压水式推进器的设计与运动分析

（四川大学制造科学与工程学院，四川 成 都 6 10065）

喷水推进是近些年来急速发展成熟起来的一种特殊的推进方式，与螺旋桨推进不同的是，其不是利用推进器直接产生推力，而是利用推进泵喷出的高速水流的反作用力推动船体前进。与传统的螺旋桨推进相比，船舶喷水推进具有机动性和操纵性好、推进效率高、吃水浅、运行噪声低、抗汽蚀能力强等螺旋桨不及的优点[1]。正因如此，喷水推进在现代海军高速攻击艇、隐身型舰艇、高速运输舰、护卫舰和驱逐舰等大中型舰艇、登陆舰及两栖攻击车辆上得到广泛应用[2]。

推进泵是喷水推进装置的主体，根据不同的工作原理，可分为叶片泵、容积水泵等类型。在喷水推进中，基于大推力的要求，用于喷水推进泵的泵型，主要是叶片泵，其中包括轴流泵和混流泵等。叶片泵推进器技术发展较快，已经形成了比较成熟的理论，但其仍有结构复杂、拆换不便、噪声仍不能满足未来隐身要求等不足。因此发展容积水泵推进技术势在必行，本文提出的压水式推进器，就是容积式喷水推进器的一种。

1 压水式推进器的结构特点

压水式推进器主要由9个零件组成，如图1所示。

压水板两端的横杆8，与推杆5相连接；两个形状完全相同的驱动凸轮2，相位差90°地安装在主轴3上，并通过接触轮4与推杆5滚动接触。当电动机轴转动时，两个凸轮同步旋转，通过接触轮4推动推杆5按照一定规律上下运动，从而使压水板9实现压水推进功能。

图1 压水式推进器结构示意图

分析压水式推进器的工作原理，当推杆5推动横杆8，从而带动套环7使压水板9往复摆动时，套环之间的距离，是不断发生变化的，而在这个过程中，压水板的长度不会发生变化，因此在考虑套环7和压水板9的组合时，采用一种可相对滑动的组合方式，如图2所示。

图2 套环与压水板连接图

2 压水式推进器的基本原理

压水式推进器的基本原理，是通过向与船舰等航行器运动方向相反的方向喷射加速后的水流，使船体受到水流的反作用力而产生推力[3]。压水器做功过程如图3所示。

图3 压水推进原理图

设发动机转速为N（r/min），减速比为i，流体密度为ρ，主轴转速为n，主轴转动周期为T，图3所示压水过程所需时间为t，流道长、宽、高分别为a、b、h，流道横截面积为s，流道有效做功体积为V。

根据动量定理，推力的大小等于流经推进器流道的流体在单位时间内的动量变化率[4]。

整理得

式中，

Ti为喷水系统产生的推力（kN）；

Q为流经流道水流的流量（m3/s）；

Vi为喷水的平均流速（m/s）。

由式（8）可以看出，增大推进器推力有以下两种途径：

其一，增大流道尺寸；其二，增大发动机转速，降低减速比。

这就对材料的强度与韧性提出了更高的要求。

3 压水式推进器的运动分析

3.1 压水状态

压水状态如图4所示，该状态下，左边凸轮进入远端休止，同时压水板左端与水流通道下板保持密合；右边凸轮进入推程，实现压水过程。

图4 第一次压水过程示意图

3.2 吸水状态

吸水状态如图5所示，该状态下，左边凸轮在弹簧的作用下进入回程；右边凸轮进入远端休止，压水板右端与水流通道下板保持密合，实现吸水过程。

图5 第一次吸水过程示意图

3.3 压水状态

压水状态如图6所示，该状态下左边凸轮进入近端休止，同时压水板左端与水流通道上板保持密合；右边凸轮在弹簧的作用下进入回程，再次实现压水过程。

图6 第二次压水过程示意图

3.4 吸水状态

吸水状态如图7所示，该状态下左边凸轮进入推程；右边凸轮进入近端休止，压水板右端与水流通道上板保持密合，实现吸水过程。

图7 第二次吸水过程示意图

4 压水式推进器的特点及应用展望

由于喷水推进技术众多的优点，以及最近20年来喷水推进技术的快速发展和不断成熟，喷水推进技术在现代舰艇中得到了广泛的应用，未来应用范围和数量将会进一步扩大。

（1）压水式推进器的使用范围广泛。首先可应用于国防舰艇。将压水式推进器的原型机成果，作为国防研究立项的预研技术，其终极成果将直接应用于潜水艇或战舰的动力推进器，当需要快速潜行时，启动原有螺旋桨动力系统，当需要隐形潜行或悄悄接近目标时则启动压水式推进器，从而达到迷惑敌方的目的。

其次，该推进器同样适用于民用船舶，实现节能减排、高效低噪，替代现有高能耗、高噪声的螺旋桨动力系统。该推进器不仅适用于大型船舶，更适用于中小型船舶，如客船、游艇等。

（2）压水式推进器装配方式灵活。由于本设计为独立组装的推进单元，可形成不同动力级别的系列产品，因此可以根据不同吨位和不同战术功能，来进行单机配置或多机配置甚至混合配置。压水式推进器与螺旋桨推进联合的方式中，既有低速时用螺旋桨推进，压水式推进只用于加速和高速以及紧急机动这样的工作模式，也有低速时采用喷水推进，正常航行时仍采用螺旋桨推进这样的模式[5]。

5 结束语

本文提出了一种新型压水式推进器的设计方法，通过对压水式推进器进行结构和运动分析，建立了推进器模型，并进行运动仿真，验证了该设计方案的可行性。与叶片泵推进器一样，该压水式推进器具有重要的研究价值，将该成果应用于军船和民船领域，对水上动力推进系统的改进和提高，具有重大意义，同时也具有较高的经济效益。

[1]王立祥.船舶喷水推进[J].船舶,1997,(3):45-52.

[2]丁江明,王永生,刘承江,孙存楼.喷水推进在现代舰艇的应用分析[J].舰船科学技术,2006,(6):28-31.

[3]杨友胜,张俊,黄国勤,朱玉泉.水射流技术的应用研究[J].机床与液压,2007,(2):106-108

[4]廖奋驹,一种新型的全方位喷水推进技术-适用于军辅船舶的主辅推进[J].机电设备,1992,（05）：17-20.