喷水推进倒车装置的研究与开发

王震宇 杨勇森 郑金全 吴济秀 苏卓森 潘亚勇 杨宇航 张青岱 广东海洋大学

1.引言

喷水推进装置是一种新型的特种动力装置，与常见的螺旋桨推进方式不同，喷水推进的推力是通过推进水泵喷出的水流的反作用力来获得的，并通过操纵舵及倒舵设备分配和改变喷流的方向来实现船舶的操纵。在滑行艇、穿浪艇、水翼艇、气垫船等中、高速船舶上得到了应用。

针对现有问题，急需在原有喷水推进器的基础上进行创新。为此本文设计一种新型喷水推进倒车装置。

2.新型装置结构说明

2.1 设计结构的方案和依据

对提升喷水推进倒车的效率，装置做了几个方面的改进，包括装置的安装、吸口的重新设计、管道的曲度及开口大小、倒车的主要设备。

2.1.1 装置的安装

如图1，装置与船体的连接主要通过安装座1和连接座3，这两个装置分别位于与主流喷口同在水平线上和船底部，主流喷水口产生的反作用力通过这两个装置可以有效传给船体，不仅保障了倒车装置的稳定性，还考虑了力的传递。

图1 新型装置的正视面结构示意图

2.1.2 吸口设计

喷水推进船舶在行驶过程中常遇到的一个问题是，喷水推进船舶在海岸边或者是在内陆河流中，水中的水草、垃圾等会吸入喷水管道，从而对喷水产生影响。所以本装置设计了如图2所示的滤板4和旋转刀片7，降低了喷水推进船舶受到异物的影响，保障了船舶的安全行驶。

图2 新型装置的连接盘仰视结构示意图

2.1.3 管道及喷口设计

根据资料得知，喷口后的流场如图3所示，对轴对称圆形射流来说,由于射流与周围流体发生动量交换,而使四周连续不断地有流体进入射流混合区中,所以在射流边界处必然有平行于y轴的速度和径向速度。

图3 流射数学模型

由于本装置的旁通通道13和主流通道14都是接近水面，为了增加喷口后水流的混合，所以将喷口向下倾斜了3°～4°，但说明本装置的倒车效率只是以喷口的流速计算。

在倒车装置或液压缸快速起动等情况下,液体在系统中的流动会突然受阻。这时,由于液流的惯性作用,会从液体受阻端开始,动能逐渐转化为压力能,因而产生了压力冲击波。此后,从另一端开始,压力能转化为动能,液体反向流动。之后,动能又再次转化为压力能,如此反复地进行能量转换。由于这种压力波迅速往复传播,在系统内形成压力振荡。实际上,由于液体受到摩擦力,且液体自身和管壁都有弹性,因此不断消耗能量,才使振荡过程逐渐衰减趋向稳定，等到整装置转到相应位置后，在密封又良好的情况下，就会重新形成稳定的流道。而导流的作用就是为了减少水流的能量损失，使管道建立其新的且较高的压力。本装置的倒车部分不仅进行了导流面的理论计算以及旁通通道弯曲度计算，还进行了装配精度的计算，图4是倒车装置的水流阻断模拟分析图。

图4 水流阻断模拟分析图

由于连续性，管中心流体会向外侧壁面流去。从而形成一个双旋涡形状的横向流动，整个流动呈螺旋状。横向流动的出现，也会引起流体能量的损失。弯管的局部损失系数可按下列经验公式计算：

系数K的计算式为：

式中，R 是弯管中线的曲率半径，D为管径。

经过多次理论计算和模拟，最终确定了图5旁通通道13和连接球10的形状和大小。

图5 新型装置的连接壳体局部俯视内部结构示意图

2.2 结构的主要说明

安装座1，其固定在船体外壁，安装座1的右侧固定连接有连接壳体2，且连接壳体2的底部连接有连接座3。

滤板4，安装于连接座3的内部，且滤板4的底部安装有连接盘5，并且连接盘5的内部安装有伸缩弹簧6，如图6所示。

图6 为图4中A处放大结构示意图

旋转刀片7，安装于伸缩弹簧6的边侧。

连接球10，安装于连接壳体2的内部，且连接球10的顶部固定连接有液压杆11，并且液压杆11的两侧连接有连接垫片12。

旁通通道13，固定连通于连接壳体2的两侧外壁。

主流通道14，固定连通于连接壳体2的右侧。

旋转刀片7与连接盘5之间设置有用于弹性伸缩的伸缩弹簧6，且旋转刀片7关于连接盘5的圆心呈等角度设置；连接盘5贯穿于滤板4的内部，且滤板4嵌套设置于连接座3的内部。

当连接盘5转动时，带动外侧的旋转刀片7运动，旋转刀片7的一端连接有伸缩弹簧6，利用旋转产生的离心力，带动旋转刀片7带动伸缩弹簧6向外运动，来增大转动范围，利用旋转刀片7来对水草等杂物进行切割，同时配合连接座3内的滤板4，来有效避免异物堵塞进水口的情况，同时连接盘5处于静止状态时，伸缩弹簧6带动旋转刀片7收缩，来降低连接盘5和旋转刀片7的占用面积。

连接壳体2的内部还设置有叶轮8和转动轴9，如下图7。叶轮8，固定连接于连接盘5的顶部。转动轴9，固定连接于叶轮8的顶部。连接壳体2的内部设置有用于叶轮8转动的转动轴9，且叶轮9的中轴线与连接盘5的中轴线相互重合，并且转动轴9的外壁呈螺旋设置。

图7 新型装置的连接壳体内部结构示意图

利用转动轴9带动叶轮8和连接盘5同时转动，叶轮8带动水流在连接壳体2内流动，且转动轴9的外壁呈螺旋设置，进一步对水流进行输送，来增加水流的输送速率，进而来提高喷出水流的冲击力。

连接球10与连接壳体2之间贴合设置有用于增加密封性的连接垫片12，且连接球10的外表面开有导流面，中间开有管道，两者之间中心垂线呈九十度，并且连接球10与液压杆11之间为焊接连接，此处说明因为是用模型做的实验，所以本装置用一个舵机代替了液压杆。

通过控制液压杆11运动，液压杆11带动连接球10在连接壳体2内运动，来对连接球10的位置进行调节，当连接球10处于旁通通道13入口处时，连接球10和两侧的连接垫片12相连，利用连接垫片12的设置，来增加密封性，让连接球10对两侧的旁通通道13入口进行堵塞，让水流从连接球10的中间管道流过，并从主流通道14喷出，来实现船只的前进，当连接球10对主流通道14入口堵塞时，让水流从两侧的旁通通道13喷出，且连接球10的外表面开设有导流曲面，来减少水流急剧转折的能量损失带动船只向后运动，让船只的推进和倒退的交替上更为的便利。

2.3 装置工作原理

在使用该新型喷水推进倒车装置时，根据图1～5，首先利用安装座1将装置安装在船只上，启动驱动电机，驱动电机带动转动轴9、叶轮8和连接盘5运动，利用转动轴9外侧的螺旋设置和叶轮8的设置，来对水流进行输送，连接盘5转动时，带动旋转刀片7和伸缩弹簧6运动，利用旋转刀片7来对水草等杂物进行切割，并利用连接座3内的滤板4进行过滤，同时控制液压杆11运动，来对连接球10的位置进行调节。当连接球10处于旁通通道13入口处时，利用连接垫片12增加与连接球10的密封性，来对两侧的旁通通道13进行堵塞，让水流从连接球10的中间管道流过，并从主流通道14喷出，来带动船只前进。当连接球10处于主流通道14入口处时，连接球10对主流通道14入口进行堵塞，让水流从两侧的旁通通道13喷出，带动船只倒退，进而让船只前进和倒退的交替更为便捷。

3.实验计算喷水倒车效率

此次测量倒车效率的方法是，分别测量出推进时主流通道喷口流速和倒车时旁通通道喷口的流速。因为没有相关的仪器适合直接测量喷口的流速，所以采用了测量一定时间内喷口喷出流量的体积，进而计算喷口的流速，再计算倒车的效率。下列表1是主流通道的相关测量数据。

表1 主流通道相关测量数据

所以喷口的流量等于平均体积除以平均时间：

在流速的计算中流量等于流速乘以喷口截面积：

此方法测得主流通道喷口的流速为2.52 m/s。又因为一秒钟通过主流通道的体积为：

所以在此时间内通过水质量为：

得到此体积的流量动能为：

用同样的方法可以算出旁通通道在单位时间内两边的流量动能为EK2=2.47 J。

所以该新型喷水推进倒车装置效率约为：

4.结论

本新型装置通过现有的一些理论，重新确定了旁通管道的直径和弯曲度，并提出了用球形内部装置进行导流以及转换的方法，并且做到了装置的良好的密封。该装置的另一优化是重新布置了吸水口，加了旋转刀片和滤网，减少了水藻以及泥沙对装置的影响。本实验是采用模型的装置测量效率，并且在测量仪器上有所欠缺，可能实验会有稍微误差。

对于最后的结果，有理由认为本装置是可以减少水流改变方向过程中的能量损失的，采用旁通通道的形式是可以提高倒车效率的。