專利名稱：多級(jí)雙圓弧齒輪泵用于艦船噴水推進(jìn)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將"多級(jí)雙圓弧輪高壓大流量泵，"整體安裝在大型艦 船，供噴水推進(jìn)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(jī)動(dòng)性，使本泵噴水推進(jìn)器成為可普遍采用的新型 高效、節(jié)能的推進(jìn)方式。
二背景技術(shù)：
2.1據(jù)2007年5月10日新華社電"噪音比小鯨魚的動(dòng)靜還小， 可在水下連續(xù)巡航25年，英國(guó)新型核潛艇揭開面紗。"報(bào)道了英國(guó)海 軍"機(jī)敏"級(jí)核動(dòng)力攻擊潛艇，是迄今世界上隱蔽性最好的潛艇，排 水量達(dá)7800噸，能攜帶38枚戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈，其射程約為2252公 里，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(guó)，擁有戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇和攻擊核潛艇。用泵噴水推進(jìn)核潛艇， 可獲得戰(zhàn)術(shù)需要的隱蔽機(jī)動(dòng)性，適宜在惡劣海域作低噪音機(jī)動(dòng)。"機(jī) 敏"級(jí)核潛艇的噪聲，如此之低是否用泵噴水推進(jìn)器？
2.2美國(guó)"海狼"級(jí)核潛艇泵推進(jìn)器，"轉(zhuǎn)速在130轉(zhuǎn)/分左右"， 并采用七葉側(cè)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(jìn)萬噸船高速前進(jìn)，其槳徑勢(shì)必很巨大。假定配3萬匹馬 力，在130轉(zhuǎn)/分下，槳軸直徑按0=71.5/^77^推算達(dá)620毫米(取 [t卜350kgf/cm2)。整體結(jié)構(gòu)還可通過相關(guān)圖片上看到，是七葉槳外，增設(shè)用于屏蔽噪音的巨大環(huán)狀導(dǎo)管，有前置定子。螺旋槳要提高轉(zhuǎn)速，
其功率按三次方函數(shù)劇增，以公式表示N,/N^ (n，/n。) 3。例如， 轉(zhuǎn)速n。從130轉(zhuǎn)/分，提高3倍至iM390轉(zhuǎn)/分，功率從No要增至N, 33=27倍，這是鐵律！這也是為什么螺旋槳推進(jìn)要配強(qiáng)大功率的原因。 凡按離心力作用的離心泵、直升機(jī)螺旋槳，其功率與轉(zhuǎn)速之間都是遵 照此三次方函數(shù)關(guān)系，而本泵是容積泵，不受此規(guī)律約束，因而可大 幅節(jié)能。
2.3日本TSL——新型超高速船開發(fā)一文指出"噴水推進(jìn)比螺旋 槳效率更高"而開發(fā)"高效率大功率噴水泵"是創(chuàng)造新型超高速船的 關(guān)鍵，但不知用何種泵？
2.4傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，是艦船主要噪聲源，噴水推進(jìn)器泵能 夠在較高速度時(shí)減少10~20分貝聲信號(hào)，同時(shí)降低艦船的空氣噪聲和 振動(dòng)。在海底環(huán)境下，每減少20分貝，聲吶的測(cè)距可減一半。更因 本泵是整體安裝在潛艇內(nèi)，噪聲可屏蔽不外傳，還可采用軟管連接等 減震措施，而不像美國(guó)"海狼"核潛艇推進(jìn)器外伸在尾部，噪聲無法 屏蔽。因而，安裝本泵噴水推進(jìn)器可取得更好的靜音效果。安裝亦方 便，保養(yǎng)維修亦方便，與螺旋槳現(xiàn)場(chǎng)安裝，安裝精度又高相比，簡(jiǎn)便 得多。
2.5據(jù)相關(guān)資料噴水推進(jìn)可以無級(jí)變速和倒航，甚至原地回轉(zhuǎn)， 使用雙機(jī)及雙槳，甚至能夠使艦船橫移，"堪比水中直升機(jī)。"當(dāng)然， 要相應(yīng)設(shè)計(jì)一套噴射頭旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，達(dá)高效操縱。
綜前述，通過國(guó)內(nèi)外背景技術(shù)的調(diào)查和分析研究，從噪聲、動(dòng)力 消耗、機(jī)動(dòng)性能諸多方面來看，泵噴水推進(jìn)器比螺旋槳推進(jìn)具有優(yōu)越性，其關(guān)鍵在于泵能否滿足"高效率大功率"，即高壓又大流量，結(jié)
構(gòu)又極其簡(jiǎn)單可靠等諸多較全面經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于將"多級(jí)雙圓弧齒輪高壓大流量泵"整體裝在 艦船上，供泵噴水推進(jìn)器，以取代螺旋槳，獲取更高效率節(jié)能降低噪 聲，對(duì)核潛艇能提高隱蔽機(jī)動(dòng)性。
本發(fā)明目的是通過以下方法來實(shí)施
3.1首先涉及本噴水推進(jìn)器的原理，是按牛頓第三定律，即艦船產(chǎn) 生的推力等于阻力，達(dá)勻速前進(jìn)，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(zhuǎn)速三次方函數(shù)關(guān)系。兩者原理有本質(zhì) 區(qū)別，也是以本泵噴水推進(jìn)器，取代螺旋槳達(dá)節(jié)能的關(guān)鍵所在。
3.2螺旋槳高速時(shí)會(huì)發(fā)生空泡現(xiàn)象，泵噴水推進(jìn)器是借射流噴射， 不存在此現(xiàn)象，即船速不受此現(xiàn)象的限制，可達(dá)更高航速。在相關(guān)本 泵的專利中，已詳細(xì)介紹本泵有高速和超高速(最高達(dá)9215轉(zhuǎn)/分) 的特點(diǎn)，借此達(dá)到泵的體積小，工作效率很高。本齒輪有不會(huì)發(fā)生根 切的突出優(yōu)點(diǎn)，因而減少齒數(shù)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(diǎn)，效率比離心多級(jí)泵(效率 約40%左右)高出一倍的寶貴優(yōu)點(diǎn)，今又用多級(jí)分泵并聯(lián)裝之后， 將輸出流體再串聯(lián)起來增壓；以及用次級(jí)分泵的齒厚，比前一級(jí)逐級(jí) 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(dú)創(chuàng)性優(yōu)點(diǎn)，為本發(fā)明的實(shí)施取代螺旋槳奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。
3.3本發(fā)明目的在實(shí)施中，通常用二臺(tái)大泵安裝在艦船尾部，吸入水流，產(chǎn)生左右二股強(qiáng)大向后推進(jìn)的射流。射流還可以任意轉(zhuǎn)向，達(dá) 到很快改變艦船的航向，并省去舵機(jī)。大泵連同發(fā)動(dòng)機(jī)，可安裝在液 壓減震床上，通過減震軟管將射流輸出，特別是用于潛艇，可提高靜 音的效果。此外，泵是裝在潛艇艙內(nèi)、便于噪音屏蔽，不像螺旋槳暴 露在外，噪聲無法屏蔽。
四

附圖1為本"多級(jí)雙圓弧齒輪泵艦船噴水推進(jìn)器"的結(jié)構(gòu)示意圖。 如圖所示(1)為"多級(jí)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)的后艙；艦船的尾部設(shè)有可控轉(zhuǎn) 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，通常艦船后艙左右各置一泵，通過左右二個(gè)噴射頭產(chǎn)生二股強(qiáng) 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(hào)
1、多級(jí)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(shí)施方案
本專利的實(shí)施方以實(shí)際的核潛艇參數(shù)為實(shí)例。假定，某最新型的
攻擊核潛艇水下排水量12125噸，潛艇長(zhǎng)167米，艇體采用鈦合金， 最大潛深達(dá)500米，配二座壓水核反應(yīng)堆，軸功率達(dá)61200匹馬力， 噪音量級(jí)巳降至98.9分貝。這是采用大量高新技術(shù)，但本人認(rèn)為 如再采用本泵噴水推進(jìn)器，還可以進(jìn)一步提高靜音效果和效率，減少 動(dòng)力的消耗，延長(zhǎng)航程和潛航期?？蛇M(jìn)行以下的計(jì)算
5、 1假設(shè)采用二級(jí)至三級(jí)串聯(lián)增壓的雙圓弧齒輪泵，其壓力強(qiáng)度達(dá)100公斤/平方厘米，取齒輪的模數(shù)為52，齒數(shù)為12，節(jié)徑為624 毫米，取齒寬為380毫米，泵的工作轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，相當(dāng)于四極 電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
5、 2以下進(jìn)行泵的流量計(jì)算齒頂高h(yuǎn)h46.8，齒根深112=57.2， 全齒高h(yuǎn)404，齒頂園Dl-717.6，齒根園02=509.2，齒環(huán)截面積S= 兀/4 (Df國(guó)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(tái)高壓很大流量泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速再提高流量還可按正比例提高。上 巳述這種齒輪最高轉(zhuǎn)速已達(dá)9215轉(zhuǎn)/分，但必須考慮泵所需的功率將 更大，可按下式來計(jì)算功率
5、 3計(jì)算方法之一，按日本，機(jī)械設(shè)計(jì)列線圖集，木村，章著， 第l 8 l圖，流量、壓力與功率的關(guān)系有理論功率N-實(shí)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(jì)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(yáng)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(jì)算結(jié)果是相同的。泵 所需的功率，相當(dāng)于巳知新型核潛艇軸功率61200HP的一半，即一 座壓水核反應(yīng)堆，只能帶動(dòng)一臺(tái)泵工作，如果泵的轉(zhuǎn)速再提產(chǎn)高，核 反應(yīng)堆的能力還要更大。上面巳述這種齒輪特別適應(yīng)高速和超高速旋轉(zhuǎn)，已知線速高達(dá)115米/秒，比漸開線齒輪接觸強(qiáng)度高出三倍，綜 合承載能力優(yōu)良，并達(dá)到API標(biāo)準(zhǔn)出口美國(guó)。因此，可借泵的高轉(zhuǎn) 速，來提高泵的工作效率，減少泵的體積和重量，以減輕對(duì)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(dá)勻速前進(jìn)，有推 力等于阻力即F=75N/V 。式中N=61200HP ， V=40節(jié)X 1.852 X 1000/3600=20.58m/s，代入F=75 X 61200/20.58=223032kgf =223噸力， 進(jìn)而求得推重比i=223/12125=l/54.4。戰(zhàn)斗機(jī)巡航時(shí)，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(chǎn)生的推進(jìn)力，能否滿足上述2 2 3噸的 推力的需要進(jìn)行驗(yàn)算設(shè)噴射管直徑d=380mm，即相當(dāng)于齒輪的厚度， 管截面積S= Jx/4Xd2=兀/4X38X38=1133.54cm2，上面巳假設(shè)達(dá)到 p=100kgf/cm2 ，可產(chǎn)生推力F=Sp=1133.54 x 100=113354kgf=113.54噸 力，二臺(tái)泵同時(shí)產(chǎn)生推力為227噸力。這略大于前述按推力等于阻力 所計(jì)算的223噸力。如果發(fā)動(dòng)機(jī)還有潛力，泵可提高轉(zhuǎn)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(tái)為30600HP，轉(zhuǎn)速 n-lS00r/min，按日本列線圖第68圖，取45號(hào)鋼的許用應(yīng)力[t ] 二350kgf/cm2，代入式D二71. 5X */""二71. 5細(xì)00/350x1500 =71. 5 XO. 388=27. 7cm。今取軸徑為300mm，為軸承配合處尺寸，傳動(dòng)軸端 為290mm，略大于計(jì)算尺寸。
由上述實(shí)施例計(jì)算，可以確定這是一臺(tái)外型約長(zhǎng)170cm,寬約 100cm，高約160cm的超大型泵，能承擔(dān)三萬匹以上馬力的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，潛艇內(nèi)安裝二臺(tái)泵，供艇后產(chǎn)生二股直徑為38厘米，壓強(qiáng)為 100kgf/cm2，極其強(qiáng)大的高壓射流，每小時(shí)能將6840立方米高壓水推 向船后，使新型核潛艇以每小時(shí)40海里或更高速度前進(jìn)，并達(dá)到如英 國(guó)新型核潛艇那樣更低的靜音效果，顯然這是一個(gè)極其大膽的設(shè)計(jì)方 案，當(dāng)然將相同的結(jié)構(gòu)原理，也可用于海面各類艦船、航母，取代螺 旋槳推進(jìn)。
綜前述，核潛艇靜音效果，關(guān)系隱蔽性和生存力。由于，以航空 母艦為核心的海上戰(zhàn)斗群，具有強(qiáng)大的反潛作戰(zhàn)能力，所以核潛艇必 須具備優(yōu)越性能，才有可能攻擊對(duì)方。其中，靜音效果、武器效能、 航速、潛深、探測(cè)與指揮系統(tǒng)，都是關(guān)鍵的。本人認(rèn)為新型核潛艇的 靜音、航速、航程三項(xiàng)還能借本泵噴水裝置，得以進(jìn)一步改進(jìn)和提高。
本人在"氣墊變翼噴水推進(jìn)小水線面船艇"，專利申請(qǐng)?zhí)?2005101061268中，已公開泵噴水推進(jìn)的結(jié)構(gòu)。該泵是應(yīng)用本人"雙 圓弧齒輪葉片泵"專利申請(qǐng)?zhí)?3106225. 3，是單級(jí)雙圓弧齒輪泵，為 提高動(dòng)密封性能是在齒頂設(shè)置葉片。經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葉片壽命不長(zhǎng)， 而不設(shè)計(jì)置葉片又無法達(dá)100公斤/平方厘米以上的高壓，因而漸進(jìn)性 創(chuàng)新了 "多級(jí)雙圓弧齒輪高壓大流量泵"，這是一個(gè)通過反復(fù)試驗(yàn)認(rèn)識(shí) 深化的再創(chuàng)新，更借多級(jí)串聯(lián)和次級(jí)分泵齒厚逐級(jí)減薄，達(dá)到多次和 雙重功效的增壓，這些都是單級(jí)"雙圓弧齒輪葉片泵"中，所不可能 具備獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、本發(fā)明涉及“多級(jí)雙圓弧齒輪泵用于艦船噴水推進(jìn)器”，其特征在于取代艦船螺旋漿推進(jìn)方式，在艦船內(nèi)整體安裝泵推進(jìn)器；將流體通過減震軟管與船尾噴射頭相連接，泵和發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在液壓減震床上。本推進(jìn)器泵屬多級(jí)容積泵串聯(lián)增壓噴水推進(jìn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的"多級(jí)雙圓弧齒輪泵用于艦船噴水推 時(shí)器"，其中泵推進(jìn)器的特征在于由專利名稱"多級(jí)雙圓弧齒輪高 壓大流量泵"，專利申請(qǐng)?zhí)?007102289932所專利保護(hù)。
全文摘要
本發(fā)明“多級(jí)雙圓弧齒輪泵用于艦船噴水推進(jìn)器，”其主要技術(shù)特征在于將“多級(jí)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(jìn)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(jī)動(dòng)性。傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)是艦船的主要噪聲源，泵噴水推進(jìn)器能夠在較高速度時(shí)減少10～20分貝聲信號(hào)；螺旋槳高速時(shí)會(huì)發(fā)生空泡，且消耗功率隨轉(zhuǎn)速提高的三次方函數(shù)關(guān)系劇增；泵噴水推進(jìn)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(zhì)區(qū)別，因而噴水推進(jìn)在高航速下，能達(dá)到節(jié)能而對(duì)航速、航程均有利。創(chuàng)新高效率高壓大流量，而結(jié)構(gòu)又十分簡(jiǎn)單便于制造的多級(jí)串聯(lián)容積泵，為大型艦船噴水推進(jìn)，成為可普遍采用的嶄新的、高效的推進(jìn)方式。
文檔編號(hào)B63H11/08GK101314405SQ20071011161
公開日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者明 趙 申請(qǐng)人:明 趙