文献综述 船用推进器

本科毕业设计(论文) 文献综述 题目：船用推进器方向控制装置设计 学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 2008 级 1 班 学 号： 200802070121 学生姓名： 万家傲 指导老师： 欧长劲 提交日期： 2012 年 2 月 22 日 浙江工业大学毕业论文文献综述 1 船用推进器方向控制装置设计 1 研究的背景及意义 水上资源是人类的财富，人类的发展离不开对水资源的利用，最直接的就是捕捉水生食物，那么 渔船就诞生了，如美国研究出得一种踏板控制方向的渔船 【1】 ，大大方便渔民，提高了生产率。但是 对水资源的利用，可不仅仅是捕鱼这么一说，比如说运输、能源开采等等，总之水上资源是无比巨大 的，人类对他的使用只是很小的一部分，还需要继续去发掘，去开拓。 就我国而言，我国也是一个水资源大国，长江、黄河、雅鲁藏布江但是我国极浅水河流众 多，这些河流的弯多流急，有些地段河道坡度较大，由于内河航道窄、弯道多、吃水浅，这就要求航 行船舶应具有良好的操纵性来保证航行安全。普通螺旋桨船舶在这些地区的推进效率较低，操纵性能 不佳，导致上滩能力不强，流急弯多处不易操纵，给水路运输带来了极大的困难。这些地区水路运输 的客观现实迫切需要开发一种适合这些地区的性能较好的船用推进装置。因此，直翼推进器在内河运 输船舶上的应用具有广阔的前景 2。 目前，螺旋桨是海洋工程装备中普遍使用的船舶推进器。装备螺旋桨推进器的船舶在低速航行时， 控制性能下降明显，其原因是船舵产生的横向力的大小与船速有关。在船舶经过海峡或者返回港口， 与其它的船舶靠近的时候都是低速航行，此时船舵产生的横向力变小，导致船舶控制力不足。直翼摆 线推进器弥补了螺旋桨的不足，无需船舵就能够在 360方向上快速改变推进力方向和大小，在任意航 速下船舶都具有良好的控制力 3。 2 直翼推进器相关技术的国内外发展概况 优异的操控性能使得直翼摆线推进器非常适合配备在特种船舶上，例如反鱼雷舰艇、灭火船、拖 船、动力定位系统等。直翼线推进器相比于喷水推进器、全回转推进器、螺旋桨等推进器，具有操纵 灵活方便、动态拖力大、抗风浪能力强、设备故障率低、维修成本低等优点 4。直翼摆线推进器应用 于动力定位系统，推进器数量大幅减少，有效降低系统成本与能耗。但是国内关于它的研究却很匮乏， 或者说没有完整的一套系统。 (a) 拖船 (b)摆渡船 （c）反鱼雷舰艇 （d）浮吊 图 l Voith Schneider Propeller 的各种应用 国外的摆线推进器理论与实验研究以德国、美国、日本取得的成果最为突出。德国 Voith 公司的 Voith Schneider Propeller 摆线推进器结构，具有出众的操控性能。VSP 结构紧凑，控制方便，甚至 有人认为它已经发展到了极限，无法再继续改进。但近年来，Voith 公司推出的六叶片 VSP 应用了现 代设计工具，如 CFD、FEM，对机构的流体力学性能和机械结构均进行了优化，采用六杆曲柄连杆机构, 设计了有更高效率的叶片外形，进一步提高了 VSP 的性能 4。 国内对直翼摆线推进器的研究起步较晚，研究主要集中在哈尔滨工程大学 1980 年朱典明教授改进 了 Taniguch 的计算方法，计入了推进器叶片的曲线轨迹和叶片旋转的影响，提出诱导拱度的概念，同 时放弃了一些线性假设以改进计算的精度 5。马庆位以朱典明的计算方法为基础，放弃了动量定理法， 力求用漩涡理论计算叶片轨迹圆处的诱导速度，获得诱导速度后即可应用叶剖面升力和阻力计算公式 求的直翼摆线推进器的水动力性能 6。苏玉民的硕士学位论文中采用了升力线方法计算直翼摆线推进 器叶片展弦比对其性能的影响，他将叶片用一根升力线代替，升力线布置在叶片轴处，其基本方法与 机翼升力线方法相同 7。哈尔滨工程大学的张洪雨教授在他的博士学位论文中设计了采用偏心盘一滑 块一连杆机构的实验装置和实验测量装置，给出了计算直翼摆线推进器水动力性能的经验公式，建立 了以直翼摆线推进器为推进系统的潜器模型，提出了叶片可以从尾流面中穿过而不影响尾流面连续性 的假设，并在此假设前提下建立了直翼摆线推进器的水动力计算方法。目前直翼推进器多采用广义摆 线机构和改善的摆线机构，但由于其机构比较复杂以及受机构本身的运动限制，桨叶摆动规律不能很 好地满足水动力的要求，限制了其推进性能，特别是推进效率的进一步提高。这也是直翼推进器难以 推广应用的主要原因之一 8。 3 船用方向控制装置的相关分析 3.1 四种常用特种推进器 槽道推进器、z 形推进器、直翼推进器、方向推力推进器。 下面简述它们的特点： a.槽道推进器:这种推进器最早在本世纪五十年代首先作为水面船舶的推进器而被应用。它的使用 浙江工业大学毕业论文文献综述 3 大大改善了大吨位船舶进、出港低速航行时的操纵性能。槽道推进器作为一种反应式推进器是靠改变 流体动量而获得推力的。槽道推进器具有结构简单、安全可靠、操作方便的优点，但推进效率不高是 这类推进器最大的缺点。 b. Z 形推进器:Z 形推进装置是根据带动螺旋桨的动力传动轴的机构与字母“Z”相似而得名。Z 形推进器又称为 Z 形导管螺旋桨。Z 形推进器和槽道推进器相比较，其结构要复杂，单机重量较大， 它的舷外布置应从安全性方面予以充分考虑。 c.直翼推进器：它由一组伸出船体表面并与船体表面相垂直的叶片构成直翼推进器可以提供 范围内任意方向的推力，而且其效率也是较高的，但直翼推进器本身机构复杂，且叶片伸出艇体，360 容易损坏。 d. 全方向推力推进器:它是在直翼推进基础上的种改进，当它的螺距角都保持某固定值时，就起到 普通螺旋桨作用，产生轴向推力 910。 3.2 直翼摆线推进器工作特性分析 摆线推进器类型多样，但主体结构基本相同。它垂直安装于船舶脊线，叶片均匀分布在转盘上， 每个叶片除绕转轴 O 旋转外，同时绕自身轴线 P 摆动，以产生 任意方向的推进力，如图 2 所示。360 推进器工作时可看成两个运动的合成，回转箱绕推进器轴心线转动，同时叶片以按照一定的规律绕自 身轴心线转动，此时叶片运动形成的轨迹即是摆线 1112。 图 2 摆线推进器工作原理图 在整个运动过程中，摆线推进器的叶片由内部机构控制，叶片弦线始终与某一点到自身轴心 P 的 连线相垂直。该点称为摆线推进器的控制器，用 C 表示。C 点到推进器转轴 O 的距离为心距，偏心距 与半径的比值即为摆线推进器的偏心率 e2。对偏心率 e 的控制机制,也即对于连杆机构的设计与分析 是本设计的关键部分。 3.3 凸轮及连杆式直翼推进器的研究 （1）凸轮式直翼推进器的机构及特点 为了进一步改善推进器桨叶摆角曲线，桨叶自转采用凸轮轨来控制桨叶轴的摇柄,简化了推进器的 整体结构 。 图 3 一种凸轮结构直翼摆线推进器 动力由输入轴通过伞齿轮带动转盘作均速转动，等间距安装于转盘上的桨叶在作公转的同时，桨 叶上部的摇柄轮在凸轮轨中运动并使桨叶按某种规律摆动，以产生方向相同的推力。凸轮的旋转位置 就代表了推力的方向。凸轮轨可以转动，由操纵人员控制，如将凸轮轨转动至某个角度可使推力方向 随之转动某个角度，即达到操纵船舶的目的 1314。 凸轮式直翼推进器的机械传动效率可用式(1、2) 表示 ： Tjzq 式中： -伞齿轮减速器的效率(一般取 0.97)； j -圆盘主轴 、桨叶摆动轴承的效率(可取 0.97)； z -凸轮及其它运动部件的传动的效率(可取 0.96)。 q 其总的机构传送效率为 0.97.80.96.Tjz (2) 连杆式直翼推进器的机构(图 4)及特点 连杆式直翼推进器是采用连杆机构对桨叶角度变化进行控制的。其最大的特点就是可以通过其中 心的控制杆控制连杆机构调节桨叶的变化，使推进器产生的推力发生变化(即实现桨的调距功能)，推 力方向可以 旋转(实现桨的操纵功能)。该推进器具有极好的操纵和变距功能，是目前船用推进类360 型中性能优良的舵桨装置。连杆式直翼推进器的机械传动效率略高于凸轮式直翼推进器。 浙江工业大学毕业论文文献综述 5 图 4 Voith Schneider 推进器曲柄连杆机构 3.4 直翼推进器与螺旋桨推进器的比较 a.推进器的水力剖面面积 船用螺旋桨一般是通过水密轴系安装于船体尾部，推力的方向和幅度不能沿任何线路改变正常的 轮毂的旋转轴，从而需要定向舵，而直翼推进器则不需水密轴系,而直接安装于船体尾部。 设推进器叶梢距基线为 t，船体尾部( 推进器位置) 浸深为 a，船舶吃水 d，螺旋桨与船体之间间 隙 C，则螺旋桨最大直径 ,详见图 4 。 Ddatc 则螺旋桨水力剖面积： 2 14Ald 若直翼推进器桨叶回转直径同为 D， 展长为 ，则 lCD0.14.lDC 此时直翼推进器水力剖面积 2 21.4AI 两者之比 21 22.411.45AD (a) (b) (c) (d) (a)、(b) 直翼推进器示意图 (c)、(d) 螺旋桨推进器示意图 图 5 直翼推进器与螺旋桨推进器的水力剖面积 即在相同吃水条件下,直翼推进器的水力剖面积为螺旋桨推进器的 倍。直翼推进器桨叶回转1.45 直径 D 并不受船舶吃水的限制，如必要还可适当增加其回转直径以进一步增加水力剖面积，降低推进 器的负荷,这对浅水船舶具有重要意义 15。 b.具有良好的操纵性能 直翼推进器的操纵力(舵力)比普通船舶的舵桨系统为大，采用舵桨系统的船舶处于倒车状态、停 航状态或以极低航速运动时，其船舵丧失操纵力或操纵力极低。而直翼推进器在低进速时其操纵力反 而大。由于该推进器推力方向可在 范围内变化，因此，船舶能够进行原地回转。特别当采用 2 台360 直翼推进器时，通过调整和控制 2 台推进器不同的推力方向，可使船舶侧向横移，这对航行在航道拥 挤的内河及港作的船舶来说有其重要意义。直翼推进器在调整舵力方向时，其桨叶在水中转动过程中 阻力很小，在获得良好的操纵性能的同时能量损失也小。 4 结论 直翼摆线推进器研究已有几十年的时间，在各国研究人员的辛勤工作下取得了众多成果，Voith 公司生产的 vSP 取得很好的应用效果。国内直翼摆线推进器研究工作相对落后，李典明、张洪雨等教 授对直翼摆线推进器开展了深入研究，并将其应用于水轮机，拓宽了直翼摆线推进器的应用领域。但 目前应用范围仍然较小，并没有得到大规模的推广。扩宽直翼摆线推进器应用领域，加快直翼摆线推 进器市场开发对于直翼摆线推进器的研究与发展具有重要的意义。 直翼推进器对水探测以及海洋开发领域有广阔的应用前景和重要的意义，结构合理、运动可靠的 推进器结构不仅能保证满足全方向推进功能，可以改善构件受力状况，减少能量损失，效提高推进器 工作效率。它能够在360 0方向上快速改变推进力方向和大小，实现船舶原地转换、精确定位等动作。 直翼摆线推进器将舵桨集合成一体，克服螺旋桨推进器在低速航行时操纵性下降的缺点。直翼摆线推 进器因其优异的控制性能，广泛应用于拖船、扫雷舰艇、浮吊、动力定位等高控制要求的场合。而我 国的直翼摆线推进器研究工作开展较晚，且仅限在理论研究上，实际生产应用更是处于试制阶段。有 突出性能的直翼摆线推进器在我国高速发展的船舶工业中具有非常广阔的市场。 浙江工业大学毕业论文文献综述 7 参考文献 1Roy E.Jones,548 Powahatan,Independence,Mo.64056 DIRECTIONAL CONTROL MECHANISM FOR A TROLLING MOTOR Mar.4,1977:1-3. 2黄佳林，陈昌运.船用直翼推进器研究J,交通部上海船舶运输科学研究所学报，2007, 30(2):88-95. 3Barry A.Ridgewell, Delta; Miles Fenton, North Vancouver, both of Canada CYCLODIAL PROPULSION SYSTEM Aug.19,1993:2-6. 4施科益，杨世锡.一种新型摆线推进器控制系统的设计J, 机电工程,2008 25(10): 91-94. 5朱典明.摆线推进器的理论计算方法，哈尔滨船舶工程学院学报，1982,20（1）：1-24. 6张洪雨.摆线推进器水动力性能研究J,海洋工程，1998,(03). 7苏玉民.摆线推进器叶片展弦比对其性能的影响之探讨D，哈尔滨：哈尔滨船舶工程学院枧电工程 学院，1984. 8钱晓南.直翼推进器的性能分析及其理论J,中国造船，1963(51)：9-25 9衣大勇，贺伟.全方向推进器叶片控制系统研究与实现J.应用科技，20