CN1944183A - 气垫变翼喷水推进小水线面船艇 - Google Patents

Abstract

本气垫变翼喷水推进小水线面船艇是综合各种新型高速船的优点，借本人已创新的高效率大功率的“双圆弧齿轮叶片泵”(专利申请号03106225.3)应用在本新型高速船里，用于比螺旋桨有更高效率的、不会产生空泡现象的喷水推进；及喷气产生气垫，变水翼协助产生升力，使船能获得类似小水线面双体船同样的“全海候”、不晕船的宝贵优点及高的航速。本新型高速船既吸取了小水线面双体船的优点，同时改变以板固定在双体大浮筒上，成为四连杆机构铰链支承，液压控制定位，借此平衡船的仰角；将双体大浮筒隔仓，使前后隔仓可控制进水量，配合变水翼达到浅潜；四连杆内的船下，置柔帘形成气垫密封。更重要是：改变小水线面双体船的“双轴双桨”极复杂的机械传动为极简单的泵喷水推进，因而大大简化船内机械设备，大幅度地降低制造成本及安装难度；又因为气垫和水翼的动升力，已承担约30％的船重，使船整体重量大幅下降，有利于高速航行和掠水飞行。此外新型优质轻型材料在本船中大量采用，也是船获得低油耗、低运费、低建造维修费等经济效益的关键所在。

Description

气垫变翼喷水推进小水线面船艇

本发明涉及一种应用高效大功率“双圆弧齿轮叶片泵”专利申请号03106225.3，为动力喷水推进，气垫助升，变水翼产生动升力或动降力或阻力制动的小水线面双体船或浅潜艇的结构，实现渐进性创新。

公知，船以浮力支持航行，以螺旋桨推进，这是传统排水型单体船，其经济性好。但是随着现代海上交通运输高速化、舒适化的要求，以传统航行理论造船已经不能满足诸多的新要求、高要求，必须创出具有划时代高性能的船。

浮力支持排水型船增大航速后，阻力成分中的磨擦阻力与粘性阻力同船速的平方成正比地增大，而兴波阻力增大得更快，因而必须大幅度地增加驱动马力。此外还带来大的波浪力，使船发生激烈纵横摇摆和升沉垂荡，晕船将使人难以忍受，其适航性不好。于是，出现许许多多新概念的高速船，诸如冲翼船、全垫升或侧壁式气垫船、小水线面双体船、混合式水翼船、冲翼或动力增升式高速地效翼船、双(三)船体，等等，另人眼花缭乱，目不暇接。当航速超过V＝3.7D^0.1667时，或25节以上时，通常可称高速船。

纵观各种新型高速船都有许许多多宝贵的优点，但也有不少难以克服的缺点。例如水翼高速船的优势在水翼有很大升阻比，是一种高效率的流体动力部件。水翼船在正常航行时，水翼完全浸入水中，对波浪的衰减力大，可减低船的摇摆，升力与速度平方成正比，提高船速时，采用水翼小型化，不会增加阻力，即阻力与速度无关，与升力成线性关系。但是水翼船需要复杂的自控技术和成本高，船大型化时与排水型船相比阻力变大。另外，单位面积的翼面荷重也有限，使以升力支持方式的船大型化受到限制。

气垫船是公知的新型高速船，以气垫支持方式将船体通过空气压力浮在水面上航行。气垫船在高速航行时，兴波阻力小，空气的润滑作用使摩擦阻力大幅降低，但是船体紧贴在水面上，易受波浪的影响，适航性难以改善。气垫船对船体重量的支持力，与气垫的面积成正比，船体大型化时支持力与船体尺寸平方成正比，船体重量与尺寸立方成正比，这样的平方、立方法则，使船体大型化受到限制。气垫船经济性差，“消耗燃料过多，很难在载货量和续航能力方面得到船主的认可。”

小水线面双体船在保持高航速下，有“全海候”、不晕船的极其宝贵的优点，它是高科技、高性能、多功能船，正处于开始推广应用时期。国内首艘双体小水面海关艇“海关201”，取得可喜的科技成果，所“采用每台功率1086千瓦双轴双桨推进，设计最大航速18节”。

台湾研究成功的新型地效翼船掠水每小时达95千米，离水掠飞达每小时250千米，“较传统船舶快4-10倍，较气垫船及水翼船快两倍以上，同时更具有低油耗、低运费、低建造维修费及易驾驶操作等效益，且极具军事潜在用途。”

本专利是综述各新型高速船并吸取其优点，提出本发明目的是：应用本人已创新的“双圆弧齿轮叶片泵”专利申请号03106225.3为喷水、喷气动力，安装于船上喷水推进和形成船下气垫；其船型吸收小水线面双体船先进构造；并在该船下双体(大浮筒)的外侧设变水翼，提供可变化的正升力、负降力、制动阻力或转向阻力；并借双体进水达下潜。

本发明是通过以下原理与结构来逐步实施的。首要问题是阐明采用本人创新泵的理由与原理。本泵以喷水取代小水线面双体船所采用的“双轴双桨”驱动，可以克服该船型目前存在的“结构重量大，动力装置布置困难”、“船体结构复杂，重量比相当排水量的单体常规船大”、“双体配套设备量大，控制系统较复杂，造价相对高”等关键性问题。因为，“双轴双桨”驱动是布置在船下二个大浮筒的后部，从发动机到螺旋桨要经过减速、变速，传动链很长，带来的难度也很多，而改为喷水，只要用一条减震软管，将仓内泵与浮筒后部的喷头连接起来就可以了。许多局限于机械传动，所带来的问题都不存在了，设备数量大幅减少，重量也大大减轻，对改善高速航行性能十分有利。

本泵仅由五只关键件，即泵壳、轴承座、齿轮、轴及叶片构成。其中，泵壳、轴承座用铝压铸成型之后，基本上不必再机械加工。齿轮由新型优质塑料制造，传动无噪声，并具自润滑性。叶片用优质塑料模压或拉伸成型。本泵与其他各类泵和空压机相比，构造是极其简单，并且易制造。

本“双圆弧齿轮叶片泵”是容积泵能获高压，还可用于“计量泵”。当齿轮的齿数减至10-12齿时，仍然不会发生类似渐开线齿轮那样的“根切”现象，齿顶宽可增设叶片，以提高动密封性能。减少齿数，增大模数，齿间隙增大，可以获大的输送流量。例如，当模数m＝30毫米，齿数z＝12，齿宽B＝200毫米时，每转的输出量为0.013345m³，当齿轮泵转速n＝1500r/min时，流量达v＝20m³/min。喷水船结构上，左右各有一根喷管来同时推进，即可获多达每分钟40吨高压水的驱动力。压力高低与配套动力相关，在流量不变的前提下，配套动力愈大压力也愈高。当齿数不变，模数增大，齿增宽，可设计出每分钟能产生几百吨高压射水的大型泵，足以推动大型船艇高速前进。本泵更可贵是：可以喷水，也可瞬间改变为喷气，即为空气压缩泵。

本泵为适应船用的需要，设计成——同轴传动四并联装泵，即有四台分泵，穿在二根平行轴上，各自独立输送介质。其中二只参数完全相同的分泵，向船下双体(大浮筒)尾部喷水，使船获得绝对相同的二个平行推力。另二只参数相同的分泵，向船底部喷气，形成气垫，构成左右二侧平行向下相同的升力。显然，这种布局是一泵借分路配给两管，所无法达到的绝对相同；而一只泵能同时输水为水泵与输气为空气压缩泵的多并联的结构也尚属空白。

本泵从性能上看，比油田注水泵——DF系列多级离心泵的效率高出25～30％，结构更简单可靠。离心泵是非容积泵，要靠8至12级，逐级来增压，才能获得高压和大流量，因而效率低下，长期运转浪费能源十分惊人！本泵比油田用“对秤平衡四列活塞式天然气压缩机”，在原理上实现“以旋转代替往复”，符合现代机械的设计正确方向。因活塞往复运动，惯性力与速度平方成正比增大，限制了高速和高效率及体积小型化，压缩机极易损坏，油田往往以一备一开状态，来确保连续工作。

上述反复比较各类泵、空压机的优缺点，目的是阐明高速船选用泵的重要性。日本七大造船企业，历时六年联合攻关的“TSL——新型超高速船”开发中，就十分重视“高效大功率水泵的开发”，被列为四个攻关课题之一。这是因为新型高速船采用“喷水效率比螺旋桨效率更高，且没有空泡现象，更适于高速船”，从中可知选泵有何等重要！

在阐明采用本泵的理由与原理之后，进而说明本发明结构如何实施。实施步骤之一，是将本泵安装在小水线面船体的发动机仓里，与发动机直联，并装在有橡胶吸震垫上，再经液压吸震床二次减震，以柔性管输出，减少震动和噪声的外传，是机械传动无法达到的防震和减噪声的优越之处。泵是根据船的工作需要，设计成四联分泵，两联用于水泵，两联用于气泵。水泵用于船底喷水。气泵用于形成气垫。在小水线面双体船底下，有称为“双体”的二只大浮筒，以四连杆加液压机构用于支持船，将船体托出水面之上。在双体(大浮筒)尾部原来设有二只机械传动的螺旋桨，现在去掉改设二根喷水管。然后，从二分水泵各接一根减震软管至左右二喷管，即形成喷水推进。引水管道上有阀门，当船需要某向转弯时，先打开某向侧喷管，然后再关直管，即能使船迅速转弯，省去船舵。双体大浮筒能在四连杆和液压机构控制下摆动，借此调节船艇仰角为零。在高速下双体大浮筒能产生动升力，配合气垫，将船托出水面。

二联分气泵，通过减震软管，将气分送至船底下左右二侧的气垫喷头。为了船下能形成气垫的密封空间，船体与双体大浮筒之间用柔性隔板连接，不使气侧向外溢。柔性隔板不会妨碍双体大浮筒前后摆动。本设计方案气垫仅承担一部分船重(约15～20％)。既吸收了气垫船的优点，又克服船底部与海面直接接触，受冲击船适航性变差的缺点。换言之，过大的气垫将使小水线面双体船的优越性丧失殆尽。二联分气泵还有更多的用途：当停止用气垫，可改向船尾喷气推进，即形成船水下二股强力水流推进与船尾二股强大气流推进。

假使船变为浅潜艇，要求有一个下沉的力，这个力来自变水翼，及双体大浮筒前后仓进水(中仓为气仓，确保艇只能浅潜)。变水翼设在双体大浮筒的外侧，每侧各半爿，左右合成一个水翼。水翼一面呈弧形，一面扁平，弧形如机翼能产生动升力。变水翼能旋转，由液压机构控制，停留在三个方位。第一位置是产生正升力，供船水面航行时，分担船重约10％左右。第二位置转过180°产生负升力，是船变浅潜艇时提供下沉的降力。第三位置是转90°水翼成垂直使船制止前进。当一侧转，另一侧不转，使船艇转向，其功能与关掉船下一侧喷水管的转向作用是相同。船变浅潜艇时，双体大浮筒动升力与变水翼动降力，处于相互抵消状态。如果专为浅潜艇设计，不可能发生。

综上述，小水线面双体船下面的双体大浮筒仅承担船重的70％左右，大浮筒尺寸因而可缩小，重量也减轻，与上述去掉螺旋桨的机械传动减轻自重的作用合起来，能达到减轻船重的目的。那么，另外30％的船重如何分配？其中的20％由气垫航行中承担，10％由变水翼动升力承担。船停泊时水线将因此稍下沉，船起航后即上升，这对使用没有什么不利。此外，将船体下的大浮筒，分隔成仓，前后仓进水可配合变水翼产生动下降压力，使艇迅速下潜；还可借此调节艇的仰角为零。

由于综合措施减轻了船重，为本船离水掠飞成为可能。离水掠飞时，原喷水分泵改为喷气推进，气垫承担船的大部分重量，变水翼分担少部分动升力。发动机提速，提供更多的高压气流。空中掠水飞行如何控制航向？同样可用关闭某侧喷气管的方法。如船浅潜变为潜艇，仓面应相应进行特殊防水等一系列配套设计，且浅潜艇只有高速航行时，变水翼产生动下降力才能实现，停泊即浮向水面。船变浅艇时，双船体大浮筒的前后两端设置进水控制装置，达到下潜进水。浮筒中间仍为空气罐，有较大浮力，不致艇深潜。艇掠飞，即可放出上述进水。

此外应用新材料、新工艺能极大地提高新型船艇的航行性能，达离水掠飞。例如<1>GLARE层板由高强度铝合金薄板与高强玻璃纤维增强胶粘剂层，交替层压而构成，有综合优良的力学性能，是新一类航空结构材料。我国民用客机、运输机上及军用飞机上都采用了玻璃纤维增强材料。我国今年将完成神舟6号飞船的总装，可以肯定，玻璃纤维复合材料又将作出新贡献。所以本船艇中也应大力采用这类新材料，使新型高速船具重量轻、强度好、航速高、耗油低、运费低，建造维修费用低等优良性能，实现离水掠飞。<2>纳米级玻璃纤维棉是1％玻璃包裹99％空气的优质绝热吸音材料，在500～4000Hz内的吸音系数应高达0.9以上。用于本船艇輪机仓的吸音和隔热，能大大改善船艇的性能，供艇下潜时可减少水下的噪声。海下噪声每减6分贝，对方被动声纳可减少一半的探测距离，当降至90分贝以下，在大海环境里，已基本属于无声，能大大提高生存能力。<3>用磨碎玻璃纤维去填充聚四氟乙烯(F₄、F₄₆、)，增强尼龙、PP、ABS、环氧及酚醛，可明显改善制品的刚度、尺寸稳定性和耐冲击强度、抗裂性、耐磨性。本泵所用双圆弧齿轮、叶片就是用这种新材料制成。还有泵壳管道零件、喷头等都可应用它减轻重量。<4>磨碎玻璃纤维还能用于静电喷涂的涂料的增强剂，是一个很值得深入研究的课题。因为本人申请“二次旋转雾化的静电喷枪头”，申请号200520109300X，申请日2005年6月3日，表明希望研制以磨碎玻璃纤维来增强防雷达电磁波的新型涂料，并应用静电喷枪的设备提高喷涂作业的质量和效率。这种涂料一旦获得成功，可用于本船的外壳的隐形工艺。总之用新材料、新工艺提高新型高速船的性能的实例不胜枚举。所以，要研制新型高速船艇是一个系统工程，不仅仅只是船艇本身如何合理设计，还涉及诸如发动机的配套、操纵控制装置的配套、仪器仪表的配套以及新材料如何优化组合选用等等。

以下再结合实施例，进一步阐明本发明的结构，如附图1所示

船体 1由支撑四连杆机构 9铰接在双体大浮筒 8上，可前后摆动，借此调节船艇的仰角为零。与一般小水线面双体船相比区别是大浮筒可摆动位移，且浮筒减少约30％的浮力，重量因而变轻。停船时壳体部分入水，高速航行时升起，达到“全海候”、不晕船的优越性。支撑四连杆机构 9分左右两组，内以柔帘形成类似侧壁气垫船的空间结构。每组四连杆四周，供水通过；杆设计成流线型截面，减少水的阻力。

发动机 2与“双圆弧齿轮叶片泵” 3直联，因属空载启动可直联，并借发动机的调速来调节泵的转速，当然也可另加变换传动装置；整体先装在橡胶垫上，再装在液压吸震床上，如 11所示意。经二级防震，介质以软管输送，震动和噪声已降至较低。

泵 3有A、B、C、D四分泵，并联安装同轴传动。A、D分泵借吸震管 4将水送至设在双体大浮筒 8尾部的喷水管 6，形成二平行向后喷水推进的装置。当一喷管改变90°侧喷，船即转向。如图1中，先开A₂阀，后关A₁阀。

B、C分泵借吸震管，将气送至设在船下的喷头 10，形成气垫。也可以送至船尾喷管 5，形成水面喷气推进。变水翼 7以可旋转，连接在双体大浮筒 8的外侧，并用液压控制机构控制和变位，第一位置使翼面产生正升力，第二位置是前者转180°产生负降力，第三位置是转90°产生阻力，使船减速停下。

图示双体大浮筒 8有M、N、P三个分隔仓。其前仓M和后仓P，还接有管道和阀门E、F，是借进水调节船的平衡。当进水量加大时，也能使船变为浅潜艇。因为，中间隔仓N是气罐，体积大，确保艇安全浅潜。

当发动 2提速，泵 3能产生更强大的气量，使船离水面掠飞。气垫托起船重，因离水喷水管 6变成喷气推进。为了达到水面掠飞，前面已述，已尽量采用新型优质轻材料。

综上述，本新型高速船是本人已创新的高效大功率泵的实际应用，是渐进性创新，盼创出具划时代意义的高速船艇。

附图 1所示：船体 1、发动机 2、双圆弧齿轮叶片泵 3、吸震软管 4、船尾喷管 5、双体大浮筒喷管 6、变水翼 7、双体大浮筒 8、支撑四连杆机构 9、船下喷管 10、二级防震示意 11。

Claims (8)

1、本发明涉及一种气垫变翼喷水推进小水线面船艇，其特征在于：船艇内装“双圆弧齿轮叶片泵”专利申请号03106225.3，为适应船用的需要，设计成——同轴传动多并联装泵，多台分泵，穿在二根平行轴上，分别用于向船下双体大浮筒尾部喷水推进；用于船底部喷气，形成气垫；在双体大浮筒的外侧有半爿“变水翼”产生动升力、或动降力、或阻力使船减速停下。

2、根据权利1所述气垫变翼喷水推进小水线面船艇的传动特征在于：改变小水线面双体船所采用双轴双螺旋桨的机械传动装置为泵喷水推进，用减震软管连接泵出口和双体大浮筒的尾喷管、船下喷管、船尾喷管、简化动力装置，结构重量随之减轻。

3、根据权利1所述气垫变翼喷水推进小水线面船艇被称为双体的大浮筒特征是：比一般小水线面双体船的双体大浮筒，承载能力下降约30％，自重随之减轻，余约30％承重由气垫和变水翼产生动升力来分担。

4、根据权利1所述气垫变翼喷水推进小水线面船艇的水翼特征在于：可旋转，连接在双体大浮筒的外侧，左右各半爿，用液压机械控制变位；亦可简化，将水翼固定，仅用于产生动升力或动降力。

5、根据权利1所述气垫变翼喷水推进小水线面船艇的气垫特征在于：可改向引至船尾喷管，供喷气推进。

6、根据权利1所述气垫变翼喷水推进小水线面船艇的特征还在于：当双体大浮筒前后二端隔仓进水，可配合变水翼产生动下降力达浅潜；中隔仓为气仓，满足浅潜浮力。

7、根据权利1所述气垫变翼喷水推进小水线面船艇的特征还在于：发动机提高速，泵能产生更多高压大流量的气体，使气垫的作用加强；并因上升双体大浮筒尾喷水管改为喷气管，在两者的共同作用下，船离水掠飞；这时变水翼也产生动升力，协助掠飞。

8、如权利1所述本气垫变翼喷水推进小水线面船艇的特征还在于：双体大浮筒由四连杆机构支撑，在液压机构控制下可摆动定位；双体大浮筒筒与船底之间有柔性隔帘，适应四连杆摆动达密封，形成气垫；也可简化，将连杆固定，并省去液压机构，此时靠前后二端隔仓进水量的多少，来调节船艇的平衡。

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