臧瑞斌，周剑，辛公正，丁恩宝，彭晓星

(1.常州玻璃钢造船厂有限公司，江苏 常州 213127；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)



高原高速艇半浸桨双速比齿轮箱应用分析

臧瑞斌1，周剑2，辛公正2，丁恩宝2，彭晓星2

(1.常州玻璃钢造船厂有限公司，江苏 常州 213127；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082)

针对高原环境下高速艇半浸桨的双速比齿轮箱选型问题，通过最大航速工况下的小减速比的选取，确定满足最大航速需求的半浸桨方案，根据半浸桨全浸状态下的水动力特性开展不同大减速比下低速起滑性能的比较，优选出低速起滑性能更优的大减速比方案。实船试航结果表明，双速比齿轮箱的应用成功解决了高原高速艇低速起滑的难点，双速比齿轮箱的选型方法可取。

双速比；半浸桨；高速艇；高原

半浸桨在高速航行时，处于通气状态，桨叶不会发生空泡，从而避免了剥蚀和推进效率下降[1]，是一种特别适合用于高原低气压环境下高速船的推进方式。船-机-桨匹配仍然是高原环境半浸式螺旋桨设计的关键技术，采用半浸式螺旋桨的高速船，起滑过程是一个重负荷的工况，为了冲过阻力峰，此时螺旋桨转速比较低，平原环境下的高速船也有因为无法克服阻力峰而导致船舶无法达到设计航速的案例，通过改变滑行状态姿态，如增加可调艉板或给螺旋桨通过减小螺旋桨负荷的方法可以改善船的起滑性能[2]。高原环境下，在起滑阶段，由于螺旋桨转速比较低，对应于低转速的主机工况，此时进气量远低于平原工况，主机输出功率下降很大，极易造成无法提供螺旋桨所需要的功率而发生起滑失败。采用双速比齿轮箱可有效改善起滑性能，起滑前采用大减速比，可使主机工作在高转速工况，起滑后再调整到小减速比，兼顾了起滑前后主机桨匹配的矛盾。因此考虑高原环境的影响规律，针对双速比齿轮箱应用选型开展分析。

1 高原环境的影响

1.1 高原环境对主机的影响

主机作为驱动螺旋桨旋转的动力源，是船-机-桨三者匹配的重要因素。高原环境由于低气压的特点，进气量小于平原状态。对于额定转速附近的高转速工况，增压器工作效率损失较小，主机功率下降较小。对于低转速工况，由于增压器工作效率很低，进气量损失很大，因此低转速工况主机功率下降剧烈。见图1。

图1 主机在平原及高原环境下的外特性曲线

高原环境半浸桨的水动力性能包含起滑前和起滑后2个状态。

起滑前半浸式螺旋桨全部浸没于水中，此时为全浸状态。全浸状态下，半浸式螺旋桨水动力性能与其空化程度密切有关，半浸式螺旋桨全浸状态下不同空泡数的转矩系数见图2[3]。由图2可见，随着空泡数的降低，转矩系数有下降的趋势，空泡数越低，下降越明显。

图2 下不同空泡数对半浸式螺旋桨转矩系数的影响(全浸状态)

对于起滑后的滑行状态，此工况对应半浸式螺旋桨的设计工况，桨处于通气状态。半浸桨工作在自由表面附近，桨叶剖面不断出入水形成通气状态，与常规螺旋桨出现的蒸汽空泡有很大的区别，尽管表征这2种现象的相似参数目前都采用空泡数，空泡数是半浸式螺旋桨模型试验重要的相似参数。为了研究空泡数对半浸式螺旋桨水动力在半浸状态下的影响规律，设计模型试验[4]，采用等车速变转速进行，即保持傅氏数不变从而试验结果不含傅氏数的影响，便于试验结果分析。车速定为6.0 m/s，通过调整螺旋桨转速获得不同的进速系数，通过调节水池压力获得不同的空泡数。部分试验结果见图3。

图3 不同空泡数半浸式螺旋桨水动力性能曲线(半浸状态)

由图3可见，在试验进速系数范围内，越过最大效率点对应的2个大进速系数点，空泡数有较大影响，而设计点的进速系数都小于最大效率点对应的进速系数，其他进速的空泡数对半浸式螺旋桨水动力性能影响都不大，可以忽略[5]。因此，从工程运用来看，高原环境低气压对半浸式螺旋桨半浸状态影响不大，设计时可以忽略[6-7]。从这一点上看，相比于常规螺旋桨在高原环境下伴随的推扭力和效率的下降以及极易伴随的空泡剥蚀问题，半浸式螺旋桨本身的性能受高原环境的影响较小，有明显的应用优势。

2 双速比齿轮箱的选型论证方法

选型时需要分别针对2级减速比开展论证及分析，从中选择出更加合适的双速比组合。艇体阻力特性见图4。

图4 高速艇阻力特性

由图4可见，在19 kn附近存在一个阻力峰值，给高速艇起滑带来一定的困难，同时考虑主机在低速段的特殊性，需要权衡考虑低速起滑与高速工况下的影响开展选型分析。选取大减速比时需保证高速艇在采用大减速比可越过低速阻力峰值；而小减速比选取时则需考虑高速艇在完成越过阻力峰在减速比变换成小减速比后，高速艇在小减速比状态下仍能满足主机功率高于半浸桨功率需求。

齿轮箱的选型关键考虑选择半浸桨驱动装置的最大转矩承受能力。而半浸桨装置收到的转矩主要来源是主机通过轴系及齿轮箱传递的，因此半浸桨驱动装置的最大转矩可通过主机特性粗略估算。不同转速下最大转矩的估算方法见图5。

图5 最大转矩估算

2.1 小减速比的评估

首先从高速工况考虑小减速比，即齿轮箱第二级减速比的选取。分别评估了1.400，1.480及1.572三种减速比下半浸桨方案的最大航速(见表1)，评估相应方案在高原环境下的起滑性能，结果见图6。评估结果表明，采用单减速比时，可以满足高速需求；但在高原环境下，全浸状态时，主机转速高于1 600 r/min时，主机功率满足半浸桨的功率需求，而当主机转速低于1 600 r/min时功率下降剧烈，明显不能满足半浸桨的功率需求。因此，单减速比方案不能满足该艇低速起滑的需求。

总的来说，在初中数学教学中发挥学生的主体性，是需要我们教师结合不同的教学模式与方法才能获得的，同时他们的主体性得到激发才能够获得更好的教学效果。为此我们数学教师应重视这个过程，并认真反思自身的教学行为，这样学生的主体性才能够得到进一步的增强。

表1 不同减速比下航速评估

图6 高原环境下三机方案低速下半浸桨功率需求与主机功率比较

由表1可知，随着减速比增加，半浸桨的直径有所增加，效率略有提升，同时半浸桨驱动装置的承受能力需要越大，因此第一减速比取小减速比取1.400附近可满足高速工况要求，半浸桨敞水效率ηo可达0.68左右，但在主机转速低于1 600 r/min时主机无法满足半浸桨的功率需求，无法完成起滑。

2.2 大减速比选型分析

对于大减速比的选取，由于半浸桨驱动装置的转矩限制不宜选取过大，因此需要从驱动装置能力、起滑性能两方面考虑选择一个合适的大减速比，即第一级减速比。图7给出了第一级减速比分别为1.706，2.033，以及2.407下低速下半浸桨功率需求与主机功率比较。由图7可见，随着减速比增加，半浸桨的起滑性能明显改善，但从驱动装置的实际能力考虑，减速比不宜过大，否则驱动装置的转矩承受能力需要增加，驱动装置重量大大增加，同时减速比过大往往容易导致半浸桨过轻，吸收不了主机功率，不能充分发挥主机特性，因此在选取大减速比时需要兼顾这些因素，保证高速艇使用大减速比时可越过低速阻力峰。

图7 不同大减速比方案下低速下半浸桨功率需求与主机功率比较

3 方案设计及实艇验证

目前还没有专门针对高原环境开发相应的主机。为节约成本，应用到高原上的主机必须进行高原环境适应性改造，可考虑增加进气量的装置，见图8。

图8 主机在低速段高原适应性改装后的外特性曲线

与平原环境相比，在高原环境下，当主机转速低于1 600 r/min左右时，主机功率随着转速的降低急剧减小(见图1)。由在高的主机转速下，主机功率略微高于平原情况。而图8可知，经过改装，低速段的主机特性有所改善，但相比平原下还是有所不足。为此，针对高原环境改装主机，开展半浸桨方案设计及齿轮箱的选型设计，半浸桨方案见图9。

图9 半浸桨方案

根据采用双速比齿轮箱的选型论证方法针对某高原高速艇开展半浸桨推进方式双速比齿轮箱的选型，小减速比取1.386，大减速比取1.769，见图10，完成了实艇试航。由图10可见，原先采用1.386的减速比方案在航速18 kn以下主机功率无法满足半浸桨功率需求，在航速大于20 kn时主机功率则满足半浸桨功率需求，采用大减速比1.769后，20 kn以下的低速起滑性能明显得到改善。因此在20 kn以下采用大减速比，当航速达到20 kn时，通过减速比变换成小减速比，可保证在整个航速段主机功率满足半浸桨功率需求。

图10 低速时半浸桨不同减速比下主机所需功率曲线(全浸状态)

进行高原环境下实艇双速比联调试，高速艇在高原成功完成了起滑[8]。实艇不同时间下航速变化情况及双速比的联调情况见图11。

图11 高原环境下高速艇双速比联调试验

由图11可见，速度随着时间变化比较平缓，高速艇起滑比较顺利，初始阶段经过约20 s后由大减速比变换小减速比，顺利完成齿轮箱的换挡，艇体完成起滑,验证了双速比齿轮箱的选型方法在高原高速艇半浸桨推进方式中的应用是可行的。

4 结论

1)高原环境对主机低速特性影响较大，在半浸桨匹配设计过程中需要重点考虑，可以进行主机在低速段的高原适应性改装，采用双减速比齿轮箱可显著改善低速起滑性，便于高速艇越过低速阻力峰值。

2)当高速艇采用的主机在低速段的功率特性不佳的情况下，采用双速比齿轮箱是解决高速艇低速起滑问题的良好手段。

3)双减速比齿轮箱工作时，2个速比差距越大，越有利于降低半浸桨负荷，但减速比太大低速下不利于发挥主机性能，在选取双减速比时需要权衡低速及高速工况要求，保证采用大减速比可越过低速阻力峰，同时在减速比换挡时保证双减速比均可满足主机功率要求，从而使得在整个航速段满足主机功率高于半浸桨需求功率。

[1] ALEXANDER S. Achkinadze.supercavitating, highly cavitating and surface piercing propellers design[J].FAST,2005,89-90.

[2] 丁恩宝，唐登海，周伟新.半浸式螺旋桨研究综述[J].船舶力学，2002,6(2):75-77.

[3] 吴幼华，周伟新.半浸桨试验方法研究[R].无锡：中国船舶科学研究中心,1997.

[4] 吴幼华，周伟新.不同空泡数下的半浸桨水动力性能研究[R].无锡：中国船舶科学研究中心,1998.

[5] 刘绍宗，朱恒顺.部分浸水螺旋桨的系列化特性[R].无锡：中国船舶科学研究中心,1989.

[6] HADLER J B, HECKER R. Performance of partially submerged propellers[C]. Proceedings, Seventh Office of Naval Research Sympo-siumon Naval Hydrodynamics,Aug.1968.

[7] 王国强，贾大山，盛振邦.部分浸水通气螺旋桨水动力性能[J].中国造船,1990：109-110.

[8] 周剑，丁恩宝.新型高原高速艇半浸桨关键技术总结报告[R].无锡：中国船舶科学研究中心,2013.

Application of Double-ratio Gearbox in Surface Piercing Propeller of High Speed Craft in Plateau

ZANG Rui-bin1, ZHOU Jian2, XIN Gong-zheng2, DING EN-bao2, PENG Xiao-xing2

(1.Changzhou Fiberglass Shipyard Co., Ltd., Changzhou Jiangsu 213127, China;2.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)

To analyze the type selection of the double-ratio gearbox for the surface piercing propeller (SPP) of high speed craft in plateau, the scheme meeting the maximum speed demand was made during choosing the small reduction ratio. Meanwhile the big reduction ratio was optimized by comparative analysis of planning performance under low speed of different big reduction ratios. The results of ship trial showed the application of the double-ratio gearbox in SPP of high speed craft in plateau meets requirements of both the low speed and high speed, and the method is validated.

double-ratio; surface piercing propeller; high speed craft; plateau

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.027

2016-09-14

国家自然科学基金(11332009)

臧瑞斌(1976—)，男，学士，高级工程师

研究方向：船舶总体

U661.43

A

1671-7953(2017)04-0122-04

修回日期：2016-10-10