注水系統由雙渦扇107和驅動氣體的輸送系統組成，包括同心的內渦扇107-2和外渦扇107-3，由內渦扇帶動外渦扇轉動，利用外渦扇將氣動注水噴射裝置外部的海水壓入注水室；內渦扇安裝在封閉的殼腔內，殼腔的底部設有泄壓槽107-5，內渦扇工作時，將殼腔內的氣流下壓，氣流從泄壓槽中排入到注水室內。

圖8 注水裝置結構示意圖Fig. 8 Water injection device structure diagram

圖9 鉸鏈結構和從動鉸鏈結構的示意圖Fig. 9 Hinge structure and driven hinge structure diagram

內渦扇通過從貯氣室引入的氣流帶動，氣流的出口設置在內渦扇葉片的上方。入口116設置在貯氣單元貯氣室腔體頂部靠近氣水分隔板的位置，并設有封閉該入口的堵塞器106-2，堵塞器通過從動鉸鏈結構安裝在貯氣室腔體頂部；氣水分隔板通過主動鉸鏈106-1結構安裝在貯氣室與注水室的交界處，主動鉸鏈結構的轉軸通過齒輪與從動鉸鏈結構轉軸傳動連接，使氣水分隔板向注水室方向轉動打開時，所述堵塞器向氣流入口方向轉動封閉入口。

噴口包括漸縮的棱錐狀主噴口腔，主噴口腔末端設有呈多邊形的一級出口，如圖10所示，主噴口腔在靠近一級出口的各個內側錐面上分別安裝有一梯形內層封板113，內層封板貼附在錐面上，與對應的錐面保持平行，內層封板可在第二驅動機構的控制下朝著對應錐面的延伸方向向一級出口外移動，到達極限位置時，各內層封板伸出一級出口的部分拼合呈漸縮的副噴口腔，副噴口腔的末端形成尺寸小于一級出口的二級出口，達到增大噴口處注水空間、減小噴口管徑大小的目的，適時根據快艇對不同航速的需求進行調整，從而提高氣動注水噴射裝置的推進效能。

圖10 噴口伸縮2種狀態的對比示意圖Fig. 10 Nozzle telescopic comparison of two kinds of state diagram

3.2 噴氣推進快艇性能分析

為了進一步驗證本文設計的噴氣推進式快艇性能，采用數值計算對該艇的推進性能進行分析，快艇數值仿真如圖11所示。

圖11 快艇數值仿真Fig. 11 Numerical simulation of speedboat

經數值水池對傳統的螺旋槳推進的快艇與同船型的噴射推進快艇在4種航行工況下的推進效能實驗對比分析顯示，在高速推進航行時，噴射推進快艇優勢明顯，運行平穩，抗空泡性良好，在同等航行工況下，噴射推進快艇所需的單位推力遠小于螺旋槳推進，并且回轉直徑小，具有良好的操縱性。其與傳統螺旋槳推進的性能比較如表1和圖12所示。

表1 螺旋槳與噴射的推進性能比較Tab. 1 Comparison of propeller and jet propulsion performance

圖12 螺旋槳與噴射推進性能比較（空芯代表螺旋槳推進，實芯代表噴射推進）Fig. 12 Comparison of propeller and jet propulsion performance

4 結 語

本文基于噴氣推進裝置的運動模型和動力學模型，分析其運動狀態和特性，對噴射推進效率和控制的關鍵技術進行了深入研究。以一般快速艇為研究對象，設計了適合其噴氣推進的控制系統和驅動系統，經數值水池性能分析，該推進方式可以為高性能艦艇提供高效快速的推力，具有良好的可操縱性。隨著噴射推進技術的深入研究和大功率船用原動機的研發，軍用高速艇及其他特殊艦艇的噴射推進技術的應用將逐步擴大。