噴水推進裝置在船舶中的應用

劉偊章

摘? 要：噴水推進是一種特殊的船舶推進方式，與螺旋槳推進不同的是，它是利用水泵原理往船體后部噴水，以獲得前進動力的一種推進方式。文章主要是研究噴水推進裝置在船舶中的運用，淺談噴水推進裝置的發展歷史、噴泵分類和其工作的原理，并就噴水推進裝置基本組成、空間布置、船舶操縱性能、維護保養、運用范圍及推進優勢進行簡要分析。

關鍵詞：船舶;噴水推進;運用

中圖分類號：U661? ? ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）27-0165-02

Abstract： Waterjet propulsion is a special way of ship propulsion， which is different from propeller propulsion in that it uses the principle of water pump to spray water to the back of the hull in order to obtain forward power. This paper mainly studies the application of water-jet propulsion device in ships， and discusses the development history of water-jet propulsion device， the classification of jet pump and the principle of its work. The basic composition， space arrangement， ship maneuverability， maintenance， application scope and propulsion advantages of water jet propulsion unit are briefly analyzed.

Keywords： ship; waterjet propulsion; application

1 發展歷史

上個世紀50年代，世界各國開始研究噴水推進裝置。初期噴水推進裝置只是利用水泵原理，吸水后從船尾噴出去，依靠噴出水流的反作用力推動船舶前進。隨后30年里，船舶設計單位將螺旋槳研究成果移植到噴水推進泵設計中，特別是將航天噴氣推進的有關技術引入噴水推進泵的研究設計中，使得噴水推進泵的效率、抗空泡性能、功能轉化能力和耐腐蝕能力取得了實質性進展。另外，隨著流體力學的深入研究，噴水推進裝置進水流道系統效率和空泡現象得到進一步完善。80年代起，噴水推進裝置就作為成熟產品，開始廣泛運用于各種軍用艦船和民用船舶。

2 噴泵分類

船舶噴水推進裝置噴泵大致可分為以下幾種：一是按照噴泵的類型可分為離心泵、軸流泵和混流泵，其中又可細分為單級泵和多級泵，分別對應于不同的比轉速;二是按照噴泵的材質分可分為鋁合金泵和不銹鋼等不同材質的噴泵。

3 噴水推進裝置工作原理

根據牛頓第三運動定律，所有作用力將產生一個相同的反作用力。噴水推進裝置中噴泵產生的推力就是由水流朝后噴出時產生的反作用力來建立的。簡單的說，船殼內的噴泵安裝在船尾，噴泵噴出高速水流產生了反方向的反作用力，反作用力通過噴泵泵體，傳遞到船體，驅動船舶前進。水流進入船體底部的噴泵進水流道，船舶的加速也就是通過噴泵從船尾噴射出高速的水流。

4 基本組成和軸系布置

4.1 基本組成單元

噴水推進裝置主要由機械部分、液壓系統和控制系統組成。其中機械部分主要是由：進水流道、泵單元、轉向單元、驅動軸和尾軸密封組成（詳見下圖）。

圖1

進水流道必須結合船體的線型、船體阻力特性、船舶吃水要求和航速要求等因素，運用水力學研究并優化后進行設計。進水流道可依據船體材料使用相同的材料或選用玻璃鋼制作而成。如救撈系統近海快速救助船使用的MJP噴水推進裝置，進水流道采用鋁合金材料焊接而成，與不銹鋼噴泵之間使用玻璃鋼彎頭隔離安裝，以防止兩種不同材質金屬發生電化學反應，造成腐蝕。

液壓系統主要為噴泵轉向和倒車提供動力，通常由一臺安裝在齒輪箱PTO輸出端口上的可變排量的負載感應柱塞泵作為液壓動力泵。噴泵的控制為電-液-電控制方式。噴泵的控制手柄輸出電流信號，給液壓系統電磁驅動閥，驅動倒車斗和轉向斗工作，倒車斗和轉向斗液壓缸里的位置傳感器輸出反饋電流信號給控制系統，確認倒車斗和轉向斗的位置已和控制手柄位置一致，控制系統不再輸出控制信號給液壓系統電磁驅動閥驅動倒車斗和轉向斗工作。

船舶前進、倒車控制中，噴泵手柄的位置通常預設為前面的小部分位置用于控制倒車斗的正倒車（主機怠速），后面的大部分位置信號輸出給主機，控制轉速的增加和減少。根據各個噴泵制造廠的設置不同，在選用不同品牌的噴水推進裝置產品時，會感覺到不同的主機控制“滯后”。隨著控制器件的快速發展，噴泵的控制也越趨智能化。以MJP噴泵的矢量控制系統為例，可輸入船舶的物理特性至控制系統中的計算機單元，控制系統自動運算后，可根據船舶操縱者的要求，自動調整倒車斗、轉向斗和主機轉速，以實現船舶的自動控制。

4.2 推進裝置軸系布置

噴水推進裝置船舶在軸系布置時，軸線布置一般和船舶吃水線平齊，采用水平布置。在船底板上，根據設備廠家的技術要求，設置進水流道進水口禁區，在此禁區內嚴禁安裝任何船體附體，以免發生水流干擾，降低噴泵的使用效率。

5 船舶操縱性能

5.1 平移性能

對于一條配置兩臺噴泵的雙體船，只需要一個全方位的矢量控制手柄就可通過控制系統自動調整兩臺噴泵的倒車斗、轉向斗和主機轉速，實現船舶按照任意手柄指示方向的任意平移，或選擇旋轉模式，操縱船舶任意方向進行原地回轉。在船舶的行駛過程中，自動調整左右片體的轉向斗位置以達到最佳的船舶轉向性能。在傳統的配置噴水推進的船舶上，這些功能必需根據船長的經驗，分別控制兩臺噴泵工作才能實現。而現在，就算是沒有駕駛經驗的船長，也可輕松操縱船舶。但需要注意的是，對于單體船，由于船寬太小，尾部噴泵產生的力矩不足以克服船舶物理特性，無法實現船舶的整體自動平移。

5.2 旋回性能

水流通過進水流道（A）進入泵泵單元-包括葉輪（B），整流罩（C），以增加水流的壓力（壓頭）。高壓水流從噴嘴（D）處高速噴出。安裝在聯軸器（F）處的驅動軸轉動葉輪。通過轉向斗改變船尾水柱的方向，推動船尾向反方向移動以實現船舶的轉向。通過倒車斗（E）改變船尾水柱向船首和向下噴射，驅動船舶向船尾方向運動以實現倒車。

與傳統螺旋槳推進相比，噴水推進船舶轉向是靠改變噴泵噴出水流的方向來實現，稱之為“主動轉向”，而螺旋槳推進船舶轉向是通過舵改變船底水流的方向來實現船舶的轉向，稱之為“被動轉向”。這就意味著，傳統螺旋槳推進船舶，船舶的轉向和舵角有著直接的關系，而噴水推進船舶轉向更為靈敏，不取決于噴泵轉向斗的位置，通過兩側片體上噴泵的不同轉向力和推力，就可輕松得到所需要的轉向角度。所以，噴水推進船舶的操縱性是螺旋槳推進船舶所無法比擬的，甚至只需要控制兩側片體上噴泵的轉速，即可操縱船舶進行轉向。

6 噴水推進裝置應用情況

6.1 快速渡船和游艇

高速時的高效率帶來更低的油耗，良好的耐空泡能力，提高了推進系統的壽命;低振動，低噪音，更舒適的乘坐環境。低船體阻力降低了船舶牽引所需的拖曳力。

6.2 軍用船舶和海岸巡邏船

更高的倒車推力和淺吃水適用于各種登陸艇的需求;良好的操縱性能，良好的高速性能可適用于各類偵察艇、巡邏艇;低水下噪音適用于隱身要求較高的各類特殊軍船等等。淺吃水和安全的推進系統適用于近海岸的航行以及緊急情況下的救援工作。

6.3 工作船和救助船

對于各類工作船，如港作船、供應船、挖泥船等，可根據使用要求，如操縱性，高速性或淺吃水等使用要求配置噴水推進器。對于高海況海洋救助船要求快速出動、應急高效的救助需求，船舶配置噴水推進裝置，在高速時相比傳統螺旋槳推進可獲得更大的推進效率，可滿足5級海況下反應迅速、處理高效的航行救助的現實需求。

7 噴水推進裝置實船上的維護保養

噴水推進裝置沒有太多的維護保養要求，通常的保養維護工作如下：每日檢查主、備用控制系統和液壓油、潤滑油的溫度顏色及軸封泄漏水情況，每周定時檢查噴泵液壓軟管情況，每月定時檢查液壓油缸密封，每年定時檢查液壓油濾器、潤滑油濾器的清潔指示，每次上排檢查進水流道的腐蝕或磨蝕情況、葉輪輪尖間隙和腐蝕磨損情況、轉向斗和倒車斗的軸套磨損情況、機械密封和推力軸承狀況，每10000小時測試一次液壓主用泵的工作性能。

8 結束語

噴水推進器與其他推進器相比，具有更多優勢，特別是在高速船艇上使用可有效發揮優勢。一是操縱性能優良，可實現360°回轉，多噴泵船舶平移，快速倒車制動能力。二是效率高、抗空泡能力強，中高速時相比其他推進器效率高，抗空泡能力強。三是船體阻力低、吃水淺，噴水推進裝置無水下附體，船體阻力較小;軸系水平布置，進水流道藏在船體內，可在淺水區域航行。四是維護要求低，沒有外露的推進齒，有效避免了外界的沖擊、阻礙，縮短了維修期和日常維護時長。五是運行平滑安靜，沒有船體震動、高速空泡區和扭矩影響，加上低水下聲噪，船舶運行工況舒適。六是靠泊安全，無外露槳葉，救助艇靠近時安全。七是正倒車工況轉換時，可實現平滑的主機功率轉換。八是主機壽命長，任何工況，主機都不過載;加上噴泵葉輪精確匹配主機功率，任何航速都一樣的功率吸收，主機壽命相對較長。

參考文獻：

[1]張鑫.高速船尾部噴水推進局部振動分析[J].船舶工程，2018（09）.

[2]張文.進水口面積對噴水推進進水流道流動性能影響[J].江蘇科技大學學報，2016（03）.

[3]金夢顯.噴水推進三體船阻力性能及流道優化研究[D].大連海事大學，2016（02）.

[4]劉瑞華.無軸式噴水推進泵的水動力特性[J].排灌機械工程學報，2015（05）.

[5]龔征華.噴水推進船舶操舵控制系統建模及同步控制[J].中國造船，2016（06）.