CN101323359A - 泵喷水推进双水翼浅潜水航母 - Google Patents

Abstract

本发明泵喷水推进双水翼浅潜水航母，其主要技术特征：吸收潜艇、航母和现代超高速小水线面船、气垫船优越性，以“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”“多级内串联双重增压双圆弧齿轮泵”，为舰船喷水泵及气垫泵，并以多功能双水翼潜体提供浮力和动升力的浅潜水航母的构造。船体装动力及泵喷水，将高压大流量水送至位于船体之下的多功能双水翼潜体尾部的可调向喷射头，达喷水推进。双水翼潜体除提供浮力及动升力之外，还有储油及分腔进水，控制浅潜及船姿的功能，并具整体强度，构成小水线面船结构；还设有气垫。当潜体用泵排水，船体浮出水面，可如小水线面船，避开水阻力高速前进时，喷头仍能在水中喷水推进，是螺旋桨式舰船，无法实现掠海飞行，是本喷水推进最突出优越性。

Description

泵喷水推进双水翼浅潜水航母

一、技术领域：

本发明涉及提供一种以“多级双圆孤齿轮高压大流量泵”为喷水推进动力，并以多功能双水翼潜体提供浮力和动升力的浅潜水航母的构造，尤其适用于常规动力轻型航母和装备经改装的“泵喷气推进带固定翼直升机。”

二、背景技术

2.1德日英美法等国都曾制造过潜水航母。早在1941年12月，珍珠港在遭到轰炸之后，不知从何处又冒出几架日本飞机，不等美军反应过来，飞机便呼啸而去，消失在海天相连的远方。不到一年，在美国亚利桑那州，也出现几架不知从何处来的日本飞机，旋风般轰炸之后，便消失得无影无踪。原来这些飞机都是从日本潜水航母上起飞的。

目前，美军正在加紧研制大型核潜水航母，其上装有一套特殊的起飞装置。飞机起飞时，航母浮出海面，打开舱盖，起重机沿滑轨升出舱外，升降臂上的抓斗将垂直起降飞机抓起，转向弦外。飞机发动机在空中启动，当达到起飞速度时，抓斗松开，飞机离开潜水航母，悄然而去。降落时，飞机悬停在空中，由抓斗将其抓住，收回舱内，航母即可潜水。这种集航空母舰和潜艇优点于一身的水下航母，可携带6架“鹞式”垂直起降飞机和2架“鱼鹰”V-22武装直升机，具有小型水面航母同等的作战能力。

2.2现代反舰导弹最低贴海飞行高度仅3至5米，因而要求舰干舷不超过3米。这个高度的限制，是许多大型舰无法达到的，尤是航母如“企业”号从水面到甲板足足有四层楼高。

假如，常规动力装备有直升机的轻型航母，尚能浅潜海面，无疑可极其有效地避开反舰导弹的饱和攻击。因为，海水能吸收电磁波及红外线，雷达和红外制导高灵敏度寻的响尾蛇导弹，也只能“望洋兴叹”了！所以，研制浅潜水航母比制造大型水面航母，更适合国情，具现实军事意义。

2.3“传统的螺旋桨推进系统是舰艇的主要噪声源，喷水推进器泵能够在较高速度时减少10-20分贝声信号，同时还可降低舰艇的空气噪声和振动等。高速航行可消除空泡影响，显著降低油耗。在造价、保养、维修等方面，喷水推进装置也具有优势。”喷水推进可以无级变速，驻航和倒航，甚至可以原地回转，堪比“水中直升机”。“使用了穿浪艇型以求高速，而喷水推进比螺旋桨推进更合适；喷水推进符合隐身要求；喷水推进更适合近海复杂区域的高度灵活的操纵需要。”以上引证表明泵喷水推进的优越性。

2.4任何离心式水力、风力机械，诸如离心式水泵、船用螺旋桨、直升机螺旋桨，都遵照N₁/N₀＝(n₁/n₀)³(引自俄·济诺维也夫主编《简明技术手册》第399页)。例如，船用螺旋桨从n₀＝130r/min，提高3倍至n₁＝390r/min，其功率从No将增加至N₁＝3³＝27倍！公知，螺旋浆如不提高转速是不可能提高推进力的，而提速势必导致功率剧增，迫使配套强大的动力。

本双圆孤齿轮泵是容积泵，还可用于计量泵，其“流量、压力与理论功率”之间的关系有： $N=\frac{10\mathrm{PQ}}{60\×75}$ (引自日本，木村。章著《机械设计列线图集》第181图)。当压强P一定时，泵流量Q与功率N成正比例。此外，船推力与功率关系有：F＝75N/V，当船速V一定，推力F与功率N成正比例。将上述二公式合起来，得出：船所获得推力F与泵的流量Q成正比例，没有出现螺旋桨的转速提高，船体虽受到更大推力，而功率却以立方关系剧增。以上在理论上阐明，本泵喷水推进能大幅节能，延长航程。

2.5常见齿轮泵是渐开线齿形，与本泵属同一技术领域，有很大可比性。为克服其缺点创新了《复合齿轮泵》，见许贤良等人“穷思苦虑，执着研究”长达10年才编写出版的书。该书虽然属“机械工业出版社高水平著作出版基金资助项目”，但我仍然认为其研究成果却极难推广应用。其理由是：

2.5.1结构相当复杂，一个齿轮泵内，竟有6个分泵组成行星轮系。

2.5.2制造安装精度极高，“复合齿轮泵齿轮副的顶隙极小，实际上常常为0.01～0.03mm，而普通齿轮副的顶隙为0.25……”(引自该书101页)。一个泵有三个互成120°，如此高要求的顶隙，安装制造难度太大了！

2.5.3行星齿轮的齿数取Z＝8～14，而根切最小齿数Zmin＝17，必用正移距来修正。而变位之后“其齿厚，齿槽宽……都发生变化”，对流量带来极不利影响。

2.5.4该泵与本泵属同一技术领域，因而对比之下可知本泵所用齿轮是创新的双圆弧啮合制，其最最突出优点是：“没有根切现象”、“齿数理论上可以做得很小，”如6至8齿，今取12齿。因齿数小，模数可以增大，泵流量随之增大，可制成大流量和超大流量泵。

2.5.5该《复合齿轮泵》中，三只行星齿轮在高速下(如3000转/分以上)将产生极大惯性力。按 $F=m\frac{v^2}{r}$ 即离心力与线速平方成正比增长，设计时必须考虑，因此带来一系列问题。而本泵不会出现类似附加应力，适应极高转速(齿轮最高达9215转/分，线速115米/秒)并借此可提高工效。2.5.6本齿轮有“不必磨齿”的好处，一般机械厂都能制造。泵的结构极其简单，没有几个零件组成，制造成本低，而《复合齿轮泵》都要磨齿，成本很高，大内齿轮还无法磨齿。

2.5.7从机械设计角度看，只要改变本泵模数、齿数、齿宽、转速等几个参数，就能设计制造出大大小小系列产品。给设计提供很大的灵活性、自由度。

任何事物，只有通过认真对比，才能发现其优劣。尤其是本泵制成多级串联增压，次级齿厚减薄双倍再增压，达高压和超高压更是《复合齿轮泵》无法做到的突出优点。因为本人创新的泵，是本发明实际应用的基石，必须反复阐明其独创性。

2.6本结构采用“双水翼”，是为了达到高速。因为，水翼高速艇能以93千米/时的高速航行(最高达110千米/时)。双水翼在高速下，像一双无形巨手将船平稳地托出水面，大大减少航行阻力。本人创新的泵虽然也可制成气垫船用泵，但因气垫船消耗的功率太大，在航运成本上很不合算，所以不采用气垫。水翼比气垫还有可制成多功能的好处，因水翼潜体内还可以储油，还可以借前后分腔，进水量多少的控制，达到浅潜，及平衡船姿态等，对比之下，水翼优点多，比较容易实现在6级海况下稳定航行，创造一个舒适的环境条件。以上通过“水翼”与“气垫”的对比，阐明为何采用双水翼的原因。

三、发明内容

本发明目的在于：将潜艇、航母和现代超高速船三者优越性紧紧结合在一起，以本人“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”专利申请号200710089932.8，应用于潜水航母，并设置双水翼，实现浅潜隐蔽航行，或如小水面船托出水面高速航行，将航母所载武装直升机送至近敌目标，实施突击。

直升机由本人的“泵喷气推进带固定翼直升机”(已申请专利)，将固定翼改为铰接翼，加液压机构控制所提供。

本发明目的是通过以下结构分步实施的。

3.1作为潜水航母的船体，用于密封储存飞机库及配置动力仓，及指挥塔和人员工作场所。为了浅潜航行中减少阻力，拟外型呈拉长水滴状，上甲板供飞机临时停放，起飞或回收之用。因所用是没有螺旋桨直升机，机翼可垂直合拢，使储存时占地少，吊出仓外至甲板，再展平起飞。因泵喷气起飞，对地勤人员较安全，不像螺旋桨直升机的桨片有杀伤的作用，给地勤服务带来安全、方便。

3.2船体之下纵向外侧，各设一巨大的多功能水翼潜体。其纵截如同飞机翼形，能产生巨大浮力与动升力，其内腔分前中后三腔。中腔储油，前后腔储水。泵接有分管，供水腔给水或排水，控制浮沉及船姿。左右水翼潜体以管连接，使水位一致，并借管构成一个整体的水底结构，强度很好；又用杆或板与船体连接，两者分开一定距离，达小水线面船相似的构造。

3.3按结构模块化的设计要求，对整只潜水航母进行总体安排。其中常规动力装置及泵，安排在船体的尾部减震床上。泵的出水端，通过减震软管，将高压大流量水送至位于水翼潜体尾部中央的可调向喷射头，达前进、转向、倒航。

以上实施结构表明：由于用泵喷水推进，取代螺旋桨，使原来不可能在水翼潜体尾部安装推进动力的变成可能。因螺旋桨与动力是刚性连接，只能装在船体内，而船体一旦被托出水面，桨即离开水无法工作。即无法实现如小水线面船高速掠海飞行。

实施结构还表明：采用泵喷气，翼可垂直合扰的直升机，给储存、起飞带来诸多便利。

由于上述优合组合，使本浅潜水航母整体结构大大化简，一般船厂也能制造。如果有“鹞式”垂直起降的飞机同样可应用于本航母，能大大地提高作战能力。如果常规动力，改为核动力，更能大大提高继航能力和机动能力。如将船甲板制成带7°～15°倾斜角滑跷式甲板，机翼起飞时迎角增大，本航母还可供小型喷气式战机的起降，无疑更能大大提高战斗力！

四、附图说明

如附图1所示，图中(1)为“多级双圆弧高压大流量泵”，安装在船体(2)的尾部，泵和动力装置(3)一起安装在减震垫(4)上，通过减震软管(5)将水送至可调向喷射头(6)。泵另有管路及阀门组(7)，为双水翼潜体(8)进水及排水。双水翼潜体之间有管(9)连通使水位一致。船体(2)顶部设有带滑轨，可向下储藏的起重机(10)，并有指挥塔(11)及人员工作休息室。水翼潜体(8)内分A、B、C三腔，B腔居中储油，A、C为水腔，由泵排水进水平衡船姿，还可借通海阀(12)快速进水下潜。支撑杆或板(13)位于船体与双水翼潜体之间，将两者分开有一定的距离，这样才能如小水线面船，在很小阻力下掠水飞行。

图1编号：(1)多级双圆弧齿轮高压大流量泵；(2)船体；(3)动力装置；(4)减震垫；(5)减震软管；(6)可调向喷射头；(7)阀门组；(8)双水翼潜体；(9)连通管；(10)带滑轨的起重机；(11)指挥塔及人员工作休息室；(12)通海阀；(13)支撑杆或板。

五、具体实施方式

5.1假定参照某核潜艇数据，改为常规动力潜水航母，排水量5500吨，全长106米，体宽10米，水下航速25节，总轴功率15000匹马力，单机7500匹马力。

5.2求推进力。潜水航行要克服水阻力，按牛顿第三定律F＝75N/V，其中N＝7500HP，代入，二台泵可提供2F＝75×7500/12.85×2＝87548kgf＝87.55吨力。潜水航行推重比i＝87.55/5500＝1/62.82。战斗机巡航时i＝1/4，由此可见水中航行推重比，比飞机小得多，毕竟两者航速不同。

5.4按每台泵提供N＝7500HP，泵总效率设为η＝0.83，压强P＝100kgf/cm²选用二级泵，次级分泵齿再减薄约1％来增压，按以下假设可求出泵的流量。

5.4.1首先选定齿轮模数m＝50，齿数Z＝12，节经D＝600，齿厚B＝200，代入泵的几何排量为V_B＝2πm²ZB＝2π×50²×12×200＝37680000mm³＝0.03768m³/r。又当泵转速n＝1000Г/min时，流量Q＝V_B、n、η＝0.03768×1000×0.83＝31.27m³/min取整数30 m³/min。当泵转速再上升，其流量按倍数增加，达超大流量。

5.4.2求泵所需功率。按日本木村·章《机械设计列线图集》第181图，

$N=\frac{10\&times;P\&times;Q}{60\&times;75}=\frac{10\&times;100\&times;30\&times;1000}{60\&times;75}=6666\mathrm{HP}<7500\mathrm{HP}$

上述计算表明泵在1000r/min下，产生压强100kgf/cm²，总效率η＝0.83时，泵的流量30m³/min，所需功率6666HP，今提供7500HP，能够满足要求。

5.5经过上述计算可以确定这是一台，长约120cm，宽约85cm，高约140cm的大泵。

5.6已知潜艇水下排水量5500吨，今假定每只水翼潜体能产生2000吨浮力，双水翼共产生4000吨浮力，余1500吨船载重及船自重由水翼潜体动升力来负担。据此可以大致求出水翼潜体的尺寸大小。

5.7船浅潜时，双水翼潜体进水量多少，航行的操纵性能等均要实际试航中获取数据。航母能运载多少只直升机等亦都有待实际求得。

综上述，航母之梦萦绕已久，建类似美国“企业”号航母特混编队特别庞大，而建本潜水航母，可制成常规动力或核动力轻型或中型航母，能大大减少投资，并且容易制造，是基于本人创新泵及直升机的再创新。

Claims (3)

1、本发明涉及吸收潜艇，航母和现代超高速船三者的优越性，构成“泵喷水推进双水翼浅潜水航母”，适于运载经过改装的“泵喷气推进带固定翼直升机，”其特征在于：以“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”为喷水推进器，置船体内，将水送至与船体分开布置的，双水翼潜体的尾部的可调向喷射头，供喷水推进。泵具多功能用途：以喷水推进为主，亦用于双水翼潜体进水与排水，达浅潜和控制船姿，当水翼潜体全部排水时，船体被推出水面，而喷射头仍在水下喷水推进，构成小水线面船。双水翼潜体亦具多功能用途：除提供浮力、动升力，以很大的支承面稳定船抗击风浪和兴波阻力外，还分腔储油，分腔进排水控制浅潜或浮出水面。

2、根据权利要求1所述，“泵喷水推进双水翼浅潜水航母”的泵喷水推进器的特征是：由专利名“多级双圆弧齿轮高压大流量泵”，申请号200710089932.8所保护。

3、根据权利要求1所述，“泵喷水推进双水翼浅潜水航母”的双水翼潜体的特征是：通过支撑杆或板与上方船体连接，中间有距离；剖面呈飞机翼状，产生浮力和动升力，内分腔存油、储水，并通过泵的进水与排水来控制，达浅潜或船体浮出水面；双水翼潜体之间，有管沟通水位，并构成整体强度。

Images