超高速艇可变进水口增压喷水推进系统的制作方法

本发明属于推进系统，具体涉及一种超高速艇可变进水口增压喷水推进系统。

背景技术：

1、小型高速艇是应用非常广泛的一类船艇，常见的运动艇、游艇和公务艇以及军用的冲锋舟、巡逻艇、侦察艇等船艇都包括在其中。高速艇的航速定义比较宽泛，一般将航速高于55.6km/h(30节)的船艇归类为高速艇。工程上采用无量纲的体积傅汝德数fn▽表征航速的高低和航行状态，fn▽＝v/(g▽1/3)1/2，式中：v航速，g重力加速度，▽排水体积。由于采用fn▽作为航速分类的依据更为合理，故将fn▽＞3的船舶定义为高速艇。

2、船艇要实现高速航行有两个关键因素：一是良好的船体线型，二是高效的推进装置。在船体定型之后，为了提高航速，通常采用大功率的发动机和提高螺旋转速的方法。这种方法在一定的速度区间行之有效，但当航速大于74km/h(40节)附近某一点时，采用这种方法就不再继续有效。进一步的研究表明：这是由于螺旋桨在高速旋转时，其桨叶背面产生“空泡”引起的。水在旋转桨叶的螺旋角推动下不断流出，后面的水流要不断补入，随着转速的提高，水分子的粘滞力将造成水流的补给不足，致使桨叶背面压力降低至临界点以下，从而产生气泡。这些“空泡”不仅使螺旋桨发生气蚀损坏，亦使螺旋桨的推进效率大为降低。此时无论怎样提高发动机的转速，螺旋桨推出水的流量不再增加，舟艇的航速也就不再提高，这就是危害极大的“空泡效应”。由于存在着空泡效应，采用普通螺旋桨推进器的船艇，在达到一个阈值后，航速则难以进一步提高。

3、为减轻空泡影响，现今的改进技术措施有三种：1)加大螺旋桨的桨叶直径和盘面比，降低桨叶前面水流的相对速度；2)增设导流管，加大水流的补给量，以减小桨叶背面的负压；3)采用桨叶的上部露出水面的表面桨(半浸桨)，消除气泡产生的条件。这些改进方法中，第一种由于高速艇自身体积的限制，很少采用。第三种由于表面桨存在动力损耗大，飞溅大、航迹明显等不足，同时高速旋转的桨叶对水中作业人员非常危险，采用的也不多。第二种增设导管的方法是将桨叶装在管道中，使其成为一个喷水泵，吸水口设置在船底，出水口安装在艉封板外，利用喷射水流的反作用力来推动船舶前进，这就是典型的喷水推进器。这种喷水推进方式能够在一定速度范围内减少空泡现象，且结构紧凑、集成度高、吃水浅，同时内置涡轮对水中作业人员比较安全，因而在高速艇上应用较多。

4、但这种喷水推进方式，当船艇的航速达到83km/h(45节)，严格讲是fn▽＞5时，喷水推进器的空泡现象又很严重了。因此，对于航速＞92.6km/h(50节，fn▽＞5.5)的超高速艇，采用喷水推进器就几乎是不可完成的任务了。

5、近年来，业界就喷水推进器在高速运转中的“空泡效应引起推进效率降低”这一课题，进行了大量研究和改进工作，数据表明：“喷水推进器工作时，有7％～9％的轴功率损失在进水流道内，喷水推进器与船体之间的相互作用对推进效率的影响甚至可以达到20％以上，而这一相互作用主要发生在进水口附近”。海军工程大学针对某试验艇喷水推进器的研究发现：进速比(流道进流速度与船速之比)，进水流道的角度，进水口的大小、形状对喷水推进效率的影响较大，在采取针对性的改进措施后推进效率提高了6％。由此看来，对进水流道进行优化设计，可提高喷水推进器的推进效率。

6、喷水推进器的工作原理遵循牛顿第三运动定律，即喷射水流产生的反作用力与被驱动船舶前进的推力大小相等，方向相反。其推力的大小＝流体在流经推进器流道时单位时间内的动量变化率，即动量定理，f＝mδv/δt。在正常情况下，喷水泵的输出流量与涡轮的转速成正比，但在喷水涡轮的背面产生空泡后，造成涡轮的供水不足，因此，不管发动机还有多少功率裕量，水泵喷出的流量就不随涡轮的转速提高而提高了。由公式p＝pq，即喷泵的输出功率等于压力与流量的乘积可以看出，若喷出水流的流速不再增加，则输出功率也不再增加，这就导致船艇航速的提升停滞在这个临界点。这就提示：如果增大进水流量和涡轮背面的压力，就可以使喷泵的流量仍然保持与转速成正比，那么输出的功率亦能随转速的提高而提高，从而为船艇提供更大的推进力，就能使航速得以继续提高。

7、综上所述，虽然喷水推进系统在高速艇上广泛采用，但当fn▽＞5，由于空泡现象发生，航速无法继续提高。虽然，对进水流道的角度，进水口的大小、形状采用针对性改进措施，可以提高6％的推进效率，但没有解决空泡产生的原因，对超高速艇的意义不大。

8、由于普通喷泵在产生空泡现象的临近状态，进水口流量q与喷泵涡轮背面位置的截面流量q1仍保持相等，而空泡发生时则q＜q1，即涡轮“供水不足”。这时，若加大进水口截面，使流量q加大，保证q≥q1，就会有一部分水流阻滞在涡轮背面，由质点系的动力定理可知，这部分水流将产生一个作用于涡轮背面的压力，这个压力抵消了原来的负压，阻止了空泡的发生。因此，在继续提高转速时，喷泵就能保持输出流量的同步增加，即输出功率的不断加大，从而使船艇的速度继续提高。但这里的问题是采用什么方法来提高进水口流量q；同时，又要保持船艇不会在临界航速以下，因进水流量过大而消耗过多的功率。为此，拟采用以下技术方案：1)改进喷泵的进水管设计，增设可调整进水口方向和大小的滑动或转动的机械装置，使得进水口方向和截面发生改变，以增大涡轮背面的压力阻止“空泡”产生；2)采用分级调整进水口方向和大小的方式，以适应不同航速时所需的进水流量；用以解决喷水推进系统在达到一定转速时产生空泡现象，导致输出功率不足，无法应用于超高速艇的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供一种超高速艇可变进水口增压喷水推进系统。

2、本发明是这样实现的：一种超高速艇可变进水口增压喷水推进系统，包括发动机、喷泵、转向机构和可变进水口，所述喷泵由泵体和进水管两部分组成，其中泵体为通用装备，包括主轴、涡轮，整流器和喷水口；主轴通过连接法兰与发动机相连接，

3、所述进水管的下部为水平进水口，进水管内壁下方设有两条滑道，滑道上装配着一个由不锈钢板制成开口朝上的槽型滑动唇板，唇板侧边下部突出的滑块与滑道的滑槽构成滑动副；滑动唇板的两个侧面装有限位齿条，与进水管内侧壁上安装的齿轮相啮合，调节齿轮的转动方向和停启，能使滑动唇板沿滑道上下运动并固定在设定的位置；当滑动唇板向下运动露出艇底板时，其下部及两侧的壁板与艇底板共同构成了一个垂直于水平面、朝向船艏的矩形可变进水口，

4、滑动唇板向下伸出的越多，可变进水口的矩形面积越大，反之则减小，调节滑动唇板所处的位置，能够控制喷泵进水量的大小，

5、所述进水管采用连接法兰与泵体连接。

6、如上所述的超高速艇可变进水口增压喷水推进系统，其中，所述齿轮的输出轴与固定在进水管外部减速器的输出轴相连接，该减速器的输入轴上连接着步进电机，当控制系统给定信号后，步进电机按指定参数旋转，使滑动唇板运动到设定位置并保持所述可变进水口形成的矩形面积的大小。

7、如上所述的超高速艇可变进水口增压喷水推进系统，其中，所述可变进水口开启大小的控制，采用手动控制方式或自动控制方式，控制方式的转变采用人工转换。

8、如上所述的超高速艇可变进水口增压喷水推进系统，其中，所述可变进水口开启大小的自动控制方式的原理为：船艇处于产生“空泡现象”的临界航速之下，滑动唇板位于最上端，整体位于进水管内部，喷泵的供水由水平进水口承担，当航速达到即将达到临界航速时，自动控制系统启动，该系统将滑动唇板向下滑出的长度分为n等份，每个等份为一个档位；同时将发动机在临界航速的转速与最高转速的差值也分为n等份，当转速每增加或减少1个等份，滑动唇板也相应开启和收回一个档位。

9、如上所述的超高速艇可变进水口增压喷水推进系统，其中，所述可变进水口的另一种结构采用了旋转开启方式，即在进水管下部的水平进水口的后部，设置一个铰链，在其转轴上固定着旋转唇板，旋转唇板为一个上部开口的槽型构件；在上述转轴的端头上固定着摆动杆，摆动杆的另一端与液压油缸的活塞杆铰接，液压油缸与固定在泵体上的油缸座铰接，操纵液压油缸的运动，即能控制旋转唇板的转动，从而控制可变唇口进水截面的大小，在临界航速之下，所述旋转唇板位于与水平进水口平齐的状态；超过临界航速，则旋转唇板的开启角度由手动控制或按设定程序自动控制。

10、本发明的显著效果是：(1)调节进水口方向和大小，阻止空泡产生本方案将通用喷水推进系统的固定进水口，改进设计为可变进水口，改变了进水口的方向和截面面积；将固定进水口利用压差将水流从船底吸入方式，改变为进水口朝向船舶航行方向，让水流直接冲入进水口，从而增大了进水流量，提高了涡轮背面的水压，阻止了空泡的产生，解决了涡轮在临界转速以上因“空泡现象”无法继续正常喷出水流的技术问题，使得其输出功率仍能随转速的增加而提高，解决了超高速艇不能使用喷水推进系统的难题。

11、(2)进水量可调，功率损耗小其进水口的方向和大小可调节，以适应不同航速所需的动力输出，以避免不必要的动力损耗。在航速未达到临界航速(fn▽＜5)时，可变进水口收回，进水口为固定式，其动力输出和油耗保持了通用喷水推进系统固定进水口的特点。当航速达到临界点时，本方案的可变进水口工作，其进水口的大小，按航速逐级加大，持续提高航速。实施例表明，采用本方案能提高推进效率15％～25％，将原采用通用喷水推进舟艇的最大航速从83km/h(45节)提高到100km/h(54节)以上。

12、(3)结构简单，使用方便本方案是在原有进水口的内部加装可沿倾斜进水道上下滑动的滑动唇，利用其伸出的长度调节进水口的大小。这种设计结构简单，调节效果好，使用方便。