基于模块化的小型喷水推进装置设计研究

孟堃宇，李贵斌，张 潜

(1. 喷水推进技术重点实验室，上海 200011；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引 言

在舰船领域，模块化设计的应用不仅能大大提高舰船配置的灵活性，满足多元化的任务需求，而且能提高设备的独立性，有利于生产分工和生产维护成本的降低。喷水推进装置是集推进与操纵于一体的船用推进设备，其具有推进效率高、操纵性能好，适应变工况能力强等特点，已在各类高性能平台上得到广泛应用，且随着技术的发展，也越来越注重模块化的设计理念。目前在小型喷水推进装置领域，以Kanewa，Hamilton，Alamarin 等为代表的国外供应商，均各自形成了模块化的喷水推进系列化产品。产品集成化程度高、安装便捷、覆盖2 000 kW 功率级别以下的各类高性能船舶。国内方面，喷水推进装置模块化概念的设计应用尚处于起步阶段。中国船舶海洋工程设计研究院作为国内最早开展喷水推进相关研究的单位，于2010 年前后逐步推出了HL 系列模块化产品，并不断地完善扩充产品库，目前单泵覆盖功率最高已达1 200 kW，缩小了与国外的技术差距。

1 模块化产品设计思路

与常规面向需求的“定制化”产品设计思路不同，模块化设计更注重产品的独立性、通用性和标准化原则，在满足用户需求的前提下，设计流程也更为深入、复杂。产品本身作为一级模块，明确了设计目标和约束，以模块的属性和输入/输出的形式表达；一级模块又根据功能的实现过程划分为数个子模块，各模块作为子功能的载体，其结构与功能形成映射，并采用模块化的思路开展设计；针对用户具体需求对功能模块进行选择和组合，并加以必要的设计计算和校核计算，通过标准化的交互接口连接，保证模块之间信息可以有效传输；最后对设计结果进行评价，并针对不足进行优化改进。

根据上述思路，本文将小型喷水推进装置的模块化设计流程分为需求分析、总体方案、功能分解、详细设计、设计评价等数个阶段，设计流程如图1 所示。

图 1 模块化喷水推进装置设计流程Fig. 1 Design process of the modular waterjet-unit

2 需求分析与总体方案

模块化设计的第1 步是开展深入的用户需求分析。需求分析可以获得设计输入和约束条件，弄清这些内容，才能更好实现产品的设计目标。表1 对常规小艇对喷水推进装置的主要需求进行归类整理，并给出一组需求权重。虽然不同类型的船艇对于喷水推进装置的需求和权重并不完全一致，但一般来说，快速性、操纵性、尺寸重量、成本等能以明确数值体现的指标，需求权重往往较高，设计中应优先满足；而对于安装维护、环境适应性等定性的指标，优先级较低，权重较小，一般作为附加的评判标准。

表 1 小型喷水推进装置设计需求分析Tab. 1 Analyze the design requirement of small waterjet-unit

采用模块分析法构造小型喷水推进装置的初步总体方案。作为船用主推进设备，喷水推进装置的主要功能是：接收主机发出的机械能并转化为喷射流的动能，从而利用水流的动量差来推动船舶前进；通过操舵倒航机构分配和改变喷流方向，从而驱动船舶变更航向或倒航，实现船舶操纵。喷水推进的功能框图如图2 所示。

图 2 喷水推进功能模块Fig. 2 Waterjet functional module

喷水推进功能模块包含了两方面要素：一是模块的输入/输出。输入为机械能（来自主机）和操纵指令（来自驾控台），输出为对艇体的力（包括正推力、倒航力和操舵力）。模块的输入/输出表征了喷水推进模块与外界在力、电和能量等方面的交互关系，需要建立接口来实现。模块化产品接口要求简化，并宜采取标准化设计。根据图2 可知，喷水推进模块与艇本体至少存在与主机、驾控台（电气系统）以及艇体结构间的3 处接口。接口的详细设计应结合各艇实际状态，体现在详细设计中。二是模块的属性，即模块自身的功能特性和技术参数，如推进，操纵性能、尺寸重量、制造成本等，这些属性应与需求相符合。由表1的需求权重分析可知，在喷水推进模块的设计中应优先满足快速性，其次是外形重量和经济性等需求。

通过喷水推进主参数选型理论可以确定满足艇快速性的最佳主尺度，并进一步预估其外形、重量和制造成本，以完成总体设计方案。喷水推进的设计匹配可归结为喷水推进系统、艇体和动力系统三方面的平衡。此外，对于固定叶型的推进泵，其泵叶轮尺度越大，往往对艇的快速性能就越有利，但叶轮尺寸增大却意味着装置外形和重量的增大，因此选型设计中需要在这种矛盾中寻求平衡。

若初步设计方案不能满足尺寸、重量、成本的约束，则需考虑变更叶轮叶型或采取轻量化的措施，如采用铝、钛等轻质材料，优化局部结构、减小壁厚、轴径等。在降低制造成本方面，通过优化设计、固化生产工艺、引进精密铸造新技术的手段实现。

3 功能分解与模块设计

功能分解是将模块基本功能按实现流程再分解为下一层级子功能的过程。基本功能与子功能间具有从属关系，需要进一步分解并与子模块建立映射关系。功能分解有助于理清各子模块间的交互关系，便于开展模块的独立性和通用性设计。在功能分解中，通常会借鉴产品传统的设计划分经验。图3 为喷水推进功能分解树，喷水推进模块基本功能实现所需的子功能层以及对应的模块层，采用实线连接表达对应关系。各模块间的虚线，表明模块间存在着力、能量或信号的传递，需要设计输入/输出接口。根据此功能树，可将喷水推进模块进一步分解为推进泵、轴系、管道、操舵倒航、液压和控制等6 个子模块。

图 3 喷水推进功能树分解Fig. 3 Functional decomposition of the waterjet tree structure

1）推进泵模块

推进泵模块是实现功能转换和艇快速性的的核心，其主要构件为叶轮与导叶。从图3 可知本模块仅与轴系模块存在能量和推力的输入/输出，由于小型喷水推进装置一般传递的功率较小，故接口普遍采用键连接。在模块设计中，因总体方案中已确定了叶轮的主要参数，故详细设计主要考虑重量控制、材质选择和制造工艺等需求实现。

2）轴系模块

模块接口：除与推进泵模块的接口外，还有与主机接口，采用标准联轴器刚性连接接收主机功率；与管道模块接口，小型喷水推进装置一般采用舱内推力轴承组的模式，叶轮产生的推力向前传递至舱内推力轴承并传递给管道模块。

模块设计中的要点：轴系的轴承布置方案应合理，设计推力轴承以保障推力可靠传递，轴直径应在满足强度、刚度和扭振的条件下，尽量减小；推力轴承组应考虑模块化的设计方案，并与密封组件（阻挡海水进入舱室）构建为一体式，便于后期装配和维修。

3）管道模块

管道模块是承受和传递喷水推进推力、操舵力或倒航力的终端，与轴系、操舵倒航模块和艇体都存在接口。在设计上，采用常见的一体直角式法兰与艇体刚性连接，与操舵倒航模块通过销轴或螺栓连接，承受操舵./倒航力。管道模块作为装置最大的结构件，直接影响到喷水推进模块的外形和重量。除考虑与各子模块的接口外，还应根据轮机和艇尾开孔布置情况设计合理高效的流道线型，并综合考虑推进、汽蚀性能和管道重量等因素。

4）操舵倒航模块

操舵倒航模块由操舵机构和倒航机构组成，小型喷水推进装置中常用的操舵倒航机构型式有翻斗式和箱型式，可根据艇的具体需求选择设计。在接口设计方面：与管道模块通过螺栓、销轴连接；与液压模块通过管路挠性连接模块上的液压油缸；与控制模块需要将舵角或倒航斗的开闭位置信号传递给控制模块，一般采用传感器或软轴实现。

5）液压和控制模块

小型喷水推进装置所应用的20 t 以下级别小艇平台，一般对控制自动化程度要求不高，故可将液压和控制模块合并。常见的液压操控模式有机械式、半机械式和“电-液”控制式，应根据艇的具体需求选择模式。本模块又可分解为动力源模块、执行机构模块、液压阀件集成模块、操纵模块等子功能单元。模块的主要接口：驾控台有操舵手轮、操倒航手柄与驾控台安装物理接口；与艇电源有DC 24 V 接口，为模块提供动力；与操舵倒航模块有位移信号反馈接口。

4 设计评价与实例

模块化设计的最后一步对设计方案进行评价。设计评价的目的是筛选最优方案，减少不合理设计，提高设计效率，确保最终产品能够满足用户需求。本文将喷水推进装置的评价体系分为2 个层级：一是对其功能特性的实现情况进行评价，即产品的各项功能指标与用户需求的契合度；二是对设计的模块化/标准化特性进行评价，如设计模块的技术成熟性、独立性、通用性和可扩展性；标准化特性方面指标有零部件、接口及材料等的标准化情况。

上述评价指标中既有定量的又有定性的成分，定义各指标的权重也会受到多因素的影响。例如，高速滑行艇一般追求喷水推进装置的性能、外形重量和模块式的设计，而工作艇、拖船等类型船舶则更关注设备的操纵性、经济性和可靠耐用程度。因此，评价指标的权重定义是一个主观性较强的过程，需要根据具体案例来调整。文献[5]中介绍了分析指标权重和评价的方法，如加权平均法、层次平均法和模糊综合决策等。本文采用了加权平均的方法：

表 2 13 m 小艇喷水推进装置总体方案设计评价Tab. 2 Design evaluation of the waterjet-unit in 13 m boat project

基于该思路设计并制造用于某型艇的模块化喷水推进装置。该艇总长约13 m，设计吃水1.6 m，满载排水量13 t。动力系统采用双机双喷水推进，主机最大功率320 kW。在总体方案阶段，根据用户需求提出了HL350（混流泵主尺度350 mm）和ZL460（轴流泵主尺度460 mm）两型喷水推进方案，对这两型方案的评价如表2 所示。

综合评价选择在快速性、制造成本方面有较大优势的ZL460 型设计方案，并以此为基础开展模块的详细设计。本装置的各功能模块连接关系如图4 所示，设计中借鉴了模型库中的现有成熟模型，注重对各模块采用独立封装设计，如推力轴承组模块、操舵倒航模块、液压控制模块等组件，便于装配维修，模块的独立性和组合性较高。在零部件和接口设计中，尽可能选用标准化设计，减少部件种类，外部采用标准接口以便于设备在其他船艇上的应用。

图 4 ZL460 型喷水推进装置子功能模块连接关系Fig. 4 Relationship between the sub-functional modules of ZL460 waterjet

本型喷水推进装置在实艇应用中取得了良好的试航效果。快速性、操纵性、尺寸重量、经济性等主要指标全部达成，在安装维护、可靠性、可维修、模块化、标准化等方面也获得了用户的肯定。该装置可拓展应用至单机功率最大350 kW，航速10～35 kn 区间内的钢制、铝制和玻璃钢制高性能船艇。

5 结 语

本文初步探讨了模块化小型喷水推进装置的设计思路，对后续设计工作的开展有一定借鉴意义。文中对喷水推进模块化设计的研究尚处于起步阶段，存在着模块库不完善、评价体系不健全等不足，随着理解的深入，其设计优势将逐渐体现。今后喷水推进装置将不仅是单独的推进设备，而是集合了转速控制、主机冷却、纵倾调节、智能控制等多元功能的综合推进系统。采用模块化的设计理念，将有助于这些功能在喷水推进装置上的集成实现。