文献综述 船用推进器

本科毕业设计(论文)

文献综述

题目：船用推进器方向控制装置设计

学院：机械工程学院

专业：机械工程及自动化

班级： 2008级 1 班

学号： 200802070121

学生姓名：万家傲

指导老师：欧长劲

提交日期： 2012年 2 月 22 日

船用推进器方向控制装置设计

1研究的背景及意义

水上资源是人类的财富，人类的发展离不开对水资源的利用，最直接的就是捕捉水生食物，那么渔船就诞生了，如美国研究出得一种踏板控制方向的渔船【1】，大大方便渔民，提高了生产率。但是对水资源的利用，可不仅仅是捕鱼这么一说，比如说运输、能源开采等等，总之水上资源是无比巨大的，人类对他的使用只是很小的一部分，还需要继续去发掘，去开拓。

就我国而言，我国也是一个水资源大国，长江、黄河、雅鲁藏布江......但是我国极浅水河流众多，这些河流的弯多流急，有些地段河道坡度较大，由于内河航道窄、弯道多、吃水浅，这就要求航行船舶应具有良好的操纵性来保证航行安全。普通螺旋桨船舶在这些地区的推进效率较低，操纵性能不佳，导致上滩能力不强，流急弯多处不易操纵，给水路运输带来了极大的困难。这些地区水路运输的客观现实迫切需要开发一种适合这些地区的性能较好的船用推进装置。因此，直翼推进器在内河运输船舶上的应用具有广阔的前景[2]。

目前，螺旋桨是海洋工程装备中普遍使用的船舶推进器。装备螺旋桨推进器的船舶在低速航行时，控制性能下降明显，其原因是船舵产生的横向力的大小与船速有关。在船舶经过海峡或者返回港口，与其它的船舶靠近的时候都是低速航行，此时船舵产生的横向力变小，导致船舶控制力不足。直翼摆线推进器弥补了螺旋桨的不足，无需船舵就能够在360 方向上快速改变推进力方向和大小，在任意航速下船舶都具有良好的控制力[3]。

2 直翼推进器相关技术的国内外发展概况

优异的操控性能使得直翼摆线推进器非常适合配备在特种船舶上，例如反鱼雷舰艇、灭火船、拖船、动力定位系统等。直翼线推进器相比于喷水推进器、全回转推进器、螺旋桨等推进器，具有操纵灵活方便、动态拖力大、抗风浪能力强、设备故障率低、维修成本低等优点[4]。直翼摆线推进器应用于动力定位系统，推进器数量大幅减少，有效降低系统成本与能耗。但是国内关于它的研究却很匮乏，或者说没有完整的一套系统。

(a) 拖船 (b)摆渡船

（c）反鱼雷舰艇（d）浮吊

图l Voith Schneider Propeller的各种应用

国外的摆线推进器理论与实验研究以德国、美国、日本取得的成果最为突出。德国Voith公司的Voith Schneider Propeller摆线推进器结构，具有出众的操控性能。VSP结构紧凑，控制方便，甚至有人认为它已经发展到了极限，无法再继续改进。但近年来，Voith公司推出的六叶片VSP应用了现代设计工具，如CFD、FEM，对机构的流体力学性能和机械结构均进行了优化，采用六杆曲柄连杆机构, 设计了有更高效率的叶片外形，进一步提高了 VSP的性能[4]。

国内对直翼摆线推进器的研究起步较晚，研究主要集中在哈尔滨工程大学1980年朱典明教授改进了Taniguch的计算方法，计入了推进器叶片的曲线轨迹和叶片旋转的影响，提出诱导拱度的概念，同时放弃了一些线性假设以改进计算的精度[5]。马庆位以朱典明的计算方法为基础，放弃了动量定理法，力求用漩涡理论计算叶片轨迹圆处的诱导速度，获得诱导速度后即可应用叶剖面升力和阻力计算公式求的直翼摆线推进器的水动力性能[6]。苏玉民的硕士学位论文中采用了升力线方法计算直翼摆线推进器叶片展弦比对其性能的影响，他将叶片用一根升力线代替，升力线布置在叶片轴处，其基本方法与机翼升力线方法相同[7]。哈尔滨工程大学的张洪雨教授在他的博士学位论文中设计了采用偏心盘一滑块一连杆机构的实验装置和实验测量装置，给出了计算直翼摆线推进器水动力性能的经验公式，建立了以直翼摆线推进器为推进系统的潜器模型，提出了叶片可以从尾流面中穿过而不影响尾流面连续性的假设，并在此假设前提下建立了直翼摆线推进器的水动力计算方法。目前直翼推进器多采用广义摆线机构和改善的摆线机构，但由于其机构比较复杂以及受机构本身的运动限制，桨叶摆动规律不能很好地满足水动力的要求，限制了其推进性能，特别是推进效率的进一步提高。这也是直翼推进器难以推广应用的主要原因之一[8]。

3 船用方向控制装置的相关分析

3.1四种常用特种推进器

槽道推进器、z形推进器、直翼推进器、方向推力推进器。

下面简述它们的特点：

a.槽道推进器:这种推进器最早在本世纪五十年代首先作为水面船舶的推进器而被应用。它的使用大

大改善了大吨位船舶进、出港低速航行时的操纵性能。槽道推进器作为一种反应式推进器是靠改变流体动量而获得推力的。槽道推进器具有结构简单、安全可靠、操作方便的优点，但推进效率不高是这类推进器最大的缺点。

b. Z形推进器:Z形推进装置是根据带动螺旋桨的动力传动轴的机构与字母“Z”相似而得名。Z形推进器又称为Z形导管螺旋桨。Z形推进器和槽道推进器相比较，其结构要复杂，单机重量较大，它的舷外布置应从安全性方面予以充分考虑。

c.直翼推进器：它由一组伸出船体表面并与船体表面相垂直的叶片构成直翼推进器可以提供360︒范围内任意方向的推力，而且其效率也是较高的，但直翼推进器本身机构复杂，且叶片伸出艇体，容易损坏。

d. 全方向推力推进器:它是在直翼推进基础上的种改进，当它的螺距角都保持某固定值时，就起到普通螺旋桨作用，产生轴向推力[9][10]。

3.2直翼摆线推进器工作特性分析

摆线推进器类型多样，但主体结构基本相同。它垂直安装于船舶脊线，叶片均匀分布在转盘上，每个叶片除绕转轴O旋转外，同时绕自身轴线P摆动，以产生360︒任意方向的推进力，如图2所示。推进器工作时可看成两个运动的合成，回转箱绕推进器轴心线转动，同时叶片以按照一定的规律绕自身轴心线转动，此时叶片运动形成的轨迹即是摆线[11][12]。

图2 摆线推进器工作原理图

在整个运动过程中，摆线推进器的叶片由内部机构控制，叶片弦线始终与某一点到自身轴心P的连线相垂直。该点称为摆线推进器的控制器，用C表示。C点到推进器转轴O的距离为心距，偏心距与半径的比值即为摆线推进器的偏心率e[2]。对偏心率e的控制机制,也即对于连杆机构的设计与分析是本设计的关键部分。

3.3 凸轮及连杆式直翼推进器的研究

（1）凸轮式直翼推进器的机构及特点

为了进一步改善推进器桨叶摆角曲线，桨叶自转采用凸轮轨来控制桨叶轴的摇柄,简化了推进器的整体结构。