CN101314405A - 多级双圆弧齿轮泵用于舰船喷水推进器 - Google Patents

Abstract

本发明“多级双圆弧齿轮泵用于舰船喷水推进器，”其主要技术特征在于：将“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”整体安装在大型舰船，供喷水推进取代螺旋桨，尤其使核潜艇改善静音效果、高航速、降能耗，提高隐蔽机动性。传统的螺旋桨推进是舰船的主要噪声源，泵喷水推进器能够在较高速度时减少10～20分贝声信号；螺旋桨高速时会发生空泡，且消耗功率随转速提高的三次方函数关系剧增；泵喷水推进是按牛顿第三定理，即推力等阻力，消耗功率与推力成正例增加，两者原理有本质区别，因而喷水推进在高航速下，能达到节能而对航速、航程均有利。创新高效率高压大流量，而结构又十分简单便于制造的多级串联容积泵，为大型舰船喷水推进，成为可普遍采用的崭新的、高效的推进方式。

Description

多级双圆弧齿轮泵用于舰船喷水推进器

一、技术领域

本发明涉及将“多级双圆弧轮高压大流量泵，”整体安装在大型舰船，供喷水推进取代螺旋桨，尤其使核潜艇改善静音效果、高航速、降能耗，提高隐蔽机动性，使本泵喷水推进器成为可普遍采用的新型高效、节能的推进方式。

二、背景技术

2.1据2007年5月10日新华社电：“噪音比小鲸鱼的动静还小，可在水下连续巡航25年，英国新型核潜艇揭开面纱。”报道了英国海军“机敏”级核动力攻击潜艇，是迄今世界上隐蔽性最好的潜艇，排水量达7800吨，能携带38枚战斧式巡航导弹，其射程约为2252公里，要耗资72亿美元，建造3艘。目前世界上只有美、俄、英、法、中五国，拥有战略导弹核潜艇和攻击核潜艇。用泵喷水推进核潜艇，可获得战术需要的隐蔽机动性，适宜在恶劣海域作低噪音机动。“机敏”级核潜艇的噪声，如此之低是否用泵喷水推进器？

2.2美国“海狼”级核潜艇泵推进器，“转速在130转/分左右”，并采用七叶侧斜螺旋桨，以提高效率，降低涡流的噪声。桨速为此之低，却要推进万吨船高速前进，其桨径势必很巨大。假定配3万匹马力，在130转/分下，桨轴直径按 $D=71.5\sqrt[3]{N/\mathrm{\τ}\×n}$ 推算达620毫米(取[τ]＝350kgf/cm²)。整体结构还可通过相关图片上看到，是七叶桨外，增设用于屏蔽噪音的巨大环状导管，有前置定子。螺旋桨要提高转速，其功率按三次方函数剧增，以公式表示：N₁/N_O＝(n₁/n_o)³。例如，转速n_o从130转/分，提高3倍至n₁390转/分，功率从N_O要增至N₁3³＝27倍，这是铁律！这也是为什么螺旋桨推进要配强大功率的原因。凡按离心力作用的离心泵、直升机螺旋桨，其功率与转速之间都是遵照此三次方函数关系，而本泵是容积泵，不受此规律约束，因而可大幅节能。

2.3日本TSL-新型超高速船开发一文指出：“喷水推进比螺旋桨效率更高”而开发“高效率大功率喷水泵”是创造新型超高速船的关键，但不知用何种泵？

2.4传统的螺旋桨推进系统，是舰船主要噪声源，喷水推进器泵能够在较高速度时减少10～20分贝声信号，同时降低舰船的空气噪声和振动。在海底环境下，每减少20分贝，声呐的测距可减一半。更因本泵是整体安装在潜艇内，噪声可屏蔽不外传，还可采用软管连接等减震措施，而不像美国“海狼”核潜艇推进器外伸在尾部，噪声无法屏蔽。因而，安装本泵喷水推进器可取得更好的静音效果。安装亦方便，保养维修亦方便，与螺旋桨现场安装，安装精度又高相比，简便得多。

2.5据相关资料：喷水推进可以无级变速和倒航，甚至原地回转，使用双机及双桨，甚至能够使舰船横移，“堪比水中直升机。”当然，要相应设计一套喷射头旋转机构，达高效操纵。

综前述，通过国内外背景技术的调查和分析研究，从噪声、动力消耗、机动性能诸多方面来看，泵喷水推进器比螺旋桨推进具有优越性，其关键在于泵能否满足“高效率大功率”，即高压又大流量，结构又极其简单可靠等诸多较全面经济技术要求。

三、发明内容

本发明目的在于：将“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”整体装在舰船上，供泵喷水推进器，以取代螺旋桨，获取更高效率节能降低噪声，对核潜艇能提高隐蔽机动性。

本发明目的是通过以下方法来实施：

3.1首先涉及本喷水推进器的原理，是按牛顿第三定律，即舰船产生的推力等于阻力，达匀速前进，以公式表示：F＝75N/V，式中F为推力，吨，N马力，V为船速、米/秒。从式中可知功率与推力是正比例，不是螺旋桨其功率是转速三次方函数关系。两者原理有本质区别，也是以本泵喷水推进器，取代螺旋桨达节能的关键所在。

3.2螺旋桨高速时会发生空泡现象，泵喷水推进器是借射流喷射，不存在此现象，即船速不受此现象的限制，可达更高航速。在相关本泵的专利中，已详细介绍本泵有高速和超高速(最高达9215转/分)的特点，借此达到泵的体积小，工作效率很高。本齿轮有不会发生根切的突出优点，因而减少齿数至8～12齿，增大齿隙空间，以增大泵的流量。齿轮泵是容积泵有压力高的特点，效率比离心多级泵(效率约40％左右)高出一倍的宝贵优点，今又用多级分泵并联装之后，将输出流体再串联起来增压；以及用次级分泵的齿厚，比前一级逐级再减薄，来双倍增压，使本泵可以获得高效率高压又大流量。即泵的这些突出独创性优点，为本发明的实施取代螺旋桨奠定了物质基础。

3.3本发明目的在实施中，通常用二台大泵安装在舰船尾部，吸入水流，产生左右二股强大向后推进的射流。射流还可以任意转向，达到很快改变舰船的航向，并省去舵机。大泵连同发动机，可安装在液压减震床上，通过减震软管将射流输出，特别是用于潜艇，可提高静音的效果。此外，泵是装在潜艇舱内、便于噪音屏蔽，不像螺旋桨暴露在外，噪声无法屏蔽。

四、附图说明

附图1为本“多级双圆弧齿轮泵舰船喷水推进器”的结构示意图。如图所示(1)为“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”安装在液压减震垫(2)上；减震垫固定在舰船(3)的后舱；舰船的尾部设有可控转向的喷射头(4)；泵(1)的流体出口与喷射头之间有减震软管(5)连接，通常舰船后舱左右各置-泵，通过左右二个喷射头产生二股强大的射流，也可在舰船中轴线上仅置-泵-喷射头。

附图1所示编号：

1、多级双圆弧齿轮高压大流量泵        2、减震垫

3、舰船     4、喷射头      5、减震软管

五、实施方案

本专利的实施方以实际的核潜艇参数为实例。假定，某最新型的攻击核潜艇水下排水量12125吨，潜艇长167米，艇体采用钛合金，最大潜深达500米，配二座压水核反应堆，轴功率达61200匹马力，噪音量级巳降至98.9分贝。这是采用大量高新技术，但本人认为：如再采用本泵喷水推进器，还可以进一步提高静音效果和效率，减少动力的消耗，延长航程和潜航期。可进行以下的计算：

5、1假设采用二级至三级串联增压的双圆弧齿轮泵，其压力强度达100公斤/平方厘米，取齿轮的模数为52，齿数为12，节径为624毫米，取齿宽为380毫米，泵的工作转速为1500转/分，相当于四极电机的转速。

5、2以下进行泵的流量计算：齿顶高h1＝46.8，齿根深h2＝57.2，全齿高h＝104，齿顶园D1＝717.6，齿根园D2＝509.2，齿环截面积 $S=\mathrm{\π}/4(D_1^2-D_2^2)=\mathrm{\π}/4\×({717.6}^2-{509.2}^2)={200000\mathrm{mm}}^2={0.2m}^2,$ 今取齿宽B＝380mm，代入V＝S.B＝0.2×0.38＝0.076m³，取n＝1500r/min，再代入Q＝1500×0.076＝114m³/min＝6840m³/h。假定p＝100kgf/cm²，这是一台高压很大流量泵，当转速再提高流量还可按正比例提高。上巳述这种齿轮最高转速已达9215转/分，但必须考虑泵所需的功率将更大，可按下式来计算功率：

5、3计算方法之一，按日本，机械设计列线图集，木村·章著，第181图，流量、压力与功率的关系有：理论功率N＝实际功率×0.83，压力为P＝100kgf/cm²，流量Q＝114.m³/min＝-114000I/min，代入N＝10×P×Q/60×75×0.83＝10×100×114000/60×75×0.83＝30522HP。(式中泵效率ρ取0.83)

5、4计算方法之二，按第159图，泵所需功率S＝rQH/102×3600×ρ式中，水重度r＝1000kgf/m³，流量Q＝6840m³/h，扬程H＝1000m，效率ρ取0.83，代入：S＝1000×6840×1000/102×3600×0.83＝22423KW＝30522HP。以上二种不同的方法其计算结果是相同的。泵所需的功率，相当于巳知新型核潜艇轴功率61200HP的一半，即一座压水核反应堆，只能带动一台泵工作，如果泵的转速再提产高，核反应堆的能力还要更大。上面巳述这种齿轮特别适应高速和超高速旋转，已知线速高达115米/秒，比渐开线齿轮接触强度高出三倍，综合承载能力优良，并达到API标准出口美国。因此，可借泵的高转速，来提高泵的工作效率，减少泵的体积和重量，以减轻对船的载重量。

5.5另外，按牛顿第三定律，潜艇克服水下阻力达匀速前进，有推力等于阻力即F＝75N/V。式中N＝61200HP，V＝40节×1.852×1000/3600＝20.58m/s，代入F＝75×61200/20.58＝223032kgf＝223吨力，进而求得推重比i＝223/12125＝1/54.4。战斗机巡航时，i＝1/4显然两者不能相比，仅供参考。

5、6再接下去按喷射管产生的推进力，能否满足上述223吨的推力的需要进行验算：设喷射管直径d＝380mm，即相当于齿轮的厚度，管截面积S＝π/4×d²＝π/4×38×38＝1133.54cm²，上面巳假设达到p＝100kgf/cm²，可产生推力F＝Sp＝1133.54x100＝113354kgf＝113.54吨力，二台泵同时产生推力为227吨力。这略大于前述按推力等于阻力所计算的223吨力。如果发动机还有潜力，泵可提高转速，随泵流量再增大，获更高航速。

5、7轴径概算：已知轴功率为61200HP，每台为30600HP，转速n＝1500r/min，按日本列线图第68图，取45号钢的许用应力[τ]＝350kgf/cm²，代入式： $D=71.5\×\sqrt[3]{N/\mathrm{\τ}\×n}=71.5\sqrt[3]{30600/350\×1500}=71.5\×0.388=27.7\mathrm{cm}.$ 今取轴径为300mm，为轴承配合处尺寸，传动轴端为290mm，略大于计算尺寸。

由上述实施例计算，可以确定这是一台外型约长170cm，宽约100cm，高约160cm的超大型泵，能承担三万匹以上马力的强大驱动力，潜艇内安装二台泵，供艇后产生二股直径为38厘米，压强为100kgf/cm²，极其强大的高压射流，每小时能将6840立方米高压水推向船后，使新型核潜艇以每小时40海里或更高速度前进，并达到如英国新型核潜艇那样更低的静音效果，显然这是一个极其大胆的设计方案，当然将相同的结构原理，也可用于海面各类舰船、航母，取代螺旋桨推进。

综前述，核潜艇静音效果，关系隐蔽性和生存力。由于，以航空母舰为核心的海上战斗群，具有强大的反潜作战能力，所以核潜艇必须具备优越性能，才有可能攻击对方。其中，静音效果、武器效能、航速、潜深、探测与指挥系统，都是关键的。本人认为新型核潜艇的静音、航速、航程三项还能借本泵喷水装置，得以进一步改进和提高。

本人在“气垫变翼喷水推进小水线面船艇”，专利申请号2005101061268中，已公开泵喷水推进的结构。该泵是应用本人“双圆弧齿轮叶片泵”专利申请号03106225.3，是单级双圆弧齿轮泵，为提高动密封性能是在齿顶设置叶片。经多次试验发现叶片寿命不长，而不设计置叶片又无法达100公斤/平方厘米以上的高压，因而渐进性创新了“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”，这是一个通过反复试验认识深化的再创新，更借多级串联和次级分泵齿厚逐级减薄，达到多次和双重功效的增压，这些都是单级“双圆弧齿轮叶片泵”中，所不可能具备独创性结构。

Claims (2)

1、本发明涉及“多级双圆弧齿轮泵用于舰船喷水推进器”，其特征在于：取代舰船螺旋浆推进方式，在舰船内整体安装泵推进器；将流体通过减震软管与船尾喷射头相连接，泵和发动机安装在液压减震床上。本推进器泵属多级容积泵串联增压喷水推进。

2、根据权利要求1所述的“多级双圆弧齿轮泵用于舰船喷水推时器”，其中泵推进器的特征在于：由专利名称“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”，专利申请号2007102289932所专利保护。

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