气垫船导叶控制系统的应用与发展

孙 勇

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)

气垫船导叶控制系统的应用与发展

孙 勇

(海军装备部西安军事代表局 西安 710054)

气垫船进口导叶控制系统是燃机控制的重要组成部分,对保障机组的安全高效运行起着重要作用。通过压气机进口导叶的开度控制,不仅可以在低转速时防止压气机发生喘振,还可以在部分负荷时,提高压气机出口空气温度,从而提高联合循环的效率。文章阐述了气垫船、导叶控制系统、军事运用、装备概况,最后论述了气垫船导叶控制系统的发展动向与分析。

气垫船; 导叶控制系统; 发展分析

Class Number TN97

1 引言

近年来各类概念新颖的复合高性能船不断出现,其中,一种以气垫船为基础改进的先进船型显示出其独特的性能。该型船为双体船结构,其船底复合了气垫船与滑行艇的特点。每一单体的前部利用双体船的下部结构作为防溅条,其宽度占总船宽的0.3～0.4,双体之间的平板是该船动力滑行的部位。每个船体后部为矩形空腔,以形成气垫。其长宽比为6～12。气垫支撑了大约80%的排水量,在巡航速度下,推进功率仅为普通双体船的一半。例如,美国制造的试验船船长31m,船宽10m,最高航速达56节[1]。

2 气垫船

气垫船是利用高压空气在船底和水面(或地面)间形成气垫,使船体垫起离开水面(或地面),而实现高速航行的船。气垫是用大功率鼓风机将气压入船底下而形成的,船底周围有柔性的围裙或刚性的侧壁,利用它们把气体围住,限制在船底,防止逸出。柔性围裙用尼龙或氯丁橡胶制品做成[2]。

气垫船是利用高于大气压的空气在船底和支撑面(水面或陆地)之间形成“空气垫”,通常称气垫,并由气垫支持船体重量,从而使全部或部分船体离开支撑面的一种新型高速船。

气垫船的最大优点在于减小航行阻力,因为空气阻力远小于水阻力。因此可以达到较高航速。

其次,气垫船具有完全两栖性,适于浅滩和浅水地带航行。

气垫船的动力装置的功率主要用于两部分：一部分供给垫升风扇造成气垫所需的功率,称为垫升功率。另一部分是航行所需功率,称为推进功率。

2.1 全垫升气垫船

全垫升气垫船是利用垫升风扇将压缩空气注入船底,与支承面之间形成“空气垫”,使船体全部离开支承面的高性能船,英国制造的世界第一艘气垫船即为全垫升式。

全垫升气垫船采用空气螺旋桨推进,航行时船底离开水面,因此具有独特的两栖性和较好的快速性。在军事上,气垫艇是最理想的登陆作战运输装备,它的高航速、两栖性大大提高了上陆抢滩速度,加大了战术突然性,有利于上得去,突得破。垫升式气垫船不但可在冰雪、沼泽、礁滩上航行,也可在无码头设施的沿海岛屿停靠,实施无码头组织不间断的后勤补给,有利于向纵深突击；同时也是猎雷艇、扫雷艇的理想艇型。另外,还可用于在浅滩、滩涂、岛屿间担负巡逻警戒、交通运输、抢险救灾等任务。

由于全垫升式气垫船具有良好的通过性,受潮汐、水深、雷障、登陆障碍及近岸海底坡度、底质的限制小,因而可在全世界70%以上的海岸实施登陆作战(排水型登陆艇只能在全世界17%的海岸线登陆)。另外,这种登陆气垫船在战斗装载的情况下,仍可以30～40节甚至更高的航速航行,大大缩短了登陆部队暴露于敌岸防火力下的时间,加快了上陆速度,提高了登陆部队的安全性。

目前,美国海军的新型全垫升式气垫登陆艇LCAC气垫登陆艇最为先进。LCAC气垫登陆艇服役后与各种登陆舰先后进行了协同试验,它可依靠自身动力和操纵自由进出各种登陆舰船坞。海湾战争中,LCAC艇参加了作为两栖佯动的“雷击临近”大型演习。目前,俄罗斯拥有世界上最庞大的气垫登陆艇编队。

2.2 侧壁式气垫船

这种气垫船的船底两侧有刚性侧壁插入水中,首尾有柔性围裙形成的气封装置,可以减少空气外逸。航行时,利用专门的升力风机向船底充气形成气腔,使船体飘行于水面。它常选用轻型柴油机或燃气轮机作为主动力装置,用水螺旋桨或喷水推进,航速可达20～90节；有较好的操纵性和航向稳定性,但不具备两栖性。

3 导叶控制系统

在燃气轮机压气机的第一级动叶前有一列静止的叶片,称之为进口导叶(Inlet Guide Vane,IGV),进口导叶系统在各类燃气轮机的运行中均起着至关重要的作用。通过改变导叶的角度,可以控制进入到压气机中气流的角度与流量。某型船用燃气轮机的IGV系统原本采用气动控制,现参考航空发动机和重型燃气轮机的设计,改造为液压控制。故需要建立基于液压控制的IGV系统模块化仿真模型,从而对改造后的船用IGV系统进行研究。其系统包含机械、液压、控制等多个领域。其组成结构[3]：

油循环系统-气路循环系统-气路循环系统-水路循环系统-配电系统-屏保护系统-直流电源系统-DTC控制系统

3.1 油循环系统

在启动前,首先启动油泵控制系统,油泵控制系统启动后保证空压机各润滑部件润滑良好,同时油泵控制系统可通过内置的温控阀来调节内部油压和油温,以满足系统需要。

3.2 气路循环系统

压缩机工作时,空气经过自洁式空气过滤器被吸入,通过PLC自动清洗过滤器,空气在经过进口导叶自动调节后进入一级压缩,经一级压缩后的气体温度较高,然后进入中间冷却器进行冷却(水走管内,气走管外,中冷器的水流量要求为110m/h)之后进入二级压缩系统,为避免系统中的气体倒入压缩腔内(避免带压起动)在压缩机的排气管道安装有一只悬挂全启式止回阀,压缩机排出的气体推开止回阀进入排气消声器,然后进入一级后冷器,二级后冷器,再进入排气主管道。

3.3 水路循环系统

冷却水通过管道进入空压机中间冷却器对一级压缩排出的气体进行冷却降温,再进入后冷器对排气进行冷却,另一路冷却水进水管道经过主电机上部的两组换热器冷却电机绕组,还有一路对油冷却器进行冷却。

3.4 配电系统

空压机为2000kW高压电机(10kV)采用全压启动,控制柜为户内交流、金属铠装抽出式开关设备,开关设备由固定的柜体和可抽出部件即手车两大部分组成,实现控制、保护、监测的目的,具有“五防”功能。

3.5 屏保护系统

中央信号装置分为事故信号和预告信号两种。事故信号的主要任务是在断路器事故跳闸时,能及时地发出音响信号,并使相应的断路器灯光位置信号闪光。预告信号的主要任务是在运行设备发生异常现象时,瞬时或延时发出音响信号,并使光字牌显示出异常现象的内容。

3.6 直流电源系统

PZ32系列全自动免维护铅酸蓄电池直流电源成套设备,由充电装置屏,直流馈电屏和蓄电池组成,具有自动稳流,自动稳压,自动调压等功能,为中央信号屏和高压控制系统提供电源。

3.7 DTC控制系统

DTC控制屏是空压机的“大脑”,各类现场传感器的数值,最终汇总至DTC控制屏,在DTC控制屏上显示各类运行参数,并监视空压机各部分的运行状态,当某些参数超出允许范围时,DTC会发出相应的报警或自动使空压机停机。用电动机直接驱动压缩机,使曲轴产生旋转运动,带动连杆使活塞产生往复运动,引起气缸容积变化。由于气缸内压力的变化,通过进气阀使空气经过空气滤清器(消声器)进入气缸,在压缩行程中,由于气缸容积的缩小,压缩空气经过排气阀的作用,经排气管,单向阀(止回阀)进入储气罐,当排气压力达到额定压力0.7MPa时由压力开关控制而自动停机。当储气罐压力降至0.5MPa～0.6MPa时压力开关自动联接启动。

通过压气机进口导叶的开度控制,不仅可以在低转速时防止压气机发生喘振,还可以在部分负荷时,提高压气机出口空气温度,从而提高联合循环的效率。压气机进口导叶控制系统是燃机控制的重要组成部分,对保障机组的安全高效运行起着重要作用。

压气机是燃气轮机中的一个重要组成部件,它负责从周围大气吸入空气并将其压缩升压,然后连续不断的向燃烧室提供高压空气。通常在压气机第一级动叶前还有一列静止固定的叶片,为进口导流叶片,又称进口导叶(Inlet Guide Vane,IGV),用来控制进入第一级动叶前的气流方向。

压气机进口导叶控制就是当机组启停或调整负荷时,通过调节IGV叶片角度的变化,限制进入压气机的空气流量,从而达到保护机组安全运行、提高运行效率的目的。

进口导叶控制系统与GE机组略有不同,运行过程中IGV叶片角度的变化,其最小开度为34°最大开度为-5°。启动令发出(L4 master on),IGV即打开到中间开度,以减小空气流量,防止机组喘振。

当机组转速>2745rpm时,IGV关闭到最小开度,在燃机负荷<108MW时,保持最小开度不变,以维持较高的燃机排气温度,提高联合循环的整体效率。若负荷继续增加,则IGV逐渐打开,到燃机负荷等于243MW时达到最大开度,之后即使负荷继续增加,IGV开度也保持不变。

4 装备概况

气垫船在英国、美国得到极大发展,在气垫船研究、设计、工艺、制造、服务等方面达到国际一流水平,在世界气垫船领域处于领导地位[4]。

4.1 英国格里芬

格里芬气垫船是由柴油发动机驱动,可飞驰在土地、水雷、砂、泥、冰、雪、沙、岩石、杂草、原木、沼泽、杂物和急流之上。 在军事领域,格里芬气垫船被海军、陆军和准军事客户在全球使用,包括海岸警卫队的巡逻艇、两栖攻击舰、快速攻击、排除地雷、消防救援、警务执勤、海关辑私、物流后勤、医疗诊所、紧急救援队和突击队任务等。

4.2 美国近代

近代气垫船创新的反向推力系统,全球专利,使得近代气垫船成为唯一有效的可刹车和倒退的气垫船,是同行业中最轻和最安静的气垫船。具有并排的座位,完全密封舱,高度发达的反向推力,制动性和可操作性,更多的驾驶舱空间,增加推力、低净重和高载重量等。

4.3 英国比尔·贝克

英国比尔·贝克气垫船公司专门制造可操作的气垫船和气垫船F1系列比赛用船。同时,比尔·贝克公司在英国气垫船F1系列比赛中,提供比赛用气垫船设计。比尔·贝克公司在赛车气垫船设计方面持续成功,为世界的气垫船俱乐部的赛车手们在更大的、所有形式的地形提供最满意的比赛用气垫船,这是在当今世界上没有其他气垫船公司可以做的有效工作。比尔·贝克公司还设计特种气垫船,用于运输,测绘,污染监测等。

4.4 英国海湃

英国海湃气垫船采用了最新的CAD设计、数控工程和高密度聚乙烯船体的制造方法,导致更快的生产时间,并确保更短的交货时间。海湃气垫船的设计方法已经赢得了全世界的赞誉,比任何其他供应商生产更多的气垫船。海湃气垫船是为心灵的海上安全而设计的驱动器,非常方便和乐趣。海湃气垫船非常适合于休闲、商业、救援和巡逻,是一种水陆两栖气垫飞船,它可以让你悬停在任何平坦的表面,包括水、冰、雪、沙、泥和草。

4.5 澳大利亚海马

澳大利亚气垫船公司的海马系列全舱型气垫船,有多种型号：速度25、速度30、速度60、速度90等,载客从25人到90人,或者载重量从2.5吨到9吨,座椅很容易拆下来运载货物。“海马”系列气垫船运行平稳,定向控制、操作简单,非常安静,装饰豪华,外观时尚,船身采用海洋级铝合金制造,可以配备长程油箱、仓储设施、厨房、卫生间。“海马”系列气垫船可探索任何的浅水区、珊瑚礁、沙、泥或雪,运送两岸旅客,适合旅游及商业用途,是世界上最先进、最安静的客轮。

4.6 加拿大空中客车

加拿大空中客车气垫船公司生产多种型号商业气垫船：海盗V12、先锋V18、矢量V25、先锋V40等,载客从16人到45人,广泛应用于商业、旅游、军事等领域。

5 军事应用

气垫船具有许多优良的特性,它航速快、声场磁场压力场小、隐蔽性好、适应性强等,尤其适于在登陆作战中作为登陆输送工具使用。从目前来看,其在军事上应用的主要方面有[5]：

1) 输送登陆兵。全垫升气垫船航速快、且具有两栖行驶能力,既能在离水面一定高度航行,也可以在海滩、泥泽、沼泽、水网稻田、冰雪地等较平坦的地形上航行。可以直接将登陆兵越过海岸的沙滩或淤泥输送到陆地上,既提高了上陆速度,减少登陆兵上岸冲击距离,缩短暴露在敌岸滩火力下的时间,又能越过相当多的各种自然的、人工的登陆障碍,使登陆点的选择范围更广、更灵活。

2) 扫雷破障。气垫船能大部分或全部脱离水面运行,且自身的磁场、压力场等特征不明显,水中的障碍物一般对其无作用或作用较小,水中的爆炸物也不易被其引爆。如传统的阻碍排水型舰艇的障碍物和一些岸滩障碍物对其不起作用,而一般水雷也不会在气垫船驶过时爆炸,且即使在气垫船附近的水里爆炸时,其对气垫船的损坏程度远比排水型舰船小得多,因为气垫船底下的气垫能相当程度减少水中爆炸冲击波的影响。利用这一点还可以运用气垫船作为扫雷平台,搭载扫雷具扫雷。

3) 作为武器平台。气垫船作为运载工具有航速快、受海浪等海况影响小、船身低隐蔽性较好等。采用气垫船搭载反舰导弹进行反舰作战,往往可以取得突袭的效果。装载反舰导弹的小型气垫船的反舰能力,甚至可以与排水量2000～3000吨级的导弹护卫舰相媲美。

6 发展动向

1) Aitech公司为美海军气垫登陆艇C4N系统提供配件。军事航空电子网站2013年1月30日报道：美国海军水面作战中心巴拿马分部(NSWC PCD)1月28日宣布将授予Aitech防务系统公司一份唯一来源合同,以提供多达275个配件,其中包括65个处理器板、110个双头图形控制器、100个多功能A/D和D/A转换器,用于气垫登陆艇(LCAC)的指挥、控制通信、计算机和导航(C4N)设备[6]。

LCAC可以将武器、装甲车、设备、货物和部队从海上两栖攻击舰运抵海滩,移动速度超过74km/h(40节),整个船体高出水面1.2m(4英尺)。LCAC C4N系统采用开放式结构设计,以纳入商用现货(COTS)组件,包括现代化高功率P-80雷达、精确导航系统和通信系统。

2) 美海军开始建造气垫登陆艇替代艇。美国海军新闻网2014年1月25号报道：美海军两栖作战项目经理克里斯·默瑟上尉在近日举行的水面舰艇协会2014年会中透露,美海军即将开始新一批9艘气垫登陆艇,这种旨在替代美海军现役气垫登陆艇LCAC的新型气垫艇名为岸舰连接器(Ship to Shore Connector,SSC)[7]。

3) 美海军与德事隆集团签订气垫登陆艇购买合同。合众新闻网2015年4月14日报道：美国海军签订了一项合同,德事隆集团海上及陆上系统公司将建造两艘新型气垫登陆艇。这两艘登陆艇—102号和103号将在该公司位于新奥尔良的工厂中进行生产,并于2019年下半年交付。该两艘登陆艇是美国海军舰到岸计划中的一部分,将用于从大型船只上运输武器、设备、货物和突击小队人员到岸上,并且人道主义救援任务设备和供给的传递[8]。

7 发展分析

气垫船导叶控制系统的应用与发展分析：当前对于IGV系统的研究很多,但主要集中在对其叶片气动效果以及关于燃机整体性能的控制等方面,例如,研究IGV叶片对燃气轮机性能的影响；研究导叶角度对轴流压气机总压畸变的影响；对IGV系统的仿真模型的研究；液压驱动控制方面的研究；机电液一体化复杂系统的仿真等[9]。

8 结语

气垫船进口导叶控制系统是燃机控制的重要组成部分,对保障机组的安全高效运行起着重要作用。通过压气机进口导叶的开度控制,不仅可以在低转速时防止压气机发生喘振,还可以在部分负荷时,提高压气机出口空气温度,从而提高联合循环的效率。随着气垫船导叶控制系统机电液一体化复杂系统的完善,在未来现代化战争或局部海战中,对登陆作战,实施突袭敌岸防目标,适时运用气垫船导叶控制系统技术,就能够达到预期的目的[10]。

[1] 张洪田,耿瑞光,孙远涛.虚拟样机技术在气垫船推进系统特性研究中的应用[J].舰船科学技术,2012(1):56-57.

[2] 骆海民,张洪雨,兰波.气垫船操纵运动建模与仿真[J].船舶,2009(4):34-35.

[3] 冀楠,张洪雨,刘洋,等.气垫船舶与水面冲击过程的模型仿真分析[J].计算机仿真,2015(11):58-59.

[4] 程虹,杨屹,王青.气垫船优化设计探讨[J].舰船科学技术,2008(2):101-103.

[5] 王维相,翁亚栋.国外气垫船的应用与发展[J].世界橡胶工业,2008(12):134-137.

[6] Aitech公司为美海军气垫登陆艇C4N系统提供配件[N].每日防务快讯,2013-01-30,23-25.

[7] 美海军开始建造气垫登陆艇替代艇[N].每日防务快讯,2014-01-25,45-47.

[8] 美海军与德事隆集团签订气垫登陆艇购买合同[N].每日防务快讯,2015-04-14,8-9.

[9] 庞景昊.航空操控面板组件在气垫船上的应用研究[J].船舶,2015(6):67-70.

[10] 丁福光,朱超,方胜,等.全垫升气垫船PID-非奇异终端滑模的航迹保持[J].新型工业化,2015(5):43-45.

Application and Development of the Control System of Guide Vane Hovercraft

SUN Yong

(Xi’an Military Agent’s Bureau of Naval Armament Department, Xi’an 710054)

Hovercraft inlet guide vane control system is an important component of the gas turbine control, to ensure the safe and efficient operation of the unit plays an important role. Through the compressor inlet guide vane opening control, it not only can prevent the compressor surge in low speed, can also in part load, improve the compressor outlet air temperature, so as to improve the efficiency of the combined cycle. The article expounds the hovercraft, guide vane profile control system, military use, equipment, finally discusses the hovercraft guide vane development trend and the analysis of the control system.

hovercraft, guide vane control system, development of analysis

2016年7月10日,

2016年8月19日

孙勇,男,工程师,研究方向：飞行器总体设计及结构装配。

TN97

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.002