气动注水喷气推进式快艇关键技术研究

张东方

(江苏海事职业技术学院，江苏 南京 214082)

0 引 言

船舶喷射推进技术从早期的喷射推进、液压推进、间歇性喷水推进、底板式喷水推进等演变[1]，并且随着高性能舰船喷射推进数量的大量增加[2]，目前已经发展成为高性能舰艇普遍采用的先进推进技术。对于隐身舰艇而言，喷射推进技术在降低其声学信号以及抑制空泡方面效果显著。在高速航行时，喷射推进的噪声比传统螺旋桨推进低10 dB左右[3]。与此同时，研究表明，海上行驶的船舶所排放的污染物与汽车尾气一样能严重污染空气，从而对沿海居民的健康造成影响[4]。所以在石油资源逐渐耗尽的今天，气动式喷射推进作为一种高效绿色的推进方式显得尤为重要。

现代船舶也有通过推进水泵喷出的水流或者气体的反作用力来获得动力，并通过操纵舵及倒舵设备分配和改变分流的方式来实现对船舶航向的操作。但是当船舶航速较低时，喷水推进的效率比螺旋桨要低些，而且由于增加了外壳体的保护，推进泵叶轮的拆换比螺旋桨复杂[5]。工作于艇后的推进器与螺旋桨工作环境类似，但是推进器模型与螺旋桨模型有所差别，推进器模型由压缩装置与喷射装置等组成，相比于螺旋桨模型装置更为复杂。国内外文献[6 – 10]对于普通船舶喷水推进技术的研究较多，对军用领域比如高速攻击艇等快艇的研究较少，本文针对快速艇的喷水推进效率和控制的关键技术进行了深入有效的研究。

1 喷气推进装置数学模型

1.1 喷气推进装置的运动学模型

喷气移动装置的运动模型主要由运动学模型和动力学模型2部分组成，其运动学模型用来描述其运动状态。图1显示了均匀作用在推进器反应室外表面的外部标准大气压和作用在其内部的水蒸气压力。反应室内部压力为饱和水蒸气温度为通过面积为第一出气口时速度为由面积为的第二出气口向外部排放时的速度为温度为压力为

图1 作用在反应室和喷管内外的不均匀压力Fig. 1 Pressure acting on inner and outer surface of the relation cell and nozzle

式（1）可以简化为

根据牛顿第一运动规律，匀速运动的物体合外力为0。所以推力应该与船体所受的阻力[12]大小相等，其中是船体总阻力系数；为船体的湿表面积；为船体拟能达到的速度。

1.2 喷气推进装置的动力学模型

气动注水喷气推进器的的动力学模型，用于分析推进器在推进工作时的动力情况。

1.2.1 水蒸汽温度[13]

推进器稳定工作时，水蒸汽温度Tm由热力学公式可得：

图1 温度Tm流量Q关系曲线Fig. 1 Relation of flux rate and water vapor temperature

1.2.2 推进器推力

由式（2）和式（5）可得：

由式（4）、式（6）和式（7）可得：

2 快艇喷气推进装置关键技术设计

2.1 快艇喷气推进装置驱动技术设计

本文设计的快艇推进驱动技术主要包括喷气阀门的自动锁止控制设计，喷气阀门的闭合与打开是由控制指令转换成自锁指令实现的，喷气推进装置采用自动锁止控制，如图4设计所示，自动锁止控制系统的控制结构是由压力感应器和锁止开关组成的。工作原理是快艇中的增压气室内气体压力值达到临界值，压力感应器打开锁止开关。该控制系统的优点在于操作简单，控制方便，并且可以根据推力的不同需求，更改压力感应器的预设压力值。

图3 推力F流量Q关系曲线Fig. 3 Relation of thruster propulsion and flow rate

图4 喷气系统的自动锁止控制Fig. 4 Locking control system of jet automatic

2.2 快艇喷气推进装置控制技术设计

喷气推进装置的控制是喷气推进装置的关键技术之一，控制技术包括控制技术的设计和系统的补偿等方面。本文设计的快艇喷气推进装置的系统控制原理如图5所示。推进装置接收到姿态信息以后，传递给信息处理机构，计算得出新的控制指令，传输给快艇推进系统以达到控制执行的目的。该系统的能量来源是由光伏发电系统提供的清洁能源，优点是环境保护，节约能源，其中外界扰动多为偶然扰动。

图5 喷气推进装置控制原理Fig. 5 Control principle of jet propulsion

3 喷气推进快艇设计及性能分析

3.1 喷气推进快艇设计

为解决现有喷气推进技术中驱动效率低，精度控制困难的问题，设计一种利用离网光伏发电系统为气动注水推进装置提供能量的快速艇作为研究对象，快艇结构如图6所示。

图6 快速艇结构示意图Fig. 6 Schematic diagram of speedboat

离网光伏气动注水推进快速艇利用主船体表面的太阳能电池板5进行离网光伏发电功能，主船体两侧的翼体上空气压缩机3工作时，将压缩空气注入增压气室2，使增压气室2内的气体具有一定压力。翼体的上层盖板采用太阳能集热板4制成，通过太阳能集热板4吸收太阳能，以增压气室2内的气体为介质，为其加热增压，提高喷射气体的压力，保证喷射效能。

推进器的控制系统是由并列设置的两气动注水喷射装置尾部的矢量变向装置构成，矢量变向装置包括连接在注水室与喷口之间的波纹管110和控制波纹管伸缩的液压装置，液压装置包括设置在波纹管一侧的液压缸109；两气动注水喷射装置的波纹管及喷口部分并列联接，液压缸分别设置在其并列整体的左、右两侧；液压缸的活塞杆114向后伸出，与波纹管的末端连接，通过控制两液压缸活塞杆的相对伸缩量调节两喷口的转动角度，以达到精确控制船体运动轨迹的目的。喷射装置的设计效果如图7所示。

图7 气动注水喷射装置的主、俯视图Fig. 7 Pneumatic water injection device of the main vertical view

推进器的驱动系统主要技术内容包括贮气室103与注水室108之间的隔板开关控制系统，涡轮注水系统和喷口113。

贮气室与注水室之间的隔板开关控制系统包括压力开关105和锁止气水分隔板104的自动锁止机构，压力开关设有监测贮气室气压的压力传感器。采用自动锁止机构控制气水分隔板在贮气室气压未达标时保持关闭状态，自动锁止机构与压力开关连接，根据压力开关发送的触发信号，打开锁止机构，释放其对气水分隔板的约束，使气水分隔板在气流冲击下打开，在重力作用下回落到初始位置被重新锁止关闭。通过预设压力开关的压力系数来调节预喷气体的压力值，可进一步改变喷射所需的推力。喷射时，压力开关打开，贮气室内的高压气体顶开气水分隔板,在气流冲击水体的同时，气水分隔板对水也会产生一个前进的推力。

如图8和图9所示，涡轮注水系统由双涡扇107和驱动气体的输送系统组成，包括同心的内涡扇107-2和外涡扇107-3，由内涡扇带动外涡扇转动，利用外涡扇将气动注水喷射装置外部的海水压入注水室；内涡扇安装在封闭的壳腔内，壳腔的底部设有泄压槽107-5，内涡扇工作时，将壳腔内的气流下压，气流从泄压槽中排入到注水室内。

图8 注水装置结构示意图Fig. 8 Water injection device structure diagram

图9 铰链结构和从动铰链结构的示意图Fig. 9 Hinge structure and driven hinge structure diagram

内涡扇通过从贮气室引入的气流带动，气流的出口设置在内涡扇叶片的上方。入口116设置在贮气单元贮气室腔体顶部靠近气水分隔板的位置，并设有封闭该入口的堵塞器106-2，堵塞器通过从动铰链结构安装在贮气室腔体顶部；气水分隔板通过主动铰链106-1结构安装在贮气室与注水室的交界处，主动铰链结构的转轴通过齿轮与从动铰链结构转轴传动连接，使气水分隔板向注水室方向转动打开时，所述堵塞器向气流入口方向转动封闭入口。

喷口包括渐缩的棱锥状主喷口腔，主喷口腔末端设有呈多边形的一级出口，如图10所示，主喷口腔在靠近一级出口的各个内侧锥面上分别安装有一梯形内层封板113，内层封板贴附在锥面上，与对应的锥面保持平行，内层封板可在第二驱动机构的控制下朝着对应锥面的延伸方向向一级出口外移动，到达极限位置时，各内层封板伸出一级出口的部分拼合呈渐缩的副喷口腔，副喷口腔的末端形成尺寸小于一级出口的二级出口，达到增大喷口处注水空间、减小喷口管径大小的目的，适时根据快艇对不同航速的需求进行调整，从而提高气动注水喷射装置的推进效能。

图10 喷口伸缩2种状态的对比示意图Fig. 10 Nozzle telescopic comparison of two kinds of state diagram

3.2 喷气推进快艇性能分析

为了进一步验证本文设计的喷气推进式快艇性能，采用数值计算对该艇的推进性能进行分析，快艇数值仿真如图11所示。

图11 快艇数值仿真Fig. 11 Numerical simulation of speedboat

经数值水池对传统的螺旋桨推进的快艇与同船型的喷射推进快艇在4种航行工况下的推进效能实验对比分析显示，在高速推进航行时，喷射推进快艇优势明显，运行平稳，抗空泡性良好，在同等航行工况下，喷射推进快艇所需的单位推力远小于螺旋桨推进，并且回转直径小，具有良好的操纵性。其与传统螺旋桨推进的性能比较如表1和图12所示。

表1 螺旋桨与喷射的推进性能比较Tab. 1 Comparison of propeller and jet propulsion performance

图12 螺旋桨与喷射推进性能比较（空芯代表螺旋桨推进，实芯代表喷射推进）Fig. 12 Comparison of propeller and jet propulsion performance

4 结 语

本文基于喷气推进装置的运动模型和动力学模型，分析其运动状态和特性，对喷射推进效率和控制的关键技术进行了深入研究。以一般快速艇为研究对象，设计了适合其喷气推进的控制系统和驱动系统，经数值水池性能分析，该推进方式可以为高性能舰艇提供高效快速的推力，具有良好的可操纵性。随着喷射推进技术的深入研究和大功率船用原动机的研发，军用高速艇及其他特殊舰艇的喷射推进技术的应用将逐步扩大。