噴水推進(jìn)裝置在船舶中的應(yīng)用

劉偊章

摘? 要：噴水推進(jìn)是一種特殊的船舶推進(jìn)方式，與螺旋槳推進(jìn)不同的是，它是利用水泵原理往船體后部噴水，以獲得前進(jìn)動(dòng)力的一種推進(jìn)方式。文章主要是研究噴水推進(jìn)裝置在船舶中的運(yùn)用，淺談噴水推進(jìn)裝置的發(fā)展歷史、噴泵分類和其工作的原理，并就噴水推進(jìn)裝置基本組成、空間布置、船舶操縱性能、維護(hù)保養(yǎng)、運(yùn)用范圍及推進(jìn)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：船舶;噴水推進(jìn);運(yùn)用

中圖分類號(hào)：U661? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0165-02

Abstract： Waterjet propulsion is a special way of ship propulsion， which is different from propeller propulsion in that it uses the principle of water pump to spray water to the back of the hull in order to obtain forward power. This paper mainly studies the application of water-jet propulsion device in ships， and discusses the development history of water-jet propulsion device， the classification of jet pump and the principle of its work. The basic composition， space arrangement， ship maneuverability， maintenance， application scope and propulsion advantages of water jet propulsion unit are briefly analyzed.

Keywords： ship; waterjet propulsion; application

1 發(fā)展歷史

上個(gè)世紀(jì)50年代，世界各國(guó)開始研究噴水推進(jìn)裝置。初期噴水推進(jìn)裝置只是利用水泵原理，吸水后從船尾噴出去，依靠噴出水流的反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)。隨后30年里，船舶設(shè)計(jì)單位將螺旋槳研究成果移植到噴水推進(jìn)泵設(shè)計(jì)中，特別是將航天噴氣推進(jìn)的有關(guān)技術(shù)引入噴水推進(jìn)泵的研究設(shè)計(jì)中，使得噴水推進(jìn)泵的效率、抗空泡性能、功能轉(zhuǎn)化能力和耐腐蝕能力取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。另外，隨著流體力學(xué)的深入研究，噴水推進(jìn)裝置進(jìn)水流道系統(tǒng)效率和空泡現(xiàn)象得到進(jìn)一步完善。80年代起，噴水推進(jìn)裝置就作為成熟產(chǎn)品，開始廣泛運(yùn)用于各種軍用艦船和民用船舶。

2 噴泵分類

船舶噴水推進(jìn)裝置噴泵大致可分為以下幾種：一是按照噴泵的類型可分為離心泵、軸流泵和混流泵，其中又可細(xì)分為單級(jí)泵和多級(jí)泵，分別對(duì)應(yīng)于不同的比轉(zhuǎn)速;二是按照噴泵的材質(zhì)分可分為鋁合金泵和不銹鋼等不同材質(zhì)的噴泵。

3 噴水推進(jìn)裝置工作原理

根據(jù)牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律，所有作用力將產(chǎn)生一個(gè)相同的反作用力。噴水推進(jìn)裝置中噴泵產(chǎn)生的推力就是由水流朝后噴出時(shí)產(chǎn)生的反作用力來建立的。簡(jiǎn)單的說，船殼內(nèi)的噴泵安裝在船尾，噴泵噴出高速水流產(chǎn)生了反方向的反作用力，反作用力通過噴泵泵體，傳遞到船體，驅(qū)動(dòng)船舶前進(jìn)。水流進(jìn)入船體底部的噴泵進(jìn)水流道，船舶的加速也就是通過噴泵從船尾噴射出高速的水流。

4 基本組成和軸系布置

4.1 基本組成單元

噴水推進(jìn)裝置主要由機(jī)械部分、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中機(jī)械部分主要是由：進(jìn)水流道、泵單元、轉(zhuǎn)向單元、驅(qū)動(dòng)軸和尾軸密封組成（詳見下圖）。

圖1

進(jìn)水流道必須結(jié)合船體的線型、船體阻力特性、船舶吃水要求和航速要求等因素，運(yùn)用水力學(xué)研究并優(yōu)化后進(jìn)行設(shè)計(jì)。進(jìn)水流道可依據(jù)船體材料使用相同的材料或選用玻璃鋼制作而成。如救撈系統(tǒng)近海快速救助船使用的MJP噴水推進(jìn)裝置，進(jìn)水流道采用鋁合金材料焊接而成，與不銹鋼噴泵之間使用玻璃鋼彎頭隔離安裝，以防止兩種不同材質(zhì)金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕。

液壓系統(tǒng)主要為噴泵轉(zhuǎn)向和倒車提供動(dòng)力，通常由一臺(tái)安裝在齒輪箱PTO輸出端口上的可變排量的負(fù)載感應(yīng)柱塞泵作為液壓動(dòng)力泵。噴泵的控制為電-液-電控制方式。噴泵的控制手柄輸出電流信號(hào)，給液壓系統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)閥，驅(qū)動(dòng)倒車斗和轉(zhuǎn)向斗工作，倒車斗和轉(zhuǎn)向斗液壓缸里的位置傳感器輸出反饋電流信號(hào)給控制系統(tǒng)，確認(rèn)倒車斗和轉(zhuǎn)向斗的位置已和控制手柄位置一致，控制系統(tǒng)不再輸出控制信號(hào)給液壓系統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)倒車斗和轉(zhuǎn)向斗工作。

船舶前進(jìn)、倒車控制中，噴泵手柄的位置通常預(yù)設(shè)為前面的小部分位置用于控制倒車斗的正倒車（主機(jī)怠速），后面的大部分位置信號(hào)輸出給主機(jī)，控制轉(zhuǎn)速的增加和減少。根據(jù)各個(gè)噴泵制造廠的設(shè)置不同，在選用不同品牌的噴水推進(jìn)裝置產(chǎn)品時(shí)，會(huì)感覺到不同的主機(jī)控制“滯后”。隨著控制器件的快速發(fā)展，噴泵的控制也越趨智能化。以MJP噴泵的矢量控制系統(tǒng)為例，可輸入船舶的物理特性至控制系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)單元，控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)算后，可根據(jù)船舶操縱者的要求，自動(dòng)調(diào)整倒車斗、轉(zhuǎn)向斗和主機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)控制。

4.2 推進(jìn)裝置軸系布置

噴水推進(jìn)裝置船舶在軸系布置時(shí)，軸線布置一般和船舶吃水線平齊，采用水平布置。在船底板上，根據(jù)設(shè)備廠家的技術(shù)要求，設(shè)置進(jìn)水流道進(jìn)水口禁區(qū)，在此禁區(qū)內(nèi)嚴(yán)禁安裝任何船體附體，以免發(fā)生水流干擾，降低噴泵的使用效率。

5 船舶操縱性能

5.1 平移性能

對(duì)于一條配置兩臺(tái)噴泵的雙體船，只需要一個(gè)全方位的矢量控制手柄就可通過控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整兩臺(tái)噴泵的倒車斗、轉(zhuǎn)向斗和主機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)船舶按照任意手柄指示方向的任意平移，或選擇旋轉(zhuǎn)模式，操縱船舶任意方向進(jìn)行原地回轉(zhuǎn)。在船舶的行駛過程中，自動(dòng)調(diào)整左右片體的轉(zhuǎn)向斗位置以達(dá)到最佳的船舶轉(zhuǎn)向性能。在傳統(tǒng)的配置噴水推進(jìn)的船舶上，這些功能必需根據(jù)船長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)，分別控制兩臺(tái)噴泵工作才能實(shí)現(xiàn)。而現(xiàn)在，就算是沒有駕駛經(jīng)驗(yàn)的船長(zhǎng)，也可輕松操縱船舶。但需要注意的是，對(duì)于單體船，由于船寬太小，尾部噴泵產(chǎn)生的力矩不足以克服船舶物理特性，無法實(shí)現(xiàn)船舶的整體自動(dòng)平移。

5.2 旋回性能

水流通過進(jìn)水流道（A）進(jìn)入泵泵單元-包括葉輪（B），整流罩（C），以增加水流的壓力（壓頭）。高壓水流從噴嘴（D）處高速噴出。安裝在聯(lián)軸器（F）處的驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪。通過轉(zhuǎn)向斗改變船尾水柱的方向，推動(dòng)船尾向反方向移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)船舶的轉(zhuǎn)向。通過倒車斗（E）改變船尾水柱向船首和向下噴射，驅(qū)動(dòng)船舶向船尾方向運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)倒車。

與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)相比，噴水推進(jìn)船舶轉(zhuǎn)向是靠改變噴泵噴出水流的方向來實(shí)現(xiàn)，稱之為“主動(dòng)轉(zhuǎn)向”，而螺旋槳推進(jìn)船舶轉(zhuǎn)向是通過舵改變船底水流的方向來實(shí)現(xiàn)船舶的轉(zhuǎn)向，稱之為“被動(dòng)轉(zhuǎn)向”。這就意味著，傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)船舶，船舶的轉(zhuǎn)向和舵角有著直接的關(guān)系，而噴水推進(jìn)船舶轉(zhuǎn)向更為靈敏，不取決于噴泵轉(zhuǎn)向斗的位置，通過兩側(cè)片體上噴泵的不同轉(zhuǎn)向力和推力，就可輕松得到所需要的轉(zhuǎn)向角度。所以，噴水推進(jìn)船舶的操縱性是螺旋槳推進(jìn)船舶所無法比擬的，甚至只需要控制兩側(cè)片體上噴泵的轉(zhuǎn)速，即可操縱船舶進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

6 噴水推進(jìn)裝置應(yīng)用情況

6.1 快速渡船和游艇

高速時(shí)的高效率帶來更低的油耗，良好的耐空泡能力，提高了推進(jìn)系統(tǒng)的壽命;低振動(dòng)，低噪音，更舒適的乘坐環(huán)境。低船體阻力降低了船舶牽引所需的拖曳力。

6.2 軍用船舶和海岸巡邏船

更高的倒車推力和淺吃水適用于各種登陸艇的需求;良好的操縱性能，良好的高速性能可適用于各類偵察艇、巡邏艇;低水下噪音適用于隱身要求較高的各類特殊軍船等等。淺吃水和安全的推進(jìn)系統(tǒng)適用于近海岸的航行以及緊急情況下的救援工作。

6.3 工作船和救助船

對(duì)于各類工作船，如港作船、供應(yīng)船、挖泥船等，可根據(jù)使用要求，如操縱性，高速性或淺吃水等使用要求配置噴水推進(jìn)器。對(duì)于高海況海洋救助船要求快速出動(dòng)、應(yīng)急高效的救助需求，船舶配置噴水推進(jìn)裝置，在高速時(shí)相比傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)可獲得更大的推進(jìn)效率，可滿足5級(jí)海況下反應(yīng)迅速、處理高效的航行救助的現(xiàn)實(shí)需求。

7 噴水推進(jìn)裝置實(shí)船上的維護(hù)保養(yǎng)

噴水推進(jìn)裝置沒有太多的維護(hù)保養(yǎng)要求，通常的保養(yǎng)維護(hù)工作如下：每日檢查主、備用控制系統(tǒng)和液壓油、潤(rùn)滑油的溫度顏色及軸封泄漏水情況，每周定時(shí)檢查噴泵液壓軟管情況，每月定時(shí)檢查液壓油缸密封，每年定時(shí)檢查液壓油濾器、潤(rùn)滑油濾器的清潔指示，每次上排檢查進(jìn)水流道的腐蝕或磨蝕情況、葉輪輪尖間隙和腐蝕磨損情況、轉(zhuǎn)向斗和倒車斗的軸套磨損情況、機(jī)械密封和推力軸承狀況，每10000小時(shí)測(cè)試一次液壓主用泵的工作性能。

8 結(jié)束語

噴水推進(jìn)器與其他推進(jìn)器相比，具有更多優(yōu)勢(shì)，特別是在高速船艇上使用可有效發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。一是操縱性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，多噴泵船舶平移，快速倒車制動(dòng)能力。二是效率高、抗空泡能力強(qiáng)，中高速時(shí)相比其他推進(jìn)器效率高，抗空泡能力強(qiáng)。三是船體阻力低、吃水淺，噴水推進(jìn)裝置無水下附體，船體阻力較小;軸系水平布置，進(jìn)水流道藏在船體內(nèi)，可在淺水區(qū)域航行。四是維護(hù)要求低，沒有外露的推進(jìn)齒，有效避免了外界的沖擊、阻礙，縮短了維修期和日常維護(hù)時(shí)長(zhǎng)。五是運(yùn)行平滑安靜，沒有船體震動(dòng)、高速空泡區(qū)和扭矩影響，加上低水下聲噪，船舶運(yùn)行工況舒適。六是靠泊安全，無外露槳葉，救助艇靠近時(shí)安全。七是正倒車工況轉(zhuǎn)換時(shí)，可實(shí)現(xiàn)平滑的主機(jī)功率轉(zhuǎn)換。八是主機(jī)壽命長(zhǎng)，任何工況，主機(jī)都不過載;加上噴泵葉輪精確匹配主機(jī)功率，任何航速都一樣的功率吸收，主機(jī)壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張?chǎng)?高速船尾部噴水推進(jìn)局部振動(dòng)分析[J].船舶工程，2018（09）.

[2]張文.進(jìn)水口面積對(duì)噴水推進(jìn)進(jìn)水流道流動(dòng)性能影響[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（03）.

[3]金夢(mèng)顯.噴水推進(jìn)三體船阻力性能及流道優(yōu)化研究[D].大連海事大學(xué)，2016（02）.

[4]劉瑞華.無軸式噴水推進(jìn)泵的水動(dòng)力特性[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015（05）.

[5]龔征華.噴水推進(jìn)船舶操舵控制系統(tǒng)建模及同步控制[J].中國(guó)造船，2016（06）.