喷水推进技术发展概况武器类资料 2009-09-06 18:48喷水推进是一种特殊的船舶推进方式,与螺旋桨不同的是它不是利用推进器直接产生推力,而是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进。

与螺旋桨/轴系这一传统的推进方式的理论和应用发展相比,喷水推进进展相当缓慢主要是由于理论研究不成熟,有些关键技术没过关。

例如低损失无空泡进口管道系统,高效率和大功能转换能力的推进泵,船、机、泵的有机配合,水动力性能极佳的倒航操纵装置等技术没得到解决等。

但喷水推进毕竟具有推进效率高、抗空泡性强、附体阻力小、操纵性好、传动轴系简单、保护性能好、运行噪声低、变工况范围广和利于环保等常规螺旋桨不及的优点。

1.1喷水推进的主要技术发展进程在船舶喷水推进技术诞生的340年历程中,按时间顺序,大致经历了液泵式喷水推进、间歇式喷水推进、底板式喷水推进、尾板式喷水推进和舷外喷水推进5个阶段。

从目前在船舶上的应用情况看,尾板式喷水推进已成为喷水推进的首选型式。

喷水推进装置最早是在1661年由英国人图古德和海斯发明的,直到1839年英国人摩里斯·思凡才发明了一种较为成熟的喷水推进装置,1914年吉尔设计出一种底板式喷水推进系统其上带有一组合式倒车机构,1946年芝加哥分麦克·科拉姆研究出世界上第一个喷水推进舷外机，1962年前苏联首先使用了三级轴流泵和二级轴流泵,1968年美国研制了采用单机双吸离心泵的深浸自控水翼艇,1977年肖特公司成功研发了另一种改进的底板式推进装置——泵喷射推进器,20世纪50年代早期哈密尔顿开始研制尾板式喷水推进器,80年代英国、美国、法国在核潜艇上应用了喷水推进的降噪技术,近几年发展的计算机多点控制实现了操纵性的进一步提高。

曾不断受到船东批评的喷水推进器的部件质量、坚固性和耐用性等问题,由于新型复合材料的应用而得到很大改善。

过去曾产生问题的不同金属材料间的电气绝缘和有效的接地屏蔽,在一些新型喷水推进器中也已不再成为问题。

1.2喷水推进的主要优点(1)推进效率较高喷水推进的效率主要取决于推进泵效率和喷水推进系统效率。

在保证较高的气蚀比转速的情况下,优良的轴流泵和混流泵的效率目前已达到85%~90%;喷水系统的效率在65%~70%左右。

因此总的推进效率可达50%~63%。

(2)抗空泡能力强螺旋桨在航速较高时很容易产生空泡,尤其在斜轴推进的快艇上,螺旋桨处于周期性的攻角变化和负荷变化中,使得螺旋桨更易产生空泡和空泡剥蚀,严重的可在几个小时内破坏螺旋桨的叶片。

尽管亚空泡和超空泡螺旋桨能够提高抗空泡的能力,但均要牺牲较多的效率。

而喷水推进舵叶片具有比螺旋桨更大的抗空泡能力,水流基本上是轴向流,流场比较稳定,减少了空泡剥蚀的机会,而且航速越高喷水推进泵所利用的冲压就越大,而螺旋桨正相反。

这就使高性能船多采用喷水推进的原因。

(3)操纵性和动力定位性能优异喷水推进船艇的操纵不需要改变主机转速,而主要依靠偏折喷水推进泵喷射出后的高速水流来实现舰船的转向和倒航。

倒航装置与喷口的相对位置的变化可做到向前向后任意分配流量,因而,在一定的主机转速下,喷水推进船可以做到无级变速、驻航和倒航。

借助转向舵的作用,又可使船舶在正航和倒航时均具有极佳的操纵性,甚至原地回转。

而且舵始终处于喷口喷出的高速流中,可保持足够的舵效。

如果采用双机双桨,可以实现船舶横移和原地回转。

这是螺旋桨推进方式无法做到的。

(4)工作平稳、噪声低水推进装置的动叶轮在泵壳内均匀流场中工作,消除了引起动叶轮叶片振动的流体脉动力,明显地改善了泵叶片上的压力分布,可推迟空泡的产生,从而减小叶片的振动和噪声。

(5)适应变工况能力强、主机不易过载喷水推进泵在转速一定的条件下,推进泵的流量随舰船的不同航速变化并不大,喷水推进装置的功率——航速曲线相当平坦,甚至船舶在系泊状态下,主机转速仍可达到额定转速的90%~95%。

这是常规定距桨所不能做到的。

(6)吃水浅、浅水效应小、传动机构简单、保护性能好。

(7)日常维护和保养较为简易。

1.3喷水推进技术的潜在应用(1)高速艇领域由于喷水推进的抗空泡能力比螺旋桨强得多,因此世界上大部分的水翼艇、侧壁气垫船、高速双体船和穿浪艇都采用了喷水技术。

甚至大型超高速海上定班客、货船上。

(2)高性能艇领域尤其是航行在浅吃水航道、推进器直径受限制的情况下:一些工况多变的拖船、推船、挖泥船等船舶上。

这是由于推进泵较螺旋桨能承受更大的负荷而不降低效率。

(3)操纵性和定位性能要求高的船舶如猎潜艇、猎雷艇、扫雷艇、隐身护卫舰,这是因为导弹一般在潜艇低速时发射,常规的推进方式航速越低,操纵性能越差,航向精度越不易保证,投放拖具越不安全,而喷水推进就具有这些优势。

挖泥船、渔船、消防船、港作拖船及多用途拖船等作业船舶使用喷水推进装置,其操纵性、动力定位性和适应变负荷能力性能都非常有利。

(4)安静型要求的船艇如攻击核潜艇。

这是因为喷水推进装置即有好的抗空泡性能,又能改善尾流性能,减少尾波形成,使航迹模糊,泵壳可以屏蔽泵叶轮噪场辐射,大大提高了军用舰艇的隐身性。

(5)两栖装甲车辆由于履带划水、车轮划水效率低,航速不高,难以适应现代战争的需要,已近被淘汰;同时螺旋桨推进在浅吃水时易产生浅水效应,即推力急剧降低,操纵不良并产生艉吸,且螺旋桨叶轮暴露在外易受损伤,陆上航行需折叠,也难以发展。

而喷水推进器体积小、负荷重、保护性能好、操纵灵活、浅水状况工况好,目前已在发达国家得到了广泛应用。

2 近年来主要制造商在喷水推进技术方面的研制进展情况喷水推进装置在技术方面所取得的这些进展,主要得益于世界各主要喷水推进器专业制造商数十年来的不懈努力。

目前,各个主要制造商在不同类型、不同规格的喷水推进器的研制发展上,又都取得了各具特色的进步。

2.1新西兰Hamilton公司作为喷水推进技术和推广应用方面的先锋,新西兰的Hamilton公司至今已有20000套喷水推进装置安装在各型船舶止。

其喷水推进装置设计输出功率范围为100-3000kW。

1999年还介绍了一种控制大功率喷水推进装置的模块化电子控制方案,不仅有操控变流装置和倒车导管,还有与主机、齿轮箱、自动驾驶仪和独立的监视系统等各方面有接口。

Hamilton公司还为满足某些船东的特殊要求提供了由软件驱动的高水平专用控制模块,在较少操纵人员情况下提供了高水平的控制精确性,并且具有支持提供操纵性和监控性在系统内建立智能响应的能力以及船上各个喷水推进器间的同步一致性。

这样简化了制造工作,降低了成本。

2.2瑞典Kamewa公司瑞典的Kamewa公司作为大型喷水推进装置市场的领头羊,正在建立输出功率150-600kW范围全集成式喷水推进装置体系。

其推出的混流式喷水推进装置和控制系统具有高航速下的高效率和令人满意的操纵性,它增设一减速齿轮箱,以保证船舶运行中空转时的安全性,并能使逆向水流更容易冲刷出进水口的障碍物。

Kamewa公司向意大利芬坎蒂尼公司交付了用于船长146米MDV3000型世界最大的单体渡船Jupiter的4台大型喷水推进器,总输出功率为68000kW。

该船采用MTU/GE柴燃联动推进主机与4台180型喷水推进器相连,其中2台用于推进,2台用于操纵。

Quadruple-180型喷水推进器是目前在运行中喷水推进器输出功率最大的,吸收GE LM2500燃气轮机20800kW功率作起动用。

2.3荷兰Lips Jet公司Lips Jet公司目前能提供适合任何功率要求的各型喷水推进装置,其喷水推进器的吸水口直径从390mm到1.61m,均已达到最优化,具有优异的推进性能和空泡工况。

Lips Jet公司还为燃气轮机开发了大功率的喷水推进装置,叶轮直径超过3m。

2.4日本川崎公司(Kawasuki)和三菱重工公司日本川崎公司开发设计的KPT-A系列单级轴流式喷水推进装置输出功率已从500kW扩大到20000kW。

此外值得一提的是日本三菱重工安装在日本集中了国内主要造船研究力量而开发的TSL-A气垫高速货船实尺度比例模型船上的2台MWL-17000M型喷水推进装置,该船获得了54 kn的高航速,每台由1台13100kW燃气轮机驱动,叶轮直径为1.64m,转速545r/min。

2.5双环公司双环公司提供从300~2000马力的喷水推进装置。

它们具备平稳,有力的加速性和优越的机动性,可以把100%的推力直接转化为操舵效果,转舵系统良好的密封性和灵活性。

进水口模块插入件的设计加强了艉部的强度和密封性,它可以容易地附加安装在一个现有的船体上,不用挖割船身,在船体底部开口,确保了船体底部的平滑性和整体性。

艉部安装方式简单、精确,并且安装费用低,可使发动机布置灵活。

倒车吊斗可以在任何的转舵角度下提供高效的推力,使船体具有优越的机动性,轻松地实现零速和刹车效果。

液压系统使操作变得简单和轻松。

2.6上海的708所(MARIC)708所是国内喷水推进技术研究开发的重要骨干力量。

该院设专门研究部门从事喷水推进开发的研究,开发的新型喷水推进组合体曾获尤里卡世界创造发明博览会银奖,受到国外造船界的关注,并成功地将此项技术应用于出口的1,500m三耙吸式挖泥船上。

此外,还有英国Ultra Dynamics公司、美国Kodiak公司、American Jet公司和American Turbine公司也是喷水推进装置市场较重要的角色。

3 喷水推进器存在的问题和技术改进措施尽管在性能和可靠性方面的技术进步如加速性、高航速、浅吃水航行、无可比拟的操纵性和舒适安静的航程等方面的优势使喷水推进器比传统的螺旋桨推进方式更优越。

但是,目前还处于日臻完善过程中的船用喷水推进器也存在一些尚未克服的缺点。

(1)喷水推进装置进水口所损失的功率约占主机总功率的7%~9%,目前还未找到很好的办法来更进一步地降低这一损失。

各国流体力学方面的专家们正在努力探索解决这一问题的有效方法。

近年来科技工作者们集中研究了沿滑道和边缘进水口的压力分布的情况,结论是进水口设计的原则为流场必须尽可能均匀,避免空泡和水流分离,才能使损失保持在最低限度。

研究认为,在三种船速情况下进水口曲25度后,在水平导管的部分端部有一个不均匀流场,在较高船速情况下,叶轮表面的这种不均匀性消失。

(2)喷水推进装置另一个缺点是船在转弯时其推力会丧失。

为此Lips公司采用一个由船上操舵员控制的单片水平操舵变流装置来引导水流喷向左舷或右舷,以此来获得最大转弯力。

(3)第三个缺点是缺乏一套操作灵敏、水动力学性能优良的倒车装置。

Hamilton公司采用一通常由液压驱动的分隔式双瓣导管倒车变流装置在船下改变水流方向,使船得到强有力的向后推力,随后控制系统允许可倒车变流装置在保持全操舵力时置于零速度位置。