液压式可调距螺旋桨调距时间分析

谢清程，倪卫国，易小冬

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

液压式可调螺距螺旋桨由液压动力源驱动调距机构来执行螺距调距动作，其调距时间参数一般是指其液压系统调距用电液比例阀＋电液换向阀全部开启时，从某一负螺距调节至某一正车螺距或某一正螺距调节至某一倒车螺距的时间，调距时间能力指标取决于液压系统的流量。随着船舶的大型化和高速化发展，可调螺距螺旋桨越来越大型化，简单地按现有的规范来规定可调螺距螺旋桨的调距时间会使液压系统流量过于富余，使得大尺寸可调螺距螺旋桨液压系统液压单元尺 寸过于庞大，不但增加成本，而且不利于机舱空间布置。

本文通过对可调螺距螺旋桨调距速率特性、实际需求的调距时间等方面进行分析，认为现有的规范或标准中规定的参数不太适合大尺寸可调螺距螺旋桨，其合理的调距时间指标应根据船舶特点、主机特性、操纵需求确定的船舶推进联控曲线来决定，可以使设计或选型的可调螺距螺旋桨液压系统尺寸、重量明显减小，也更为节能。

1 调距过程螺距变化速率分析

图1为典型液压式可调螺距螺旋桨桨毂结构 示意图。

图1 液压式可调螺距螺旋桨典型桨毂结构示意图

曲柄滑块机构是桨毂调距采用的一种常用结构，调距机构运动原理简图如图2所示：活塞1与活塞杆导架2刚性连接，当活塞作轴向直线运动时，滑块3一方面在活塞杆垂向滑槽内滑动；另一方面，因滑块内孔套装在曲柄盘偏心曲柄销上，从而带动曲柄盘在扇形区域转动。假定图中S1和S2分别表示曲柄销“垂直”位至全倒车位置的活塞行程、曲柄销“垂直”位至全正车位置的活塞行程，对应的螺距角变化为φ1和φ2。

图2 曲柄滑块式调距机构运动简图

设S为活塞行程参数（m），φ为螺距角变化 参数（°），β为对应的桨叶螺距角（°），曲柄销半径为rpin，曲柄销“垂直”时φ＝0，对应螺距角为β0，则有

在分析桨毂伺服油缸调距能力时，假定调距过程中调距阀口全开，按配置的液压系统最大有效流量均速进行调距，即调距伺服油缸活塞行程速率为常数S/T，式（2）变为

式中：S为全倒车至全正车的总行程。S＝S1＋S2；T为对应的调距时间，s。

从式（4）可知，当调距伺服油缸活塞匀速变化时，螺距角变化速率为非线性，螺距角变化速率与调距时间成反比。如图1所示，正车调距时为伺服油缸无杆腔进油，倒车调距为伺服油缸有杆腔进油。在相同的流量下，当调距阀口全开时，倒车调距速率快于正车调距速率，即正车调距时间大于倒车调距时间，所以在计算所需液压系统流量时，只计算正车调距工况即可。正车调距时，设液压系统调距有效额定流量（不考虑系统泄漏量）为Qe，可得式（6）。

图3 螺距变化速率与螺距角的关系

从式（6）和图3中可知：调距时螺距变化速率与液压系统流量成正比，与调距伺服油缸直径Doil的平方成反比。对于确定的桨毂曲柄销直径rpin，如调距压力一定，调距伺服油缸直径越大，意味着转叶调距扭矩越大，调距能力越强；如调距速率相同时，需要配置的液压系统流量也就越大。同样，当伺服油缸直径小时，如调距速率相同，需要的液压系统流量就小，如压力不变时，其转叶调距扭矩也小。一般来说，Doil约为（0.55～0.70）d_hub。调距螺距变化速率随螺距角按正割函数变化，最小值位于β－β0＝0时。

2 调距时间指标要求情况及实船真实需求

调距桨装置作为主推进器时，按各大船级社规范或相关标准要求，对于液压式驱动调距桨装置都要求配置主、备泵组以提高系统使用可靠性，但国外船级社[1-2]未对调距桨主备泵怎样工作来达到调距时间指标要求作出明确规定。中国船级社钢质海船入级规范[3]规定：调距时间（1/3全正螺距⇔1/3全负螺距）≤15 s，也未明确是单电动泵（组）能力必须满足还是可以采用主泵组、备泵组一起工作来实现。

GB/T 13411—1992船用可调螺距螺旋桨技术条件及美国军用标准DOD-P-24562A[4]中对调距时间的规定为调距桨在额定转速下自全正车至全倒车（或反向）的调距时间应符合表1的要求（除另有要求外）。美国军用标准DOD-P-24562A特地指出，对于液压式螺距调节调距桨，单电动泵（组）能力应满足表中调距能力。《舰船可调螺距螺旋桨规范》规定：调距桨的正倒车方向时间应符合合同要求，没有对调距时间作具体指标要求。

表1 按功率范围要求的调距时间对应表

国外一些调距桨厂家，譬如RR AB公司（KaMeWa）在可调螺距螺旋桨液压系统设计中，通常采用主、备泵组一起工作来满足调距时间指标要求，仅采用1组泵组时，调距时间则相当于原指标要求的2倍。我国在设计可调螺距螺旋桨液压系统时，往往要求主泵组或备泵组单独工作时调距时间（能力）需要满足规范要求。

图4和图5为安装可调螺距螺旋桨装置的船舶推进联控曲线图例。图4中的控制策略相对简单：当手柄在正车30%与倒车20%范围内变化时，航速主要由调节螺距来控制，轴转速则保持不变；当到达最大螺距以后，则由增加转速来增加航速。图5表示在整个手柄控制范围内，不同的轴转速来对应不同的螺距的控制策略，则对控制来讲更加合理，但控制相对复杂一些，图5中点画线则表示适用PTO机带发电机的恒转速模式下的螺距变化曲线。

按照推进系统的要求，在所有操纵模式下，调距速度均应如式（6）所示满足推进系统联控中实船螺距调节速率的要求，这样才能保证船舶的机动操纵性能。联控中的实船螺距调节速率的确定不但与船舶主机有关，还与船舶阻力、航速、吨位、惯性及船舶使用模式等有关。一般来说，大尺寸螺旋桨配置的大型船舶惯性大，机动性要求也不像小吨位船舶高，实船螺距调节速率往往要求也低于中小吨位的船舶，其值在整个调距过程中并不一定为定值。

图4 控制信号与轴转速、螺距角的关系[5]

图5 螺距/轴转速联控曲线

譬如某3 000吨级船舶的最大螺距调节速率约为2.0(°)/s，而某万吨级船舶的最大螺距调节速率约为0.6(°)/s，螺距调节速率的具体确定属船舶推进系统的范畴，在此不展开论述。联控中的实船螺距调节速率一般通过控制可调螺距螺旋桨装置电液系统的比例阀的开启大小来实现。

3 调距时间参数指标对液压单元的影响分析

为了说明调距时间指标对可调螺距螺旋桨液压系统的影响，在此列举2个实例。一般地，液压单元为可调螺距螺旋桨液压系统的主要部件，其上集成有主用、备用调距泵组（包括电机和液压泵），调距主阀块、滤器等，如果是自带油箱，则包含主油箱。

按中国船级社规范[3]的调距时间要求对某一桨毂直径约为1 700 mm的可调螺距螺旋桨装置进行设计，液压系统液压单元主、备泵组额定流量均达到330 L/min，对应电机额定功率达75 kW，液压单元尺寸为2 400 mm×1 835 mm×1 835 mm，重量（不含液压油）约为3.9 t，如根据船舶实船可接受的调距速率要求将调距时间指标延长80%，则液压单元泵组电机功率可减小到34.5 kW，尺寸减小为2 000 mm×1 500 mm×1 750 mm，重量相应可降低至约2.0 t。

又譬如某一万吨级船舶，采用的可调螺距螺旋桨调距时间比GB/T 13411—1992标准中的时间延长了120%，仍可很好地满足推进系统的螺距变化速率要求，但额定流量可由原来的550 L/min降低到250 L/min，液压单元得以大大减小，其控制也变得相对容易。

众所周知，可调螺距螺旋桨绝大部分时间（约超过95%的时间）处于螺距保持工况，即稳距状态，系统液压压力油通过溢流阀流回油箱，液压泵输出功率几乎全部用于系统发热，发热量H（kW）计算公式如下：

式中：H为发热量，kW；Pp为液压泵的稳距最大工作压力，MPa；Qp为稳距时系统流量，L/min；чp为液压泵的总效率。

从式（8）可知，系统发热量与液压系统流量成正比，当选用流量较小的液压单元时，系统的发热量也相应减小。

4 结论

本文对可调螺距螺旋桨调距时间这一重要参数进行了分析，鉴于目前我国相关标准中规定的调距时间指标的局限性，对于大型液压式可调螺距螺旋桨的调距时间，应结合使用船舶的实际操控需要，在调距速度变化率满足所有操纵模式的前提下来确定合理的调距时间，则可大幅值减小液压系统液压单元的尺寸和重量，不但可降低产品成本，利于船舶机舱布置，还可降低使用中系统的发热量。