（四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成 都 6 10065）

噴水推進(jìn)是近些年來(lái)急速發(fā)展成熟起來(lái)的一種特殊的推進(jìn)方式，與螺旋槳推進(jìn)不同的是，其不是利用推進(jìn)器直接產(chǎn)生推力，而是利用推進(jìn)泵噴出的高速水流的反作用力推動(dòng)船體前進(jìn)。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比，船舶噴水推進(jìn)具有機(jī)動(dòng)性和操縱性好、推進(jìn)效率高、吃水淺、運(yùn)行噪聲低、抗汽蝕能力強(qiáng)等螺旋槳不及的優(yōu)點(diǎn)[1]。正因如此，噴水推進(jìn)在現(xiàn)代海軍高速攻擊艇、隱身型艦艇、高速運(yùn)輸艦、護(hù)衛(wèi)艦和驅(qū)逐艦等大中型艦艇、登陸艦及兩棲攻擊車(chē)輛上得到廣泛應(yīng)用[2]。

推進(jìn)泵是噴水推進(jìn)裝置的主體，根據(jù)不同的工作原理，可分為葉片泵、容積水泵等類(lèi)型。在噴水推進(jìn)中，基于大推力的要求，用于噴水推進(jìn)泵的泵型，主要是葉片泵，其中包括軸流泵和混流泵等。葉片泵推進(jìn)器技術(shù)發(fā)展較快，已經(jīng)形成了比較成熟的理論，但其仍有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆換不便、噪聲仍不能滿(mǎn)足未來(lái)隱身要求等不足。因此發(fā)展容積水泵推進(jìn)技術(shù)勢(shì)在必行，本文提出的壓水式推進(jìn)器，就是容積式噴水推進(jìn)器的一種。

1 壓水式推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

壓水式推進(jìn)器主要由9個(gè)零件組成，如圖1所示。

壓水板兩端的橫桿8，與推桿5相連接；兩個(gè)形狀完全相同的驅(qū)動(dòng)凸輪2，相位差90°地安裝在主軸3上，并通過(guò)接觸輪4與推桿5滾動(dòng)接觸。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)凸輪同步旋轉(zhuǎn)，通過(guò)接觸輪4推動(dòng)推桿5按照一定規(guī)律上下運(yùn)動(dòng)，從而使壓水板9實(shí)現(xiàn)壓水推進(jìn)功能。

圖1 壓水式推進(jìn)器結(jié)構(gòu)示意圖

分析壓水式推進(jìn)器的工作原理，當(dāng)推桿5推動(dòng)橫桿8，從而帶動(dòng)套環(huán)7使壓水板9往復(fù)擺動(dòng)時(shí)，套環(huán)之間的距離，是不斷發(fā)生變化的，而在這個(gè)過(guò)程中，壓水板的長(zhǎng)度不會(huì)發(fā)生變化，因此在考慮套環(huán)7和壓水板9的組合時(shí)，采用一種可相對(duì)滑動(dòng)的組合方式，如圖2所示。

圖2 套環(huán)與壓水板連接圖

2 壓水式推進(jìn)器的基本原理

壓水式推進(jìn)器的基本原理，是通過(guò)向與船艦等航行器運(yùn)動(dòng)方向相反的方向噴射加速后的水流，使船體受到水流的反作用力而產(chǎn)生推力[3]。壓水器做功過(guò)程如圖3所示。

圖3 壓水推進(jìn)原理圖

設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為N（r/min），減速比為i，流體密度為ρ，主軸轉(zhuǎn)速為n，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)周期為T(mén)，圖3所示壓水過(guò)程所需時(shí)間為t，流道長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、h，流道橫截面積為s，流道有效做功體積為V。

根據(jù)動(dòng)量定理，推力的大小等于流經(jīng)推進(jìn)器流道的流體在單位時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化率[4]。

整理得

式中，

Ti為噴水系統(tǒng)產(chǎn)生的推力（kN）；

Q為流經(jīng)流道水流的流量（m3/s）；

Vi為噴水的平均流速（m/s）。

由式（8）可以看出，增大推進(jìn)器推力有以下兩種途徑：

其一，增大流道尺寸；其二，增大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，降低減速比。

這就對(duì)材料的強(qiáng)度與韌性提出了更高的要求。

3 壓水式推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)分析

3.1 壓水狀態(tài)

壓水狀態(tài)如圖4所示，該狀態(tài)下，左邊凸輪進(jìn)入遠(yuǎn)端休止，同時(shí)壓水板左端與水流通道下板保持密合；右邊凸輪進(jìn)入推程，實(shí)現(xiàn)壓水過(guò)程。

圖4 第一次壓水過(guò)程示意圖

3.2 吸水狀態(tài)

吸水狀態(tài)如圖5所示，該狀態(tài)下，左邊凸輪在彈簧的作用下進(jìn)入回程；右邊凸輪進(jìn)入遠(yuǎn)端休止，壓水板右端與水流通道下板保持密合，實(shí)現(xiàn)吸水過(guò)程。

圖5 第一次吸水過(guò)程示意圖

3.3 壓水狀態(tài)

壓水狀態(tài)如圖6所示，該狀態(tài)下左邊凸輪進(jìn)入近端休止，同時(shí)壓水板左端與水流通道上板保持密合；右邊凸輪在彈簧的作用下進(jìn)入回程，再次實(shí)現(xiàn)壓水過(guò)程。

圖6 第二次壓水過(guò)程示意圖

3.4 吸水狀態(tài)

吸水狀態(tài)如圖7所示，該狀態(tài)下左邊凸輪進(jìn)入推程；右邊凸輪進(jìn)入近端休止，壓水板右端與水流通道上板保持密合，實(shí)現(xiàn)吸水過(guò)程。

圖7 第二次吸水過(guò)程示意圖

4 壓水式推進(jìn)器的特點(diǎn)及應(yīng)用展望

由于噴水推進(jìn)技術(shù)眾多的優(yōu)點(diǎn)，以及最近20年來(lái)噴水推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷成熟，噴水推進(jìn)技術(shù)在現(xiàn)代艦艇中得到了廣泛的應(yīng)用，未來(lái)應(yīng)用范圍和數(shù)量將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

（1）壓水式推進(jìn)器的使用范圍廣泛。首先可應(yīng)用于國(guó)防艦艇。將壓水式推進(jìn)器的原型機(jī)成果，作為國(guó)防研究立項(xiàng)的預(yù)研技術(shù)，其終極成果將直接應(yīng)用于潛水艇或戰(zhàn)艦的動(dòng)力推進(jìn)器，當(dāng)需要快速潛行時(shí)，啟動(dòng)原有螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，當(dāng)需要隱形潛行或悄悄接近目標(biāo)時(shí)則啟動(dòng)壓水式推進(jìn)器，從而達(dá)到迷惑敵方的目的。

其次，該推進(jìn)器同樣適用于民用船舶，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、高效低噪，替代現(xiàn)有高能耗、高噪聲的螺旋槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。該推進(jìn)器不僅適用于大型船舶，更適用于中小型船舶，如客船、游艇等。

（2）壓水式推進(jìn)器裝配方式靈活。由于本設(shè)計(jì)為獨(dú)立組裝的推進(jìn)單元，可形成不同動(dòng)力級(jí)別的系列產(chǎn)品，因此可以根據(jù)不同噸位和不同戰(zhàn)術(shù)功能，來(lái)進(jìn)行單機(jī)配置或多機(jī)配置甚至混合配置。壓水式推進(jìn)器與螺旋槳推進(jìn)聯(lián)合的方式中，既有低速時(shí)用螺旋槳推進(jìn)，壓水式推進(jìn)只用于加速和高速以及緊急機(jī)動(dòng)這樣的工作模式，也有低速時(shí)采用噴水推進(jìn)，正常航行時(shí)仍采用螺旋槳推進(jìn)這樣的模式[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型壓水式推進(jìn)器的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)壓水式推進(jìn)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析，建立了推進(jìn)器模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。與葉片泵推進(jìn)器一樣，該壓水式推進(jìn)器具有重要的研究?jī)r(jià)值，將該成果應(yīng)用于軍船和民船領(lǐng)域，對(duì)水上動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)和提高，具有重大意義，同時(shí)也具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]王立祥.船舶噴水推進(jìn)[J].船舶,1997,(3):45-52.

[2]丁江明,王永生,劉承江,孫存樓.噴水推進(jìn)在現(xiàn)代艦艇的應(yīng)用分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2006,(6):28-31.

[3]楊友勝,張俊,黃國(guó)勤,朱玉泉.水射流技術(shù)的應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓,2007,(2):106-108

[4]廖奮駒,一種新型的全方位噴水推進(jìn)技術(shù)-適用于軍輔船舶的主輔推進(jìn)[J].機(jī)電設(shè)備,1992,（05）：17-20.