多級雙圓弧齒輪泵用於艦船噴水推進器的製作方法
2023-09-14 23:29:25 1
專利名稱：多級雙圓弧齒輪泵用於艦船噴水推進器的製作方法
技術領域：
本發明涉及將"多級雙圓弧輪高壓大流量泵，"整體安裝在大型艦 船，供噴水推進取代螺旋槳，尤其使核潛艇改善靜音效果、高航速、 降能耗，提高隱蔽機動性，使本泵噴水推進器成為可普遍採用的新型 高效、節能的推進方式。
二背景技術：
2.1據2007年5月10日新華社電"噪音比小鯨魚的動靜還小， 可在水下連續巡航25年，英國新型核潛艇揭開面紗。"報導了英國海 軍"機敏"級核動力攻擊潛艇，是迄今世界上隱蔽性最好的潛艇，排 水量達7800噸，能攜帶38枚戰斧式巡航飛彈，其射程約為2252公 裡，要耗資72億美元，建造3艘。目前世界上只有美、俄、英、法、 中五國，擁有戰略飛彈核潛艇和攻擊核潛艇。用泵噴水推進核潛艇， 可獲得戰術需要的隱蔽機動性，適宜在惡劣海域作低噪音機動。"機 敏"級核潛艇的噪聲，如此之低是否用泵噴水推進器？
2.2美國"海狼"級核潛艇泵推進器，"轉速在130轉/分左右"， 並採用七葉側斜螺旋槳，以提高效率，降低渦流的噪聲。槳速為此之 低，卻要推進萬噸船高速前進，其槳徑勢必很巨大。假定配3萬匹馬 力，在130轉/分下，槳軸直徑按0=71.5/^77^推算達620毫米(取 [t卜350kgf/cm2)。整體結構還可通過相關圖片上看到，是七葉槳外，增設用於屏蔽噪音的巨大環狀導管，有前置定子。螺旋槳要提高轉速，
其功率按三次方函數劇增，以公式表示N,/N^ (n，/n。) 3。例如， 轉速n。從130轉/分，提高3倍至iM390轉/分，功率從No要增至N, 33=27倍，這是鐵律！這也是為什麼螺旋槳推進要配強大功率的原因。 凡按離心力作用的離心泵、直升機螺旋槳，其功率與轉速之間都是遵 照此三次方函數關係，而本泵是容積泵，不受此規律約束，因而可大 幅節能。
2.3日本TSL——新型超高速船開發一文指出"噴水推進比螺旋 槳效率更高"而開發"高效率大功率噴水泵"是創造新型超高速船的 關鍵，但不知用何種泵？
2.4傳統的螺旋槳推進系統，是艦船主要噪聲源，噴水推進器泵能 夠在較高速度時減少10~20分貝聲信號，同時降低艦船的空氣噪聲和 振動。在海底環境下，每減少20分貝，聲吶的測距可減一半。更因 本泵是整體安裝在潛艇內，噪聲可屏蔽不外傳，還可採用軟管連接等 減震措施，而不像美國"海狼"核潛艇推進器外伸在尾部，噪聲無法 屏蔽。因而，安裝本泵噴水推進器可取得更好的靜音效果。安裝亦方 便，保養維修亦方便，與螺旋槳現場安裝，安裝精度又高相比，簡便 得多。
2.5據相關資料噴水推進可以無級變速和倒航，甚至原地迴轉， 使用雙機及雙槳，甚至能夠使艦船橫移，"堪比水中直升機。"當然， 要相應設計一套噴射頭旋轉機構，達高效操縱。
綜前述，通過國內外背景技術的調查和分析研究，從噪聲、動力 消耗、機動性能諸多方面來看，泵噴水推進器比螺旋槳推進具有優越性，其關鍵在於泵能否滿足"高效率大功率"，即高壓又大流量，結
構又極其簡單可靠等諸多較全面經濟技術要求。
發明內容
本發明目的在於將"多級雙圓弧齒輪高壓大流量泵"整體裝在 艦船上，供泵噴水推進器，以取代螺旋槳，獲取更高效率節能降低噪 聲，對核潛艇能提高隱蔽機動性。
本發明目的是通過以下方法來實施
3.1首先涉及本噴水推進器的原理，是按牛頓第三定律，即艦船產 生的推力等於阻力，達勻速前進，以公式表示F=75N/V，式中F 為推力，噸，N馬力，V為船速、米/秒。從式中可知功率與推力是 正比例，不是螺旋槳其功率是轉速三次方函數關係。兩者原理有本質 區別，也是以本泵噴水推進器，取代螺旋槳達節能的關鍵所在。
3.2螺旋槳高速時會發生空泡現象，泵噴水推進器是借射流噴射， 不存在此現象，即船速不受此現象的限制，可達更高航速。在相關本 泵的專利中，已詳細介紹本泵有高速和超高速(最高達9215轉/分) 的特點，藉此達到泵的體積小，工作效率很高。本齒輪有不會發生根 切的突出優點，因而減少齒數至8 12齒，增大齒隙空間，以增大泵 的流量。齒輪泵是容積泵有壓力高的特點，效率比離心多級泵(效率 約40%左右)高出一倍的寶貴優點，今又用多級分泵並聯裝之後， 將輸出流體再串聯起來增壓；以及用次級分泵的齒厚，比前一級逐級 再減薄，來雙倍增壓，使本泵可以獲得高效率高壓又大流量。即泵的 這些突出獨創性優點，為本發明的實施取代螺旋槳奠定了物質基礎。
3.3本發明目的在實施中，通常用二臺大泵安裝在艦船尾部，吸入水流，產生左右二股強大向後推進的射流。射流還可以任意轉向，達 到很快改變艦船的航向，並省去舵機。大泵連同發動機，可安裝在液 壓減震床上，通過減震軟管將射流輸出，特別是用於潛艇，可提高靜 音的效果。此外，泵是裝在潛艇艙內、便於噪音屏蔽，不像螺旋槳暴 露在外，噪聲無法屏蔽。
四
附圖1為本"多級雙圓弧齒輪泵艦船噴水推進器"的結構示意圖。 如圖所示(1)為"多級雙圓弧齒輪高壓大流量泵"安裝在液壓減震 墊(2)上；減震墊固定在艦船(3)的後艙；艦船的尾部設有可控轉 向的噴射頭(4);泵(1)的流體出口與噴射頭之間有減震軟管(5) 連接，通常艦船後艙左右各置一泵，通過左右二個噴射頭產生二股強 大的射流，也可在艦船中軸線上僅置一泵一噴射頭。
附圖l所示編號
1、多級雙圓弧齒輪高壓大流量泵 2、減震墊
3、艦船 4、噴射頭 5、減震軟管
五、 實施方案
本專利的實施方以實際的核潛艇參數為實例。假定，某最新型的
攻擊核潛艇水下排水量12125噸，潛艇長167米，艇體採用鈦合金， 最大潛深達500米，配二座壓水核反應堆，軸功率達61200匹馬力， 噪音量級巳降至98.9分貝。這是採用大量高新技術，但本人認為 如再採用本泵噴水推進器，還可以進一步提高靜音效果和效率，減少 動力的消耗，延長航程和潛航期。可進行以下的計算
5、 1假設採用二級至三級串聯增壓的雙圓弧齒輪泵，其壓力強度達100公斤/平方釐米，取齒輪的模數為52，齒數為12，節徑為624 毫米，取齒寬為380毫米，泵的工作轉速為1500轉/分，相當於四極 電機的轉速。
5、 2以下進行泵的流量計算齒頂高hh46.8，齒根深112=57.2， 全齒高h404，齒頂園Dl-717.6，齒根園02=509.2，齒環截面積S= 兀/4 (Df國D" =Ji/4X (717. 62-509.22) =200000mm2=0.2m2，今取 齒寬B=380mm ，代入V=S.B=0.2 X 0.38=0.076m3 ，取n=l 500r/min ， 再代入Q-1500X 0.076=114 m3/min=6840m3/h 。假定p=100kgf/cm2， 這是一臺高壓很大流量泵，當轉速再提高流量還可按正比例提高。上 巳述這種齒輪最高轉速已達9215轉/分，但必須考慮泵所需的功率將 更大，可按下式來計算功率
5、 3計算方法之一，按日本，機械設計列線圖集，木村，章著， 第l 8 l圖，流量、壓力與功率的關係有理論功率N-實際功率X 0.83，壓力為P=100kgf/cm2，流量Q-114. m3/min=-114000I/min， 代入N=10 X P X Q /60 X 75 X 0.83=10 X 100 X 114000/60 X 75 X 0.83=30522HP。('式中泵效率P取0.83)
5、 4計算方法之二，按第159圖，泵所需功率S=rQH/102x3600x P式中，水重度r=1000kgf/m3，流量Q-6840m3/11，揚程H-1000m， 效率P取0.83，代入S=1000X 6840X1000/102X3600X0.83= 22423KW=30522HP。以上二種不同的方法其計算結果是相同的。泵 所需的功率，相當於巳知新型核潛艇軸功率61200HP的一半，即一 座壓水核反應堆，只能帶動一臺泵工作，如果泵的轉速再提產高，核 反應堆的能力還要更大。上面巳述這種齒輪特別適應高速和超高速旋轉，已知線速高達115米/秒，比漸開線齒輪接觸強度高出三倍，綜 合承載能力優良，並達到API標準出口美國。因此，可借泵的高轉 速，來提高泵的工作效率，減少泵的體積和重量，以減輕對船的載重
量o
5.5另外，按牛頓第三定律，潛艇克服水下阻力達勻速前進，有推 力等於阻力即F=75N/V 。式中N=61200HP ， V=40節X 1.852 X 1000/3600=20.58m/s，代入F=75 X 61200/20.58=223032kgf =223噸力， 進而求得推重比i=223/12125=l/54.4。戰鬥機巡航時，i=l/4顯然兩者 不能相比，僅供參考。
5、 6再接下去按噴射管產生的推進力，能否滿足上述2 2 3噸的 推力的需要進行驗算設噴射管直徑d=380mm，即相當於齒輪的厚度， 管截面積S= Jx/4Xd2=兀/4X38X38=1133.54cm2，上面巳假設達到 p=100kgf/cm2 ，可產生推力F=Sp=1133.54 x 100=113354kgf=113.54噸 力，二臺泵同時產生推力為227噸力。這略大於前述按推力等於阻力 所計算的223噸力。如果發動機還有潛力，泵可提高轉速，隨泵流量 再增大，獲更高航速。
5、 7軸徑概算已知軸功率為61200HP，每臺為30600HP，轉速 n-lS00r/min，按日本列線圖第68圖，取45號鋼的許用應力[t ] 二350kgf/cm2，代入式D二71. 5X */""二71. 5細00/350x1500 =71. 5 XO. 388=27. 7cm。今取軸徑為300mm，為軸承配合處尺寸，傳動軸端 為290mm，略大於計算尺寸。
由上述實施例計算，可以確定這是一臺外型約長170cm,寬約 100cm，高約160cm的超大型泵，能承擔三萬匹以上馬力的強大驅動力，潛艇內安裝二臺泵，供艇後產生二股直徑為38釐米，壓強為 100kgf/cm2，極其強大的高壓射流，每小時能將6840立方米高壓水推 向船後，使新型核潛艇以每小時40海裡或更高速度前進，並達到如英 國新型核潛艇那樣更低的靜音效果，顯然這是一個極其大膽的設計方 案，當然將相同的結構原理，也可用於海面各類艦船、航母，取代螺 旋槳推進。
綜前述，核潛艇靜音效果，關係隱蔽性和生存力。由於，以航空 母艦為核心的海上戰鬥群，具有強大的反潛作戰能力，所以核潛艇必 須具備優越性能，才有可能攻擊對方。其中，靜音效果、武器效能、 航速、潛深、探測與指揮系統，都是關鍵的。本人認為新型核潛艇的 靜音、航速、航程三項還能借本泵噴水裝置，得以進一步改進和提高。
本人在"氣墊變翼噴水推進小水線面船艇"，專利申請號 2005101061268中，已公開泵噴水推進的結構。該泵是應用本人"雙 圓弧齒輪葉片泵"專利申請號03106225. 3，是單級雙圓弧齒輪泵，為 提高動密封性能是在齒頂設置葉片。經多次試驗發現葉片壽命不長， 而不設計置葉片又無法達100公斤/平方釐米以上的高壓，因而漸進性 創新了 "多級雙圓弧齒輪高壓大流量泵"，這是一個通過反覆試驗認識 深化的再創新，更借多級串聯和次級分泵齒厚逐級減薄，達到多次和 雙重功效的增壓，這些都是單級"雙圓弧齒輪葉片泵"中，所不可能 具備獨創性結構。
權利要求
1、本發明涉及「多級雙圓弧齒輪泵用於艦船噴水推進器」，其特徵在於取代艦船螺旋漿推進方式，在艦船內整體安裝泵推進器；將流體通過減震軟管與船尾噴射頭相連接，泵和發動機安裝在液壓減震床上。本推進器泵屬多級容積泵串聯增壓噴水推進。
2、 根據權利要求l所述的"多級雙圓弧齒輪泵用於艦船噴水推 時器"，其中泵推進器的特徵在於由專利名稱"多級雙圓弧齒輪高 壓大流量泵"，專利申請號2007102289932所專利保護。
全文摘要
本發明「多級雙圓弧齒輪泵用於艦船噴水推進器，」其主要技術特徵在於將「多級雙圓弧齒輪高壓大流量泵」整體安裝在大型艦船，供噴水推進取代螺旋槳，尤其使核潛艇改善靜音效果、高航速、降能耗，提高隱蔽機動性。傳統的螺旋槳推進是艦船的主要噪聲源，泵噴水推進器能夠在較高速度時減少10～20分貝聲信號；螺旋槳高速時會發生空泡，且消耗功率隨轉速提高的三次方函數關係劇增；泵噴水推進是按牛頓第三定理，即推力等阻力，消耗功率與推力成正例增加，兩者原理有本質區別，因而噴水推進在高航速下，能達到節能而對航速、航程均有利。創新高效率高壓大流量，而結構又十分簡單便於製造的多級串聯容積泵，為大型艦船噴水推進，成為可普遍採用的嶄新的、高效的推進方式。
文檔編號B63H11/08GK101314405SQ20071011161
公開日2008年12月3日 申請日期2007年5月31日 優先權日2007年5月31日
發明者明 趙 申請人:明 趙