CN114013618B - 一种分布式驱动的水面船舶推进系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式驱动的水面船舶推进系统及其工作方法，属于分布式驱动的水面船舶设计领域，本发明包括分布式排布的若干喷水推进装置；所述的喷水推进装置包括喷水装置、支撑装置及驱动装置；本发明采用了喷水推进方式，产生的噪音和振动会大大减少。将具有矢量控制功能的喷水推进装置进行分布式排布可以使水面船舶更快速地完成前进、倒退、转弯、侧移等运动，使船舶在遇到特殊情况时能更快地做出反应，从而提高水面船舶的航行效率。

Description

一种分布式驱动的水面船舶推进系统及其工作方法

技术领域

本发明属于分布式驱动的水面船舶设计领域，具体是一种分布式驱动的水面船舶推进系统及其工作方法。

背景技术

目前，传统水面船舶的主流推进方式是螺旋桨推进，其优点在于结构简单，且在船舶中低速前进时具有较高的效率，但在高速航行时，会因为空泡现象加剧使航速受到限制。除此之外，螺旋桨推进工作时产生的噪声较大，且在制动或倒航时需要将转速降至零再开始反转，耗时较长，同时因为螺旋桨位于船尾，导致船舶转弯半径较大。针对螺旋桨推进这些不尽如人意的地方。

发明内容

本发明通过将带有矢量控制功能的喷水推进装置在水面船舶上进行分布式排布，解决螺旋桨推进的水面船舶工作噪声大、转弯半径大、制动或倒航速度慢等问题。

本发明是这样实现的：

一种分布式驱动的水面船舶推进系统，所述的系统包括分布式排布的若干喷水推进装置； 所述的喷水推进装置包括喷水装置、支撑装置及驱动装置；所述的喷水装置包括喷管、转向阀、喷水单向阀、输水管、进水管、水泵； 所述的喷管两端为圆管，中间为球壳，圆管的末端内侧内凹形成平台并打螺纹孔以固定喷水单向阀；

所述的转向阀包括球头以及直管两部分，转向阀的球头被喷管的球壳嵌套，形成球阀；转向阀的球头被剖空的部分成弧线状，两个开口互成90°，竖向的开口通向直管，横向的开口通向喷管；

转向阀的直管下端与输水管嵌套连接；所述的转向阀的直管靠近输水管顶端的位置安装齿轮，该齿轮与第二齿轮啮合；当需要调整喷水方向时，通过齿轮传动使转向阀发生转动，转向阀球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个圆管，从而改变水流从喷管喷出时的方向；

所述的输水管贯穿船体，一端在船体外与水体接触，另一端在船体内；输水管与水体接触的一端与转向阀的直管嵌套，位于船体内的一端与水泵连接，水泵再与进水管连接。

进一步，所述的喷水推进装置为带有矢量控制功能、带有双向喷管的喷水推进装置；所述的分布式排布具体为：在船头的左右两侧安装两个喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力；在船身两侧面的底部安装若干喷水推进装置；船身两侧面的喷水推进装置的喷管朝向平行与船体轴线，负责提供向前和向后的推力；在船尾的左右两侧安装两个喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力；水面船舶前进、倒退所需的推力由船身侧面的喷水推进装置提供，而转弯、侧移所需的推力由船头和船尾的喷水推进装置提供。

进一步，所述的支撑装置包括固定支座、耳片，耳片位于所述的喷管球壳侧下方，耳片与齿轮轴连接，通过耳片固定齿轮轴的上端；所述的喷管为可拆卸装置，拆开喷管安装转向阀，且安装后保持密封；喷管通过固定支座来固定在船体上；所述的固定支座上半段为圆环，与喷管的圆管相连，对喷管起支撑作用，下半段为直杆，固定在船体上。

进一步，所述的齿轮轴为实心圆轴，其上端由喷管球壳上的耳片固定，中部在船体上由一个轴承支座支撑，底端在船体内与电机相连；所述的齿轮轴与第一齿轮相连，第一齿轮与第二齿轮相啮合，在工作时，电机带动齿轮轴转动，从而带动第一齿轮和第二齿轮转动，使转向阀发生转动，从而实现球头的转动，改变喷水方向。

进一步，所述的喷水单向阀为双瓣对夹旋启式单向阀，开启方向朝向喷管，通过螺栓连接于喷管末端内侧喷水口处的平台；喷水单向阀工作时，阀瓣围绕转轴旋转开合，扭转弹簧和单向阀阀壁的凸台限制阀瓣只能进行单方向的开合；在喷水时，喷水单向阀开启，水流从喷管喷出。

进一步，所述的进水管与水泵相连并穿过船体壁板进入水体中，进水管开口朝向船舶前进时的来流方向以提高吸水效率，进水管开口处安装有格栅以防止水体中的杂物进入进水管导致堵塞。

进一步，所述的水泵为轴流泵，安装在船体内，位于船身侧面的底部，与输水管和进水管相连；在工作时，水泵的电机带动叶轮高速旋转，使叶轮内侧的压强减小，水在压强差的作用下从船外通过进水管进入泵体，并在泵体中被喷向输水管，通过输水管被输送到喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力；若水泵从船底直接吸水的效率无法满足船舶推进需要，在船底设置水槽，使用水泵从船底吸水储存到水槽内，在推进时各个喷水推进装置的水泵从水槽中将推向水输水管并从喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力。

本发明还公开了一种分布式驱动的水面船舶推进系统的工作方法，其特征在于，通过在水面船舶上以分布式排布的方式安装若干喷水推进装置，为水面船舶提供前进、倒退、转弯、侧移所需的推力；

在水面船舶需要前进或倒退时，由船身侧面所有的喷水推进装置向后或向前喷水，提供向前或向后的推力；

当水面船舶需要向左或向右侧移时，由船头船尾处的喷水推进装置向右或向左喷水，提供向左或向右的推力；

当水面船舶需要向左或向右转弯时，可由船头的喷水推进装置向右或向左喷水，船尾的喷水推进装置向左或向右喷水，从而提供逆时针或顺时针方向的扭矩；

喷水推进装置在工作时，水泵的电机带动叶轮高速旋转，使叶轮内侧的压强减小，水在压强差的作用下从船外通过进水管进入泵体，并在泵体中被喷向输水管，通过输水管被输送到喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力；其中喷水推进装置的矢量控制功能的实现过程如下：当水面船舶需要不同方向的推力时，由船体内的与齿轮轴相连的电机带动齿轮轴发生转动，从而带动齿轮轴上的齿轮和转向阀的齿轮转动，使转向阀发生转动，转向阀的球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个，最终改变水流从喷管喷出时的方向。

本发明与现有技术的有益效果在于：

本发明的水面船舶推进系统方案采用了喷水推进方式，产生的噪音和振动会大大减少。将具有矢量控制功能的喷水推进装置进行分布式排布可以使水面船舶更快速地完成前进、倒退、转弯、侧移等运动，使船舶在遇到特殊情况时（例如需要躲避障碍物或需要倒航进港口停泊）能更快地做出反应，从而提高水面船舶的航行效率。

附图说明

图1是本发明实施例中带有矢量控制功能的喷水推进装置在水面船舶上的分布式排布的前向视图

图2是本发明实施例中带有矢量控制功能的喷水推进装置在水面船舶上的分布式排布的侧视图，

图3是本发明实施例中带有矢量控制功能的喷水推进装置在水面船舶上的分布式排布的仰视图；

图4是本发明带有矢量控制功能的喷水推进装置结构的主视图；

图5是本发明带有矢量控制功能的喷水推进装置结构的侧视图；

图6是本发明带有矢量控制功能的喷水推进装置立体示意图。

其中，1-喷管，2-转向阀，3-喷水单向阀，4-耳片，5-第一齿轮，6-齿轮轴，7-轴承支座，8-电机，9-水泵，10-进水管，11-固定支座，12-第二齿轮，13-输水管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的水面船舶推进系统方案包括带有矢量控制功能的喷水推进装置(以下简称为“喷水推进装置”)的分布式排布方案和喷水推进装置的结构设计方案。

如图1~3所示，本发明的分布式排布方案：为在船头的左右两侧靠近船身的位置安装两个双向喷管的喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力；在船身侧面底部安装一排双向喷管的喷水推进装置，具体数量由船体尺寸、吨位和总体推进功率需求决定，这些装置的喷管朝向与船体轴线平行，负责提供向前和向后的推力；在船尾的左右两侧安装两个双向喷管的喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力。水面船舶前进、倒退所需的推力由船身侧面的喷水推进装置提供，而转弯、侧移所需的推力由船头和船尾的喷水推进装置提供。

如图4~6所示，本发明的喷水推进装置为双向喷管的喷水推进装置，其主要由喷水装置、支撑装置及驱动装置组成。喷水装置包括喷管1、转向阀2、喷水单向阀3、输水管13、进水管10、水泵9；支撑装置包括固定支座11、耳片4；驱动装置包括齿轮轴6、第一齿轮5、第二齿轮12、电机8。

所述的输水管13是不锈钢材料制成的圆管，一端在船体外与水体接触，另一端在船体内，其结构如图4~5所示。输水管13与水体接触的一端与转向阀2的直管嵌套，位于船体内的一端与水泵9连接。

转向阀2由不锈钢材料制成，可分为转向阀的球头和转向阀的直管两部分，其结构如图4~5所示。转向阀2的球头与喷管1嵌套成球阀，球头被剖空的部分成弧线状，两个开口互成90°，竖向的开口通向直管，横向的开口通向喷管。转向阀的直管下端与输水管嵌套,所述的转向阀2的直管靠近输水管顶端的位置安装第一齿轮5以及第二齿轮12，第一齿轮5与第二齿轮12啮合，第一齿轮5与齿轮轴6相连。第一齿轮5、第二齿轮12相啮合。当需要调整喷水方向时，通过第一齿轮5以及第二齿轮12传动使转向阀2发生转动，转向阀球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个圆管，从而改变水流从喷管喷出时的方向。

喷管1由不锈钢材料制成，其两端为圆管，中间为球壳，其结构如图2所示。球壳将转向阀的球头嵌套住形成球阀，圆管的末端内侧内凹形成平台并打螺纹孔以固定喷水单向阀。球壳在侧下方伸出一个耳片，耳片的作用是固定齿轮轴的上端。喷管可拆开以安装转向阀，且安装后保持密封。喷管通过与圆管相连的固定支座来固定在船体上。

喷水单向阀3为双瓣对夹旋启式单向阀，开启方向朝向喷管，通过螺栓连接于喷管末端内侧喷水口处的平台。单向阀工作时，阀瓣围绕转轴旋转开合，扭转弹簧和单向阀阀壁的凸台限制阀瓣只能进行单方向的开合。在喷水时，喷水单向阀开启，水流从喷管喷出。

固定支座11由不锈钢材料制成，上半段为圆环，与喷管的圆管相连，对喷管起支撑作用，下半段为直杆，固定在船体上。

齿轮轴6是不锈钢材料制成的实心圆轴，其上端由喷管球壳上的耳片固定，中部在船体上由一个轴承支座11支撑，底端在船体内与电机相连。齿轮轴6上的齿轮与第一齿轮5相啮合，在工作时，电机带动齿轮轴转动，从而带动齿轮轴上的第一齿轮5，以及与第一齿轮5啮合的第二齿轮12转动，使转向阀发生转动，从而实现球头的转动，改变喷水方向。

进水管10由不锈钢材料制成，与水泵9相连并穿过船壁板进入水体中，其与喷管之间的相对位置如图2所示。进水管开口朝向船舶前进时的来流方向以提高吸水效率。进水管开口处安装有格栅以防止水体中的杂物进入进水管导致堵塞。

水泵9为轴流泵，安装在船体内，位于船身侧面的底部，与输水管13和进水管10相连。在工作时，水泵的电机带动叶轮高速旋转，使叶轮内侧的压强减小，水在压强差的作用下从船外通过进水管进入泵体，并在泵体中被喷向输水管，通过输水管被输送到喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力。如果水泵从船底直接吸水的效率不理想，无法满足船舶推进需要，可以改为以下方式：在船底设置水槽，使用一个专门的水泵从船底吸水储存到水槽内，在推进时各个喷水推进装置的水泵从水槽中将推向水输水管并从喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力。

以下列举实例叙述本发明的方案：

本例中水面船舶船身长70m，宽16m,将本专利提供的带有矢量控制功能的喷水推进装置安装在水面船舶的船头、船尾和船身侧面。本例采用的单个喷水推进装置的喷口直径为0.45m，喷口射流速度为32m/s,喷口流量约为5.1m³/s。通过将二十四个上述的喷水推进装置在船体上进行分布式排布，通过矢量控制功能可以实现对为船舶的前进、倒退、转弯、侧移等运动提供足够的推力。

如图1~3所示，在船头的左右两侧安装两个喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力；在船身的左右侧面上分别安装一排喷水推进装置，每个侧面上共十个，相邻装置之间的间隔为3.5m，这些装置的喷管朝向平行于船体轴线，负责提供向前和向后的推力；在船尾的左右两侧安装两个喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力。

在水面船舶需要前进（或倒退）时，由船身侧面所有的喷水推进装置向后（或向前）喷水，提供向前（或向后）的推力。当水面船舶需要向左（或向右）侧移时，由船头船尾处的喷水推进装置向右（或向左）喷水，提供向左或向右的推力。当水面船舶需要向左（或向右）转弯时，可由船头的喷水推进装置向右（或向左）喷水，船尾的喷水推进装置向左（或向右）喷水，从而提供逆时针（或顺时针）方向的扭矩。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的系统包括分布式排布的若干喷水推进装置； 所述的喷水推进装置包括喷水装置、支撑装置及驱动装置；

所述的喷水装置包括喷管（1）、转向阀（2）、喷水单向阀（3）、输水管（13）、进水管（10）、水泵（9）；

所述的喷管（1）两端为圆管，中间为球壳，圆管的末端内侧内凹形成平台并打螺纹孔以固定喷水单向阀（3）；

所述的转向阀（2）包括球头以及直管两部分，转向阀（2）的球头被喷管（1）的球壳嵌套，形成球阀；转向阀（2）的球头被剖空的部分成弧线状，两个开口互成90°，竖向的开口通向直管，横向的开口通向喷管；

转向阀（2）的直管下端与输水管（13）嵌套连接；所述的转向阀（2）的直管靠近输水管顶端的位置安装第一齿轮（5）以及第二齿轮（12），第一齿轮（5）与第二齿轮（12）啮合；当需要调整喷水方向时，通过齿轮传动使转向阀（2）发生转动，转向阀球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个圆管，从而改变水流从喷管喷出时的方向；

所述的输水管（13）贯穿船体，一端在船体外与水体接触，另一端在船体内；输水管（13）与水体接触的一端与转向阀的直管嵌套，位于船体内的一端与水泵（9）连接，水泵（9）再与进水管（10）连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的喷水推进装置为带有矢量控制功能、带有双向喷管的喷水推进装置；所述的分布式排布具体为：

在船头的左右两侧安装两个喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力；

在船身两侧面的底部安装若干喷水推进装置；船身两侧面的喷水推进装置的喷管朝向平行与船体轴线，负责提供向前和向后的推力；

在船尾的左右两侧安装两个喷水推进装置，其喷管的朝向垂直于船体轴线，负责提供侧向的推力；

水面船舶前进、倒退所需的推力由船身侧面的喷水推进装置提供，而转弯、侧移所需的推力由船头和船尾的喷水推进装置提供。

3.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的支撑装置包括固定支座（11）、耳片（4），耳片（4）位于所述的喷管（1）球壳侧下方，耳片（4）与齿轮轴（6）连接，通过耳片固定齿轮轴（6）的上端；所述的喷管（1）为可拆卸装置，拆开喷管（1）安装转向阀，且安装后保持密封；喷管通过固定支座（11）来固定在船体上；所述的固定支座上半段为圆环，与喷管的圆管相连，对喷管起支撑作用，下半段为直杆，固定在船体上。

4.根据权利要求3所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的齿轮轴（6）为实心圆轴，齿轮轴（6）上端由喷管球壳上的耳片固定，齿轮轴（6）中部在船体上由一个轴承支座（7）支撑，底端在船体内与电机（8）相连；所述的齿轮轴（6）与第一齿轮（5）相连，第一齿轮（5）与第二齿轮（12）相啮合，在工作时，电机带动齿轮轴（6）转动，从而带动第一齿轮（5）和第二齿轮（12）转动，使转向阀发生转动，从而实现球头的转动，改变喷水方向，所述的齿轮轴（6）、第一齿轮（5）、第二齿轮（12）、电机（8）构成驱动装置。

5.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的喷水单向阀（3）为双瓣对夹旋启式单向阀，开启方向朝向喷管，通过螺栓连接于喷管末端内侧喷水口处的平台；喷水单向阀（3）工作时，阀瓣围绕转轴旋转开合，扭转弹簧和单向阀阀壁的凸台限制阀瓣只能进行单方向的开合；在喷水时，喷水单向阀开启，水流从喷管喷出。

6.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的进水管与水泵相连并穿过船体壁板进入水体中，进水管开口朝向船舶前进时的来流方向以提高吸水效率，进水管开口处安装有格栅以防止水体中的杂物进入进水管导致堵塞。

7.根据权利要求6所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统，其特征在于，所述的水泵为轴流泵，安装在船体内，位于船身侧面的底部，与输水管和进水管相连；在工作时，水泵的电机带动叶轮高速旋转，使叶轮内侧的压强减小，水在压强差的作用下从船外通过进水管进入泵体，并在泵体中被喷向输水管，通过输水管被输送到喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力；若水泵从船底直接吸水的效率无法满足船舶推进需要，在船底设置水槽，使用水泵从船底吸水储存到水槽内，在推进时各个喷水推进装置的水泵从水槽中将推向水输水管并从喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力。

8.根据权利要求1所述的一种分布式驱动的水面船舶推进系统的工作方法，其特征在于，通过在水面船舶上以分布式排布的方式安装若干喷水推进装置，为水面船舶提供前进、倒退、转弯、侧移所需的推力；

在水面船舶需要前进或倒退时，由船身侧面所有的喷水推进装置向后或向前喷水，提供向前或向后的推力；

当水面船舶需要向左或向右侧移时，由船头船尾处的喷水推进装置向右或向左喷水，提供向左或向右的推力；

当水面船舶需要向左或向右转弯时，可由船头的喷水推进装置向右或向左喷水，船尾的喷水推进装置向左或向右喷水，从而提供逆时针或顺时针方向的扭矩；

喷水推进装置在工作时，水泵的电机带动叶轮高速旋转，使叶轮内侧的压强减小，水在压强差的作用下从船外通过进水管进入泵体，并在泵体中被喷向输水管，通过输水管被输送到喷管喷出，水体对喷流的反作用力形成了对船体的推力；其中喷水推进装置的矢量控制功能的实现过程如下：当水面船舶需要不同方向的推力时，由船体内的与齿轮轴相连的电机带动齿轮轴发生转动，从而带动齿轮轴上的齿轮和转向阀的齿轮转动，使转向阀发生转动，转向阀的球头的横向开口从通向喷管的其中一个圆管转向另一个，最终改变水流从喷管喷出时的方向。

Images