CN103612738B - 一种喷水推进装置和原动机的匹配方法 - Google Patents

一种喷水推进装置和原动机的匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种喷水推进装置和原动机的匹配方法，属于机械领域。所述方法包括：获取原动机的额定参数和叶轮的设计参数，额定参数包括原动机的额定转速和额定功率，设计参数包括叶轮的设计转速和设计功率，当叶轮的转速为设计转速，叶轮的吸收功率为设计功率时，叶轮的推动功率与叶轮的吸收功率的比值最大；根据额定参数和设计参数，确定第一减速比，第一减速比为原动机和叶轮之间的转速比；采用具有第一减速比的齿轮箱连接原动机和叶轮。本发明可以针对不同的原动机，使用同一种叶轮，通过选择不同的减速比的齿轮箱，达到喷水推进装置与原动机的匹配，实现成本较低，可以得到普遍适用。

Description

一种喷水推进装置和原动机的匹配方法
技术领域
本发明涉及机械领域，特别涉及一种喷水推进装置和原动机的匹配方法。
背景技术
喷水推进装置是船舶推进装置的一种，一般包括推进水泵、管道系统、舵及倒舵组合操纵设备。推进水泵是喷水推进装置的核心部件，推进水泵的叶轮通过传动装置与为其提供动力的原动机连接。当原动机驱动叶轮转动时，推进水泵喷出水流，水流产生的反作用力推动船舶前进。
在船舶行驶过程中，原动机通常以最大转速运行(此时原动机的输出功率最大)，驱动与其连接的叶轮以一个固定转速旋转，当叶轮以该固定转速旋转时，若与该固定转速对应的功率小于原动机的功率，则会造成原动机的功率浪费，而若与该固定转速对应的功率大于原动机的功率时，则会造成原动机过载，进而造成原动机损坏。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
为了使得叶轮以固定转速旋转时对应功率和主机的输出功率相匹配，即原动机的转速为最大转速时，叶轮的功率与原动机的功率相同，会针对不同的原动机，设计不同的叶轮，然而，叶轮的设计难度和成本高、设计周期长，因此，该方法不能得到普遍适用。
发明内容
为了解决现有技术成本高的问题，本发明实施例提供了一种喷水推进装置和原动机的匹配方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种喷水推进装置和原动机的匹配方法，所述方法包括：
获取原动机的额定参数和叶轮的设计参数，所述额定参数包括所述原动机的额定转速和额定功率，所述设计参数包括所述叶轮的设计转速和设计功率，当所述叶轮的转速为所述设计转速，所述叶轮的吸收功率为所述设计功率时，所述叶轮的推动功率与所述叶轮的吸收功率的比值最大；
根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，所述第一减速比为所述原动机和所述叶轮之间的转速比；
采用具有所述第一减速比的齿轮箱连接所述原动机和所述叶轮；
所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
按照如下公式计算所述第一减速比：
i＝n/nD/(PD/P)1/3；
其中，i为所述第一减速比，n为所述原动机的额度转速，nD为所述叶轮的设计转速，PD为所述叶轮的设计功率，P为所述原动机的额定功率；
或者，
所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
将若干第二减速比代入如下公式计算所述叶轮的功率，所述第二减速比为通用齿轮箱的减速比：
P＝PD*(n/i/nD)3；
其中，P为所述叶轮的功率，PD为所述叶轮的设计功率，n为所述原动机的额定转速，i为所述第二减速比，nD为所述叶轮的设计转速；
从计算得到的若干所述叶轮的功率中，选取小于所述原动机的额定功率，且与所述原动机的额定功率差值最小的所述叶轮的功率对应的所述第二减速比，作为所述第一减速比；
或者，
所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
将若干第二减速比代入如下公式，得到若干所述叶轮的功率转速曲线，所述第二减速比为通用齿轮箱的减速比：
P＝PD*(n/i/nD)3；
其中，P为所述叶轮的功率，PD为所述叶轮的设计功率，n为所述原动机的额定转速，i为所述第二减速比，nD为所述叶轮的设计转速；
将若干所述叶轮的功率转速曲线和所述原动机的功率转速曲线绘制在一张图上，并将所述图中，当所述原动机的转速为额定转速时，小于所述原动机的额定功率，且与所述原动机的额定功率差值最小的所述叶轮的功率对应的第二减速比，作为所述第一减速比。
可选地，所述第二减速比包括1.250:1、1.333:1、1.420:1、1.520:1、1.625:1。
可选地，所述原动机的额定功率的范围为100千瓦-250千瓦。
可选地，所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
根据所述额定参数的105％-110％和所述设计参数，确定所述第一减速比。
可选地，所述齿轮箱包括两个齿轮，所述两个齿轮的齿轮数之比为所述第一减速比。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过根据原动机的额定转速和额定功率，叶轮运行效率最高时的设计转速和设计功率，确定第一减速比，并采用具有第一减速比的齿轮箱连接原动机和叶轮，使叶轮的功率与原动机的功率匹配。因此可以针对不同的原动机，使用同一种叶轮，通过选择不同的减速比的齿轮箱，达到喷水推进装置与原动机的匹配。由于齿轮箱的设计难度和成本远远低于叶轮，设计周期也比叶轮短，因此该方法的实现成本较低，可以得到普遍适用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种喷水推进装置和原动机的匹配方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种原动机和叶轮的功率转速曲线的示意图；
图3是本发明实例例提供的另一种原动机和叶轮的功率转速曲线的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本发明实施例提供了一种喷水推进装置和原动机的匹配方法，参见图1，该方法包括：
步骤101：获取原动机的额定参数和叶轮的设计参数。
在本实施例中，额定参数包括原动机的额定转速和额定功率。设计参数为设计叶轮时的目标参数，叶轮的设计目标就是在该目标参数下，叶轮的运行效率最高，运行效率为叶轮的推动功率与叶轮的吸收功率的比值。设计参数包括设计转速和设计功率，也就是说，当叶轮的转速为设计转速，叶轮的吸收功率为设计功率时，叶轮的推动功率与叶轮的吸收功率的比值最大。
可选地，原动机的额定功率的范围为100kW(千瓦)-250kW。该功率范围的原动机属于中小型原动机，相比于大型原动机，中小型原动机由于喷水推进装置和原动机的不匹配造成的功率浪费可以忽略不计，加上叶轮设计的高成本，因此一般中小型原动机与喷水推进装置直接相连，不对喷水推进装置和原动机进行匹配。本发明的实现成本比叶轮的设计成本要低得多，因此特别适用于中小型原动机。
步骤102：根据额定参数和设计参数，确定第一减速比。
在本实施例中，第一减速比为原动机和叶轮之间的转速比。
在本实施例的一种实现方式中，该步骤102可以包括：按照公式(1)计算第一减速比：
i＝n/nD/(PD/P)1/3；(1)
其中，i为第一减速比，n为原动机的额定转速，nD为叶轮的设计转速，PD为叶轮的设计功率，P为原动机的额定功率。
需要说明的是，在该种实现方式中，叶轮的功率等于原动机的额定功率。由于叶轮的功率与转速的三次方之间基本成线性关系，因此可以采用公式(2)表示叶轮的功率与转速的关系：
P/PD＝(n’/nD)3；(2)
其中，P为叶轮的功率，PD为叶轮的设计功率，n’为叶轮的转速，nD为叶轮的设计转速。
又由于叶轮的转速与原动机的转速之间满足公式(3)：
n’＝n/i；(3)
其中，n’为叶轮的转速，n为原动机的额定转速，i为原动机和叶轮之间的转速比(第一减速比)。
因此，结合公式(2)和公式(3)，并进行等式变换，即可得到公式(1)。
在该种实现方式下，原动机的功率转速曲线(即由厂家或设计院提供的原动机外特性曲线)和叶轮的功率转速曲线如图2所示(图2中用实线表示原动机的功率转速曲线，用虚线表示叶轮的功率转速曲线)。需要说明的是，为了便于比较，图2中叶轮的功率转速曲线表示的不是叶轮的转速，而是叶轮的转速与第一减速比的乘积，即在该叶轮转速下，原动机的转速。从图2可以看出，当原动机的转速为最大转速时，叶轮的功率与原动机的功率相同，喷水推进装置和原动机达到了最佳匹配。
在本实施例的另一种实现方式中，该步骤102可以包括：将若干第二减速比代入公式(4)计算叶轮的功率，第二减速比为通用齿轮箱的减速比：
P＝PD*(n/i/nD)3；(4)
其中，P为叶轮的功率，PD为叶轮的设计功率，n为原动机的额定转速，i为第二减速比，nD为叶轮的设计转速；
从计算得到的若干叶轮的功率中，选取小于原动机的额定功率，且与原动机的额定功率差值最小的叶轮的功率对应的第二减速比，作为第一减速比。
需要说明的是，公式(4)是公式(1)的等式变换。
在该种实现方式中，原动机的功率转速曲线和叶轮的功率转速曲线如图3所示(图3中用实线表示原动机的功率转速曲线，用虚线表示叶轮的功率转速曲线，虚线从左到右依次表示第二减速比为1.250:1、1.333:1、1.420:1、1.520:1、1.625:1时叶轮的功率转速曲线)。需要说明的是，为了便于比较，图3中叶轮的功率转速曲线表示的不是叶轮的转速，而是叶轮的转速与第二减速比的乘积，即在该叶轮转速下，原动机的转速。从图3可以看出，当原动机的转速为最大转速时，叶轮的功率与原动机的功率可以十分接近。虽然喷水推进装置和原动机没有达到最佳匹配，但是与采用专用齿轮箱相比，采用通用齿轮箱可以大大降低成本，而且更换方便。
可选地，第二减速比包括1.250:1、1.333:1、1.420:1、1.520:1、1.625:1。需要说明的是，1.250:1、1.333:1、1.420:1、1.520:1、1.625:1是根据实际工作经验获得的，本发明并不限制于此。1.250:1、1.333:1、1.420:1、1.520:1、1.625:1等经验值在实际项目中的使用率较高，能够满足与当前市场上的大部分主流原动机的匹配。采用这些经验值进行齿轮箱的批量制作，一方面可以进一步降低齿轮箱的制作成本，另一方面可以缩短供货期，又一方面可以为故障的齿轮箱提供及时更换，符合实际生产和使用的需要。
在本实施例的又一种实现方式中，该步骤102可以包括：将若干第二减速比代入公式(4)，得到若干叶轮的功率转速曲线；将若干叶轮的功率转速曲线和原动机的功率转速曲线绘制在一张图上(如图3所示)，并将该图中，当原动机的转速为额定转速时，小于原动机的额定功率，且与原动机的额定功率差值最小的叶轮的功率对应的第二减速比，作为第一减速比。该种实现方式可以不计算叶轮的功率，直接绘制叶轮的功率转速曲线选取第一减速比，选取更为直观方便，可以提高选取速度。
需要说明的是，在实际应用中，由于原动机的最大转速和最大功率一般比其额定转速和额定功率高5％-10％，因此为了使船舶在短时间内(如1小时-2小时)获得最好的性能，该步骤102也可以包括：根据额定参数的105％-110％(即额定转速和额定功率同时提高5％-10％)和设计参数，确定第一减速比，充分发挥原动机的性能。
步骤103：采用具有第一减速比的齿轮箱连接原动机和叶轮。
可选地，该齿轮箱可以包括两个齿轮，这两个齿轮的齿轮数之比为第一减速比，可以极大降低齿轮箱的设计难度和成本。
本发明实施例通过根据原动机的额定转速和额定功率，叶轮运行效率最高时的设计转速和设计功率，确定第一减速比，并采用具有第一减速比的齿轮箱连接原动机和叶轮，使叶轮的功率与原动机的功率匹配。因此可以针对不同的原动机，使用同一种叶轮，通过选择不同的减速比的齿轮箱，达到喷水推进装置与原动机的匹配。由于齿轮箱的设计难度和成本远远低于叶轮，设计周期也比叶轮短，因此该方法的实现成本较低，可以得到普遍适用，而且维护和更换方便。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
值得注意的是，本发明为国家国际科技合作专项资助2013DFA80550。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种喷水推进装置和原动机的匹配方法，其特征在于，所述方法包括：
获取原动机的额定参数和叶轮的设计参数，所述额定参数包括所述原动机的额定转速和额定功率，所述设计参数包括所述叶轮的设计转速和设计功率，当所述叶轮的转速为所述设计转速，所述叶轮的吸收功率为所述设计功率时，所述叶轮的推动功率与所述叶轮的吸收功率的比值最大；
根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，所述第一减速比为所述原动机和所述叶轮之间的转速比；
采用具有所述第一减速比的齿轮箱连接所述原动机和所述叶轮；
所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
按照如下公式计算所述第一减速比：
i＝n/nD/(PD/P)1/3；
其中，i为所述第一减速比，n为所述原动机的额度转速，nD为所述叶轮的设计转速，PD为所述叶轮的设计功率，P为所述原动机的额定功率；
或者，
所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
将若干第二减速比代入如下公式计算所述叶轮的功率，所述第二减速比为通用齿轮箱的减速比：
P＝PD*(n/i/nD)3；
其中，P为所述叶轮的功率，PD为所述叶轮的设计功率，n为所述原动机的额定转速，i为所述第二减速比，nD为所述叶轮的设计转速；
从计算得到的若干所述叶轮的功率中，选取小于所述原动机的额定功率，且与所述原动机的额定功率差值最小的所述叶轮的功率对应的所述第二减速比，作为所述第一减速比；
或者，
所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
将若干第二减速比代入如下公式，得到若干所述叶轮的功率转速曲线，所述第二减速比为通用齿轮箱的减速比：
P＝PD*(n/i/nD)3；
其中，P为所述叶轮的功率，PD为所述叶轮的设计功率，n为所述原动机的额定转速，i为所述第二减速比，nD为所述叶轮的设计转速；
将若干所述叶轮的功率转速曲线和所述原动机的功率转速曲线绘制在一张图上，并将所述图中，当所述原动机的转速为额定转速时，小于所述原动机的额定功率，且与所述原动机的额定功率差值最小的所述叶轮的功率对应的第二减速比，作为所述第一减速比。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二减速比包括1.250:1、1.333:1、1.420:1、1.520:1、1.625:1。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述原动机的额定功率的范围为100千瓦-250千瓦。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述额定参数和所述设计参数，确定第一减速比，包括：
根据所述额定参数的105％-110％和所述设计参数，确定所述第一减速比。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述齿轮箱包括两个齿轮，所述两个齿轮的齿轮数之比为所述第一减速比。
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