（电气工程专业论文）喷水推进装置及其控制技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ew a t e r j e ti so n eo fi m p o r t a n tp r o p u l s i o nt e c h n i q u e sf o rs h i p s i ti sa p p l i e dt om a n yh i g h - p e r f o r m a n c es h i p sf o ri t s h i 曲p r o p u l s i v ee f f i c i e n c y , l o w e rn o i s ea n dv i b r a t i o n , a n ds i m p l et r a n s m i s s i o nm a c h i n e i nt h ep a p e r , t h e a p p l i c a t i o no fw a t e r j e to nas m a l lw a t e r - p l a n ea r e at w i nh u l l ( s w a t h ) i s r e s e a r c h e d t h ed e s i g no fw a t e r j e tp r o p u l s i o na n di t sh y d r a u l i cs y s t e ms i m u l a t i o n a les t u d i e d i ti sc o n t r i b u t e dt oe x t e n s i o na n da p p l i c a t i o no fw a t e r j e tp r o p u l s i o n a tt 1 1 es a m et i m e ，i th a st h ee n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n to f c o n d u c t i n gt od e s i g nt h e h y d r a u l i cs y s t e mo fw a t e r j e t i nt h ep a p e r , t h er e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n ea sf o l l o w 1 t h eb a s i cp r i n c i p l eo fw a t e r j e tp r o p u l s i o ni sr e s e a r c h e d o nt h i sb a s i s ，t h e h y d r o d y n a m i cr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs w a t ha r ea n a l y z e d a n dt h e n , a c c o r d i n g t ot h es w a t h s h i pe x a m p l e ，i t sh y d r o d y n a m i cr e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa r e s t u d i e d e x c e p tt h a t ，t h eh y d r o d y n a m i c r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa n db a s i cp a r a m e t e r so fw a t e r j e tp r o p u l s i o nd e v i c ea r ee l e m e n t a r i l y c a l c u l a t e d 2 t h r o u g ha n a l y z i n gr e q u i r e m e n t so fm a n e u v e ra n dc o n t r o lf o rw a t e r j e t p r o p u l s i o nd e v i c e ，t h eh y d r a u l i cs e r v o s y s t e m i s m a i n l y s t u d i e d t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l so fr e v e r s i n ga n d s t e e r i n gh y d r a u l i cs e r v os y s t e m sa r e e s t a b l i s h e d a n ds o m ea s s o c i a t e dc h a r a c t e r i s t i c s i n f l u e n c i n g t h e s y s t e m p e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d 3 t h es t e e r i n gs e r v os y s t e mi s a n a l y z e da n dd e s i g n e di nd e t a i lt a k e nt h e s t e e r i n gm e c h a n i s ma sa ne x a m p l e t oc o n s i d e rh y d r a u l i cs y s t e mn o n l i n e a r f a c t o r s ，t h ea m e s i ms i m u l a t i n gm o d e lo fs t e e r i n gs e r v os y s t e mi sb u i l tu po nt h e b a s i so fa m e s i ms i m u l a t i n gs y s t e m t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , t h ed e s i r et r a c i n g c h a r a c t e r i s t i c sa r eo b t a i n e d 4 a f t e rs t u d y i n gr e q u i r e m e n t sf o rw a t e r j e t p r o p u l s i o nd e v i c e ，s u c ha s s y s t e mf u n c t i o n s ，e l e c t r i cc o n t r o la n dm o n i t o re t c ，t h ee l e m e n t a r ys c h e m et o 哈尔滨工程大学硕七学位论文 d e s i g nf u l ld i g i t a lm o n i t o ra n dc o n t r o le l e c t r i cs y s t e mi sg i v e n 1 1 1 ee l e c t r i c s y s t e md i s t u r b a n c e so fw a t e r j e tp r o p u l s i o nd e v i c ea r ed i s c u s s e d ，a n ds o m e m e t h o d sa r ep r o v i d e dt oa v o i di t t h e s ea l eb e n e f i c i a lr e f e r e n c e sf o rr e a l l y d e s i g n i n ge l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fw a t e r j e tp r o p u l s i o nd e v i c e k e yw o r d s ：w a t e r j e tp r o p u l s i o n ；s w a t c hs h i p ；s t e e r i n gs e r v os y s t e m ；m o n i t o r a n dc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：危丑公认 日期：现彬夕年喇日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔 滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论 文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待 解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 日期：例罗 ：触签趴 年2 月弓曰 导肌签字冉夕移 锄哆年月哆日 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 1 1 论文的目的和意义 第1 章绪论 现代船舶所应用的推进方式主要有五种：柴油机直接推进、电力推进、 超导电磁推进、喷水推进、液力推进，其中喷水推进技术是现代船舶推进的 一种重要的推进技术。由于其具有推进效率高、抗空泡性能强、操纵性好、 传动简单、运行噪声低、工况范围广和环保等优点，现代越来越受到重视， 特别是许多高性能船舶，如小水线面双体船、水翼艇、穿浪双体船等，均以 喷水推进作为首选推进方式。 小水线面双体船( s m a l lw a t e r - p l a n ea r e at w i nh u l l ，缩写为s w a t h ) 是 一种耐波性能极其优良，中高速下阻力小，甲板面积相当宽敞，可以完成多 种使命，满足各种航海要求的新船型。我国是一个沿海国家，具有丰富的海 洋资源和漫长的海岸线，探索小水线面双体船在我国的发展和应用前景，有 着十分重要的意义。 本论文以小水线面双体船为应用对象，对喷水推进系统的参数设计、喷 水推进液压控制系统、喷水推进的船舶操纵监控系统的设计等方面进行分析 讨论，有助于我们加深对喷水推进技术的认识，掌握喷水推进在小水线面双 体船中的应用技术。 1 2 喷水推进技术简介 1 2 1 喷水推进装置的结构组成 喷水推进器是一种利用推进泵喷出水流的反作用力来产生推力的推进 器，通过操舵倒航设备分配和改变喷流方向可以实现船舶的操纵控制。典型 的喷水推进系统主要由进出水管、推进泵装置、操舵及倒车装置以及电气液 压遥控系统组成，其基本结构如图1 1 所示。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 推进泵：2 操舵与倒车装置：3 反馈机构；4 主轴； 5 进水管道；6 液压系统；7 电气控制单元 图1 1 喷水推进装置基本结构图 整个装置主要分为以下几个部分 1 进水管道 进水管道是喷水推进装置的主要部件之一，通常由船厂整体建造后装入 船体。在进水管设计中，要求其形状在任何工况下都有较高的效率。进水管 的吸入端一般在船舶底部端口处装有格栅用于避免漂浮杂物进入泵内；另 一端通过法兰联接到船的层核材上。层核材上的法兰并不是水流通道，而是 为推进系统动力部件推进泵提供安装空间。 2 推进泵 用于喷水推进装置的推进泵类型，主要由船舶设计速度及其船体形状来 决定。推进泵要求抗汽蚀性较好、效率高，其一般通过风洞试验来选取。当 前，大部分船舶喷水推进系统中采用了混流泵。推进泵的作用是对流过泵本 身的水流增加扬程形成泵前后的压力差，这种压力差对推力轴承造成一种 推力，从而通过尾核材将推力传给船体，使船舶前进。 3 操舵与倒车装置 在喷水推进系统中，操舵、倒车主要依靠改变水流的喷射方向来实现的。 操舵与倒车装置主要由带有倒车斗的操舵喷管，带软管的液压缸以及反馈控 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 制部分组成。 其中操舵喷管可以在液压缸的作用下左右偏转3 0 度。而操舵液压缸则通 过高压软管与液压系统连接。倒车斗则是折叠状，安装在操舵喷管底部的凹 处。该装置上部及下部各二块板，由联动机构联结，可以像锚口一样开合。 该装置的两个臂在喷管的垂直切面旋转，带动倒车斗；而这两个臂则用水平 核杆与噎管顶部的液压缸连接。当处于正车状态时，倒车斗上部板则与操舵 喷管底部齐平；当倒车时，喷射水流会偏转至前下方，产生倒车推力；当倒 车斗在正中位置时，无论泵转速多高，这时其对船舶产生的推力均为零。转 舵与倒车行为的驱动控制和装置内的润滑则依靠液压系统来完成。喷水推进 装置的液压系统主要由两部分组成，其中一部分用于控制操舵喷管和倒车斗 位置，另一部分用于润滑泵装置内的轴承并保持轴承套内的油压。其液压系 统的主要工作部件有液压泵、电磁换向阀、减压阀、滤器以及对应的安全保 护设施等。液压泵一般有两套，一套用于液压控制，另一套主要用于系统的 润滑。 4 喷水推进控制系统 喷水推进控制系统是整个喷水推进装置的电气控制部分。控制方式一般 为电动液压式。喷水推进控制系统主要由反馈机构、液压系统和电气控制单 元组成。该系统的电气控制单元负责接收由驾驶台发送的指令信号，在电气 控制单元的中央处理装置进行运算处理后，驱动相应的电液阀。反馈机构负 责操舵信息反馈和倒车反馈机构，并与电气控制单元相连。操舵指令与反馈 信号同时送人电气控制单元。两信号之间的偏差变为电信号送入电液控制阀， 从而驱动操舵及倒车油缸。操舵位置与倒车库位置可以在一个独立的显示器 上显示出来。另外，推进控制系统中还包含了一套备用控制装置，以备主控 制单元发生故障。推进控制系统还配有声、光报警装置，能及时反映出系统 的故障与缺陷。综上所述，典型的喷水推进系统可用如图1 2 所示。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 电鼍整曩襞 图1 2 典型喷水推进装置控制框图 1 2 2 喷水推进的特点 随着科学技术的发展，使喷水推进装置技术得到了快速的发展，越来越 显示出传统螺旋桨推进所无法比拟的优越性。主要表现在： 1 推进效率高。喷水推进装置的导管不仅起到了分割流场，产生推力增 值的作用，而且使推进泵的叶轮在均匀的流场中工作，在高速范围内有更好 的抗空泡性能，避免传统敞式螺旋桨产生的无用扭矩，减少高速时的空泡。 因此特别适用于高速船舶。 2 噪声和振动小。喷水推进装置的传动结构简单，可减低内部噪音约 7 1 0 d b 。另外，船体振动量级也有所降低；由于喷水推进良好的抗空泡性能， 可使水声噪音比传统螺旋桨降低约l o d b 。 3 操纵性能好。喷水推进装置在整个航速范围内都具有良好的稳定性， 而且可以通过改变喷嘴的方向来改变推进方向，以及通过操舵装置的配合， 引导水流反向喷射实现倒车，其拖轮倒车能力可达到正车托力的一半，这是 普通螺旋桨所达不到的。 4 适合于浅水航行，喷水推进装置把导管内的水流与船底水流分开，减 小了浅水效应；且泵装在体内，机械本体吃水小。 5 推进泵的叶轮在导管中受到较好的保护，不易损坏。 6 喷水推进主机与喷水泵的配合较佳，在船舶工况变化的条件下，能充 分吸收主机功率，适应变工况的能力强，同时对主机保护性能好；这对高性 能舰艇来讲尤为重要。 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 7 传动结构简单，喷水推进泵组由主机减速( 或不减速) 后直接带动，不 需要增加复杂的传动机构，减少了投资和维护保养工作，增加了机构的运转 可靠性。 8 推进装置部套化，便于安装和配套。而螺旋桨由于很难适应不同的船 舶规模和工况要求，其难于实现部套化。 喷水推进的不足之处为： 1 在航速较低时，推进效率比传统螺旋桨低。 2 由于增加了管道中水的重量，导致舰艇排水量增大。 3 推进泵叶轮的拆换比螺旋桨复杂。 4 在水草或杂物较多的水域，进水口容易堵塞。 5 管道中有水的摩擦损失和弯头损失。 1 2 3 喷水推进发展历史 喷水推进系统主要是从船底引入水流，通过船内的水泵增压后由喷管喷 出，利用动量的变换来获得船舶前进需要的推力。与传统的螺旋桨一轴系推 进方式相比，具有推进效率高、传动结构简单等优点。喷水推进系统迄今已 有三百多年的历史，喷水推进技术在其发展历程中，先后经历了液泵式喷水 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 等五个发展阶段。从这些喷水推进技术在船舶上的实际情况来看，当前，尾 板式喷水推进是现代喷水推进船舶的首选型式。 上世纪5 0 年代，喷水推进仅用于一些小型低航速内河船；6 0 年代开始， 喷水推进技术开始在部分高性能船舶，如气垫船、水翼船等上得到采用。上 世纪7 0 年代时，喷水推进技术得到快速发展和应用。一些知名的国际推进器 制造商，如l i p s k a m e w a 等，竞相投入科研力量进行开发研究，有力地促进 了喷水推进技术的广泛应用，无论在军船领域还是在商船方面，均得到了广 泛的认可。到8 0 年代末，更有许多高速渡船和商用船舶采用喷水推进装置。 由于喷水推进技术在高速条件下表现出来的得天独厚的优势，更加促进了该 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 技术在许多新型高性能船舶上的应用。 与早期的喷水推进装置相比，现在喷水推进装置的推进效率得到了明显 提高。由于喷水推进技术中，进水口处的设计技术更先进，使得进水管道的 效率更高，因此，现在单级喷水推进器设计所能提供的工况性能和抗空泡性 能远比早期的多级泵式设计。 随着技术的不断进步，喷水推进器的成本大大降低。此外，由于喷水推 进器与船体的设计匹配性能好，可以避免螺旋桨容易产生碰损的危险。在日 常维护和保养方面也比较简单，一般仅限于推进器支座的润滑、液压动力装 置和阳极消耗。 1 3 喷水推进技术国内外发展现状 1 3 1 国外发展现状 由于舰船喷水推进装置采用的是不同于螺旋桨推进的“船体管道加推进 水泵”特有方式，其部件间相互关系比较复杂，系统的工作特性与传统螺旋桨 推进装置有较大的不同，人类对喷水推进理论和技术的认识和掌握远远不及 螺旋桨推进技术深入。 近年来，国内外对喷水推进器进行了很多研究，主要集中在喷水推进器 进口形状、边界层影响、叶轮机械设计以及流场空化、二次流喷射等方面。 如j o h n i a l i s o n 等研究了喷水推进器进口、船体及射流之间的相互作用； j l r o b e r t s 等对平进口喷水推进装置吸入边界层的影响进行了深入的实验研 究；m z a n g e n c h 等对叶轮流场中抑制二次流的设计准则进行了研究。随着流 体力学计算方法商业软件的出现，r v e r b e e k 等运用流体力学计算软件计算了 喷水推进器进口流道，以阐明实验所得的进口凸缘的空泡起始特性结果； t a y l o r 等提出了运用升力面理论与r a n s 计算相结合来设计水泵的方法； z a n g e n c h 等运用三维逆向设计方法设计叶轮和导叶以抑制叶轮中的二次流， 并对设计的叶轮和导叶结合流场作通流r a n s 计算。 在喷水推进器中，核心部件是喷水推进泵。目前主要有两种类型的喷水 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 推机泵：( 1 ) 多级轴流泵，主要以俄罗斯、日本为代表；( 2 ) 带诱导轮的 混流泵，主要以美国和其他欧洲国家为代表。这两种类型的泵特点各异，其 中轴流泵的径向尺寸较小，而带诱导轮的混流泵轴向尺寸较小。由于轴流泵 扬程较低，对于大吨位舰船，往往需要多级串联，而带诱导轮的混流泵单级 即可。轴流泵的重量较轻，径向尺寸小，在舰艇上好布置。而带诱导轮的混 流泵重量较大，径向尺寸也大，布置起来显得比较拥挤。目前的轴流泵比带 诱导轮的混流泵效率稍高一些，但相差不大。因此，这两种推进泵各有千秋， 在喷水推进器上都有应用。 目前，在喷水推进方面，国外主要集中在几个生产厂商从事喷水推进技 术的研究和装置的生产，他们在不同类型、不同规格的喷水推进器的研制发 展上，都取得了各具特色的进步。 1 新西兰h a m i l t o n 公司 该公司主要生产i - i j ，h m 和h s 系列喷水推进装置，输出功率从 1 0 0 k w 3 0 0 0 k w 。另外其在喷水推进器的控制技术方面，h a m i l t o n 也作出了 不小的贡献，提出了模块化、标准化的解决方案。考虑到喷水推进器控制系 统不仅仅操纵控制变流装置和倒车导管，还与主机、齿轮箱、自动驾驶仪和 独立的监视系统等各方面具有接口要求。在接口方面，制定出规范的接口， 可以满足公司开发设计的各种类型的喷水推进器的驱动控制要求。针对用户 的特殊需求，具有软件驱动的高水平专用控制模块，可以保证在较少操纵人 员的情况下提供较高的控制精度，提供操纵性和监控性在系统内建立智能响 应的能力，并保证船上各个喷水推进器间的同步一致性。 2 瑞典k a m e w a 公司 该公司最早是在1 9 8 0 年进入喷水推进装置市场的，目前已经发展成为国 际大型喷水推进装置开发设计的领导者。其联合了v o l v op e n t a 公司，逐步建 立起输出功率在1 5 0 k w 6 0 0 k w 范围内的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在高航速下具有较高的推进效率和令人 满意的操纵性。目前，k a m e w a 生产的喷水推进装置主要有三个系列，包括 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 f fs e r i e s ( 4 0 k w - 1 5 0 0 k w ) 、a s e r i e s ( 5 0 0 k w 一2 9 0 0 k w ) 、s l l s e r i e s ( 5 0 0 k w 5 0 m w ) 。 另外，k a m e w a 还与罗尔斯一罗伊斯开发了世界上推力最大的喷水推进 装置k a m e w av l w j 2 3 5 ，能提供2 7 0 0 0 k w 的推进动力，比目前世界上现有 最大喷水推进器提高了8 的功率。 3 荷兰l i p sj e t 公司 l i p sj e t 公司最早从1 9 7 5 年开始喷水推进装置的开发设计工作，目前能 提供适合任何功率要求的各型喷水推进装置。其中包括1 6 个基本型号，进水 口直径从3 9 0 m m 到1 6 1 0 m m ，具有优异的推进性能和抗空泡性能。 4 日本川崎公司( k a w a s u k i ) 川崎公司进入喷水推进装置市场比较晚，由于受到国内繁荣的高速渡船 和高速货船市场的刺激，该公司从1 9 8 7 年开始进入，属于该领域的后起之秀。 其开发设计的2 台m w j 17 0 0 0 m 型喷水推进装置，叶轮直径为1 6 4m ，转速 达5 4 5 转分，安装在t s l a 气垫高速货试验船上，每台喷水推进装置由一 台1 31 0 0 k w 燃气轮机作为主机动力，获得了5 4 k n 的高航速。 1 3 2 国内发展现状 特别是在我国，喷水推进技术在舰船上的应用还处于起步阶段，无论是 理论方面还是工程实践方面尚有许多问题需要进行更深入的探讨。国内喷水 推进技术研究方面，上海7 0 8 所是一支重要的研究力量。该院设置了专业从 事喷水推进装置的开发研究的机构，其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，受到国际造船界的普遍关注。但是与国外相比， 我国在喷水推进技术的研究方面仍存在相当大的差距。要赶上世界先进水平， 我国还需要在以下几个方面进行深入研究：( 1 ) 喷水推进泵，特别是大功率 喷水推进泵的理论研究和设计研究；( 2 ) 推进泵的效率问题，以及推进泵的 抗空泡性能及诱导轮的设计；( 3 ) 喷水推进装置进水口及管道系统的空泡及 阻力系数的优化问题；( 4 ) 喷水推进装置控制技术研究，特别是其对推进船 8 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的倒车控制装置及转向控制装置及其控制技术的研究。在这方面，罗尔斯 罗伊斯公司研制的a w j 2 1 型喷水推进器就融合了操舵和倒车系统，大大提 高了舰艇在低航速下的机动性和航速，使舰艇能在浅水区域航行。另外，关 于喷水推进的研究重点目前仍然局限于喷泵本体的设计与改进。有关船机泵 三者在各种工况条件下的动态配合情况的研究在国内仍属于空白。 1 4 本论文的研究内容 本论文主要进行了以下几个方面的研究： 1 对小水线面双体船的水动力特性及其喷水推进装置的基本原理进行分 析研究，为小水线面双体船喷水推进装置的选择提供理论依据。 2 对喷水推进装置的液压控制系统进行分析研究，以阀控非对称缸动力 机构为基础，分别建立喷水推进装置倒航机构和操舵机构的传递函数模型和 方块图。 3 为了真实仿真系统的非线性以及动态过程，采用a m e s i m 软件对喷 水推进装置的模型进行仿真分析。重点以喷水推进装置操舵机构为研究对象， 建立操舵液压控制系统的a m e s i m 仿真模型，并对其动态特性进行仿真分 析。 4 对喷水推进装置的操纵控制功能进行归纳总结，在此基础上，对喷水 推进装置监控系统进行方案的设计研究。 9 哈尔滨下程大学硕士学位论文 第2 章喷水推进器参数设计研究 2 1 喷水推进的基本原理 喷水推进船舶需要的动力由主机提供，主机直接带动或通过传动装置带 动喷泵先转，产生所需要的推力。喷水推进的理论基础如下： 根据动量定理，推进装置的叶轮和各壁面对水流施加的压力可以表示为： 弓= p q ( 一v o ) ( 2 1 ) 式中：q 广_ 流量，m 3 s 炸一水流在喷口的喷速，r n s 虼_ 进口水流速度，m s 乃水流施加的压力，n m e ； 进口水流速度可表示为： z o = ( 1 + w ) y ( 2 2 ) 式中：卜船舶航行速度，r n s 卜伴流系数；可以采用泰勒双桨公式来计算w = 0 5 5 c 。一0 2 ； 设喷水推进器的输入功率为b ，推进泵的扬程为b 重力加速度为g ， 则喷水推进系统的推进效率为 锄2 等2 器警嘞 协3 ， 式中：r l 。系统效率 刁。推进泵的效率 应用伯努利方程，叶轮前后的水流有如下关系： 一p l + 堕：卫+ 竖一忽一庇 p g2 9p g2 9 ( 2 4 ) 旦+ 堕：卫+ 兰+ h ： p g2 9p g2 9 。 ( 2 5 ) 式中：卜大气压力，p a p l ，陇推进泵叶轮前后的压力，p a 1 t ) 0 1 ，眩础进泵叶轮前后的流体的速度，对于轴流泵 9 0 1 = v 0 2 ，m s h f ，办广进口管道和喷口管道的水头损失，m l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 办广液体的提升高度，m 将式( 2 4 ) 与式( 2 5 ) 相减，有 日= i p 2 - p i = 竖2 9 哪m 号 ( 2 - 6 ) p g l j l 2 9 p v j 图2 1 喷水推进管道示意图 设管道中仅存在局部损失，其局部损失仅与该局部的形状及其通过该局 部的流速的平方有关，则管道的压头损失为： h ：c 兰 ( 2 7 ) 2 9 式中：c l 一局部损失系数， 1 一管道中水流速度，i 眺 另外进口损失为 号 嘭2 q 丢 协8 ) 其中g ，9 为管道进口、喷口的局部损失系数，其与进口、喷口的结构形式 有关。 在设计航速下，利用船舶航速可将水流的提升高度表示为： 忽：c c 善 z g ( 2 9 ) 代入式( 2 6 ) 后，有 日=立+唾+磋+e砉一立2929 邓+ q ，丢+ c g + e 州丢。2 加) 2 9。2 92 9 、 772 9 。、1 。 7 2 9f ，1n 、 将式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 ) 代入( 2 3 ) 后，令k = 孑，有 仉2 器2 可魂p q v ( v 万j - v , , ) v a 习 2 ( k 1 1 = - - - - - - - - - - - - - - - - - 二- - - - - - - - - - 一 ( 1 + q ) 尼2 + ( c f + e 一1 ) ( 2 - 1 1 ) 对其关于后求偏导，令粤：0 ， 饬= 1 + 得系统推进的最大效率为 对应的喷速为 对应的扬程为 系统效率为 ( 2 - 1 2 ) 1 2 雨万而丽丽 ( 2 - 1 3 ) = 屹( 1 + 、i2 。一p q v ( v j v o ) v o 仉2 p g q _ v h _ 2 一吃) 屹 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 若对扬程求偏导，最大扬程为 1 ，2 r 一， 玩2 詈h c j + e + 肛q 脚q + 韧 ( 2 - 1 7 ) 综上所述，最佳喷速v j d 与最佳扬程均与流量无关。如果圪，g ，c ，c 保持不变，可以通过改变输入功率p l 可以通过改变流量g ，来实现，而最佳喷 速和最佳扬程不变。其有如下关系： 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ；ii一一t 宣暑暑宣葺；i i 暑暑置宣i 置i ；宣i ；i i 暑宣暑宣暑；i ；i i i i i 宣i i ；i 宣宣暑i ；i i i 葺；暑昌薯；嗣 v 乞 二一= g r i d 对厦的最佳流量为 r l 。p7 7 。p1 2 一p g h a2 齑雨可百丽霉雨丽 最大效率为 1 r l s n 一2 面历河丽丽万卺丽巩懈 因此，在设计条件下，推进器提供的推力为 弓= p q v a l ( k d 一1 ) = p q v d l ( 1 + ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 暑 1 屹( 1 + q ) + 汀丽而百丽 ( 2 2 1 ) 综上所述，在确定了推进器输入功率以及船舶的设计航速时，在设计条 件下推进器提供的推力与推进泵的效率以及系统效率有关。下面以某小水线 面双体船为对象，对喷水推进装置的参数进行设计研究。 2 2 小水线面双体船阻力特性分析 本论文以小水线面双体船为研究对象。根据船舶流体力学理论，小水线 面双体船受到的阻力包括兴波阻力、粘性阻力、附体阻力及其波浪航行中的 阻力增量。因此，其受到的总阻力r 丁可表示如下所示： 蜀= 凡+ r + + 蜀w ( 2 2 2 ) 式中：冠。一兴波阻力 r 广骷性阻力 足4 旷一附体阻力 t 确，广_ 波浪航行中的阻力增量 2 2 1 兴波阻力 在船体坐标系中，原点位于水表面，并位于船的中央位置，令船舶匀速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 直线运动，则其兴波阻力可以表示为： r = 2 ( + 2 + ) ( 2 2 3 ) 式中：r r 表示片体下部主体部分产生的兴波阻力 月w 肘一支柱和下部主体之间的兴波干扰引起的兴波阻力 r w r 片体支柱产生的兴波阻力； 各兴波阻力分量分别为： = 1 6 n p k ；f 2 ( 露+ 以) ( 1 + c o s ( 2 b k o s e c 20 s i n 秒) ) s e c 3 o d o ( 2 2 4 ) 厶+ 讥一丢匕尝唧( k o h s e e 2 0 + x k o s e e 0 ) d x r w s = 1 6 x p k ；f 2 ( 乓+ 乓) ( 1 + c 。s ( 2 b k o s e c 2 0 s i n 秒) ) s e c 3 鲋p ( 2 ，5 _ ) + 以= 一丢& 艺( 警) e x p ( k o z s e e 2 0 + 嘁s e c 0 ) d x d z 尺栅2 1 6 死p k oi 。( 厶+ 以厶) ( 1 + c o s ( 2 b k o s e c 2 0 s i n d ) s e c 3 0 d 口( 2 2 6 ) 式中：杨一系数，k o = g v 2 2 卜两片体总想中剖面之间的距离，m 卜片体吃水，m k 片体长度，m 如，己r 片体下体及其支柱的长度，m p 海水密度，k g m 3 g 重力加速度 卜航行速度，m s 彳( x ) 主体横剖面面积曲线 f ( x ) 支柱水线 h b 表示下部主体轴线沉深度，m 表示支柱部分吃水高度，m 采用式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 计算兴波阻力时，片体支柱水线方程f ( x ) 及其主体 横剖面面积曲线彳 ) 的精确度对兴波阻力的计算具有直接影响。目前，( x ) 和么( x ) 解析式一般通过曲线拟合得到，常用的拟合方法主要有四种：幂多项 式法、契比雪夫多项式、二参数多项式或样条曲线。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 粘性阻力 与排水体积相当的常规单体船相比，小水线面双体船的湿表面积要大出 约6 5 8 0 ，同等航速条件下，其粘性阻力要大得多。因此，小水线面双体船 的粘性阻力是其总阻力的重要组成部分。整个粘性阻力主要包括摩擦阻力和 粘压阻力，表示如下 r 矿= r f + r 厅 ( 2 - 2 7 ) 式中：尺。摩擦阻力，n r 印粘压阻力，n 小水线面双体船中的粘性阻力主要由主体和支柱产生，考虑到其主体和 支柱长度不等，可分解为支柱部分的粘性阻力，主体部分的粘性阻力及其由 船体表面粗糙度所引起的摩擦阻力增加量与实船船模换算的阻力补贴三部 分，表示如下： r 矿= r 坯+ r 髓+ 尺艘 ( 2 2 8 ) 其中 r 厢= 去p 矿2 s s c 厣( 1 + k ) ( 2 - 2 9 ) r 瞎- 寺p v 2 s b c 船( 1 + k 口) ( 2 - 3 0 ) c=丽0075cm驴争2 画丽如2 寻 c 船= 丽0 0 7 5耻争矿画丽如2 寻 式中：1 ，水的运动粘性系数，m 2 s ( 1 + k 占) 支柱的形状因子 ( i + k s ) 主体的形状因子 在粘性阻力的计算中，形状因子( 1 + k b ) ，( i + k s ) 的准确性是计算小水 线面双体船粘性阻力是否准确的关键。形状因子的获取，主要通过对低速船 模实验组里测量数据的分析来获得，或者通过一些比较公认的经验公式。这 里给出一类经验公式。 假设支柱为一狭长的机翼，利用二维翼型的粘性阻力经验公式，则支柱的 1 5 哈尔溟工程大学硕十学位论文 形状因子表示为： 驴+ 枷4 协3 ， 采用霍纳建议，主体形状因子表示为： c + k 口，= + ( 詈) 1 5 + 7 ( 詈) 3 c 2 3 2 ， 其中，d 为主体最大直径或相当直径d = 2 鱼，4 为最大横剖面积。 阻力换算补贴分量可用式( 2 3 3 ) 计算 r 艘= , o v 2 必 ( 2 - 3 3 ) 式中：c 艘粗糙度摩擦阻力附加系数，可取( 0 5 0 6 ) x1 0 _ 3 卜船的湿表面积，s ：2p 2 胁 扛t s + r ( - 1 - s i n - ! ( ) + 卜( 丢) 2 ) ( 2 _ 3 4 ) 式中：l 片体湿表面的半周长，m 卜各站处支柱半宽，m r _ 各站处主体半径，m z 支柱部分的吃水，m 。 另外，船体的湿表面积也可采用如下的经验公式来计算。 s = 2 0 2 5 l s 仃一d ) + 1 2 5 3 a d l 占c 嚣 ( 2 3 5 ) 式中：主体棱形系数 其中a = 3 11 + 2 0 9 5 c p s 。 2 2 3 附体阻力 小水下面双体船的船梯附体阻力主要是由安装的稳定鳍及其航向控制舵 引起。由于鳍和舵的结构形式相似，均为展弦比很小的机翼，剖面为对称翼 形剖面，引起的附体阻力计算方法相同，所受到的水阻力的总和即为小水线 面双体船的附体阻力，可以分为四个部分： r 胛= r 一矿+ r ，+ r 删+ r 玎 ( 2 - 3 6 ) 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中：也y _ 粘性阻力，n r ，诱导阻力，n r 删附体和船体之间相互干扰引起的阻力，n r 仃- 健或舵的梢端阻力，n 可利用二元翼的粘性阻力公式计算，粘性阻力为 r 一矿= c p ( 1 + 2 ( t c ) + 1 0 0 ( t c ) 4 ) 2 a - 与p v 2 式中：彳鳍或舵的面积，m 2 c 平均弦长，r n f 平均厚度，i n c 。摩擦阻力系数 诱导阻力为 r 1 = i 1 乙。2 。芴1 + - - - 去) a p v 2 式中：a r 展弦比 c ，翼型的升力系数 附体干扰阻力为： r 删：昙( o 7 ( 与3 0 0 0 0 3 ) p v 2 c 2 梢端阻力为： r 。= 二x0 0 7 5 t 2 p v 2 j 2 2 4 喷溅阻力 ( 2 _ 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 静态条件下，小水线面受到的阻力主要由以上三种阻力分量组成。但是 当船舶高速航行时，支柱的弗汝得数f ：l 会增加很多，导致强烈的喷溅 “l g l s 水流，引起喷溅阻力的产生。高速情况下，这种喷溅阻力不可或缺。对于小 水线面双体船，喷溅阻力的产生主要由于两个因素：1 支柱引起的喷溅水流 具有上升速度，在支柱两侧形成两股水状的上升水流，这种上升的片状水流 引起的动量散失将产生阻力；2 喷溅水流流过支柱表面导致支柱湿表面积的 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 增加，促使摩擦阻力增大，则是形成喷溅阻力的主要因素。不过由于喷溅现 象特别复杂，目前并没有理论公式，其主要通过式( 2 4 1 ) 所示的经验公式来估 算。 2 p v 2 l s t s ( 0 0 0 3 + 0 0 6 - 爰- - s ) ，( 专扎6 5 ) ( 2 _ 4 1 ) 2 3s w a t h 船喷水推进装置基本参数设计 2 3 1s w a t h 船舶阻力计算 假设某小水线面双体船参数如表2 1 所示。 表2 1 某小水线面双体船的船体参数表 总长 4 0 m 水线长 3 5 m 型宽 1 1 5 m 片体宽 2 9 4 m 型深 3 8 m 吃水 1 5 m 排水量 1 8 0 t 方型系数 o 4 4 舯剖面系数 0 5 5 根据上述理论进行综合分析，该船的总阻力特性如图2 2 所示。该船整个 阻力随船舶航速的增加而增加。在设计最大航速4 2 k n 点，该小水线面双体船 最大阻力达4 0 5 8 k n 。该船不同航速下的有效功率变化曲线如图2 3 所示。 通过对阻力特性、有效功率的获取，为喷水推进装置的选择提供了参考。 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 董 饕 饕 _ 7 1 0 2 03 0 4 0卯 航速 图2 2s w a t h 船阻力特性曲线 图2 3s w a t h 船需要的有效功率曲线 2 3 2 喷水推进装置的参数计算 根据2 1 节喷水推进器设计的基本原理，s w a t h 船在4 2 节设计航速下， 喷水推进系统要求该船有两台主机，每台主机提供的功率为：4 8 0 0 k w ；喷水 推进效率为9 5 。经过初步设计，喷水推进泵的主要参数如下： 喷口直径：0 9 0 m ； 1 9 瑚 咖 锄 伽 如 邳 仰 o 至r皿确 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 推进效率：0 7 8 m ： 喷泵流量：1 4 m 3 s ； 总扬程：1 3 m 。 2 4 本章小结 本章对喷水推进的基本原理进行了分析介绍，并对喷水推进装置的基本 优化设计方法进行了分析讨论。在此基础上，以小水线面双体船为应用研究 对象，对其受到的动态阻力特性进行了分析，并以某船为例，对其动态阻力 特性及其推进装置的基本参数进行了初步计算。 哈尔滨下程大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章喷水推进装置液压系统建模 本章在介绍喷水推进装置液压控制系统组成和工作原理的基础上，根据 喷水推进装置液压系统的工程设计与选型，组成了喷水推进装置泵控式液压 伺服系统，利用液压控制系统的理论对喷水推进液压控制系统进行了系统建 模，为后面的仿真分析和系统控制器的设计打下坚实的基础。 3 2 喷水推进液压系统的简介 3 2 1 系统组成 喷水推进液压系统原理图如图3 1 所示，该系统由恒压变量泵、溢流阀、 比例阀、滤油器、单向阀、梭阀和液压缸等液压元件以及电控模块等电气控 制元件组成。该系统有主泵( 恒压斜盘式轴向柱塞变量泵) 系统和应急系统 ( 手摇泵) ，当主泵系统出现故障时，可利用应急系统操纵，把喷水推进装 置恢复到初始状态。 2 1 ：弦著6 l 錾窍 ：t i 畿l 吲，、； o = ；i r ( ) 芒! 赫：。 、，7 一 二兰三生。 一t - - - - r 2 投1 蛾 髓 1 液压动力单元2 液压执行机构3 恒压斜盘式轴向柱塞变量泵 4 手摇泵s 比例阕6 截止阀 图3 1 喷水推进设备液压系统原理图 3 2 2 工作原理 一般地，驾控台有进行操舵和倒航的手柄或舵轮。当操作人员进行操作 时，主控制系统会接受一个操舵( 或倒航) 角度指令盯，然后分别通过分控 制系统去控制各自的液压系统使液压缸进行动作；在液压缸的驱动下，操舵 倒航装置进行左、右转动( 操舵) 或上、下转动( 倒航) ，安装在操舵倒航 装置上的机械反馈装置则同时动作，并将角度位置信号反馈给分控制系统， 控制系统将此信号与驾控台发出的操舵( 倒航) 角度指令口相比较，然后再 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 根据偏差信号发出控制指令去控制液压系统以进行准确定位。两台设备同时 通过这种反馈闭环控制，达到同时准确定位，也就保证了动作的同步性。 经实践证明，采用电