直线驱动往复水泵及其在船舶中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)海军驻719所军代表室 作者:孔祥纯

  简要回顾船舶用泵的技术要求和发展趋势,概括介绍了直线电机驱动往复泵的工作原理,并与常规泵体进行对比,从减振降噪、结构简单、智能控制等角度阐述了直驱泵的优点,对船舶用泵的改进具有借鉴意义;展望了其在船舶上的应用前景。

  引言

  船舶由于特有的独立性以及在航行能力、承载能力、工作性能、安全性能和尺寸重量要求等方面的原因,加上设备所处工作环境条件的特殊性,就会对包括船用泵在内的设备提出一些不同于其他适用领域中设备的要求。比如由于舱底面积有限,几乎所有的舱底疏水泵都采用立式结构,然而在陆上,立式泵所占比例是很低的。鉴于此,船舶用泵在设计参数选取、结构设计、控制方式、零部件更换等方面具有一定的特殊性。因此,近年来国际国内船舶用泵技术发展的趋势日益倾向于在紧密结合船舶功能和配置情况下,设计一种控制上更加自动智能化、结构上更为简单的系统,以方便泵体的维修保养工作。

  1、目前舰船用泵概述

  舰船在多个舱室中配置有舱底泵、疏干泵、海水冷却泵、高压细水雾泵、海水淡化机组等泵机。而液压泵常用的结构型式有柱塞式、叶片式、齿轮式等几种。相比而言,叶片泵的叶片与定子、齿轮泵的两齿轮均为线接触,接触PV值高,而且密封效果差;柱塞泵中的关键摩擦副(如柱塞/缸孔、滑靴/斜盘、配流盘/缸体端面等)多为面接触,同等工况条件下的PV值相对较小,可以实现静压支承,而且密封效果较好,易于通过增加配合间隙长度的方法来减小泄漏,以保证泵的效率。因此,柱塞式结构比较适宜于海水等低粘度介质使用。从国际上英国、美国、德国、日本、芬兰、丹麦等国家已有的研究经验来看,绝大多数采用了柱塞式结构。

  但是研究表明,柱塞泵在高低压转换处产生对缸体和柱塞的交变轴向冲击力,并经斜盘和轴承传播出去。传统柱塞泵既有回转运动又有往复运动,其产生的压力脉动幅值大,脉动频率较低,脉动力不仅作用于管内流体,且流体脉动反射波作用于泵体上,引起泵绕机组轴向回转及横向振动;其频率成分较为丰富,通过对泵组机械扰动力分析可知,泵组上存在着一阶颠覆力矩、一阶往复惯性力、二阶往复惯性力矩和离心力,设备振动也较为严重。这些机械运动产生的不平衡力以及流体脉动产生的作用,会引发峰值很大的基频噪声和二、三次谐波噪声,集中了泵的大部分噪声能量,决定了它具有很高的总噪声级,一直是国内船舶管路振动有待解决的难题。

  某现有舰船的2DL-35/20型立式舱底疏水泵(见图1)是采用直流旋转电机通过涡轮涡杆减速器驱动卧式曲轴泵的结构,考虑到潜艇内部空间有限,设计时采用的是2900r/min 的直流电动机。同时为了适应170r/min的低转速曲轴泵,中间采用了1:17的涡轮涡杆减速器。2900r/min的高速直流电动机、涡轮涡杆减速器、卧式曲轴泵都是主要的噪声来源。首先大功率(30kW)交、直流电动机噪声至少75dB(A),这是因为电动机的机械摩擦噪声随转速、负载的升高而增大;其次蜗轮蜗杆减速器因受力不平衡,其噪声一贯很大;在二柱塞曲轴泵的主体结构中,曲柄连杆机构、金属与金属配对的平板式配流阀结构是泵本体机械噪声的主要来源,使得原舱底泵系统的联调噪音达到90dB(A),严重影响潜艇的隐蔽性和安全性。华中科技大学曾尝试设计轴向海水柱塞泵(见图2)以取代现有的曲轴连杆柱塞泵,期望在改进舱底泵的基础上减小泵的振动和噪声。传统轴向柱塞泵结构上采用了旋转电机和运动转换机构,运动复杂。运动结构上的局限决定了噪声级别难以得到有效的降低。经过多年设计研究、试验测试,鉴于国内工业基础,所研制的轴向海水柱塞泵仍难满足潜艇使用要求,未能获得成功。

蜗轮蜗杆减速器曲轴连杆柱塞泵

图1 蜗轮蜗杆减速器曲轴连杆柱塞泵

斜盘连杆阀配流式海水泵

图2 斜盘连杆阀配流式海水泵

  总体来看,无论是传统的涡轮涡杆减速器+曲轴连杆柱塞泵结构,还是轴向柱塞泵(其他什么结构形式等)都存在如下问题:

  (1)均采用旋转电机作动力源,需要通过转换机构将电机的旋转运动转换为柱塞的直线运动,或泵与电机之间需要安装有减速器,结构庞大复杂,机械振动和噪声较大,机械效率低。

  (2)运动部件采用不平衡结构或者受力不平衡,难以在高速运行条件下实现平稳运转;即便通过动平衡试验使轴系达到动平衡,但由于实际加载工作时只有3~4个柱塞处于高压状态并始终位于传动轴的一侧,导致传动轴系受力不平衡,影响其平稳运行。而且,液压系统中的电动机、液压泵都以高速回转,如果它们的转动部件不平衡,就会产生周期性的不平衡力,激励转轴系统振动,从而产生噪声,这种振动传动油箱和管路时,就会发出很大的声响,振动和噪声过大最终会影响到系统的正常工作。

  (3)安装有多对轴承,需要采用油液润滑,而油水分离结构由于存在因密封失效导致润滑失效和油液泄漏等重大隐患,尤其作为潜艇舱底泵,一旦润滑油泄漏将暴露潜艇目标。因此,油水分离结构并不适合用于潜艇舱底疏水泵。

  液压系统面对快速发展的电气传动的竞争,以及舰船技术要求和功能配置的双重压力,迫切需要解决自身效率低、振动大、噪声高、控制非智能等缺陷,而针对目前电机、回转体不平衡、管路引起的振动与噪声以及海水泵压力、流量、容积效率、可靠性难以满足潜艇使用要求的现状下,应运而生一种新型直线驱动往复泵结构。

  4、直线往复泵应用前景和展望

  综合考虑直线驱动往复泵的优点并结合船用泵的技术要求,直线驱动往复泵设计思想着眼于军事和特殊需求的舰船,主要研究内容包括降低噪声和振动,减少摩擦副,不采用润滑油润滑,提高寿命和可靠性等。针对其他舰船用泵体,直线驱动往复泵结构更加简单,操控更加智能,维修保养更加方便,其本身比以往泵体有更低的振动和更小的噪声,可以应用于有特殊要求的舰船,从而替换目前逐步淘汰的产品。具体可应用在:

  1)舰船舱底疏水泵

  舰艇在正常运行过程中,艇内每天会产生各种污水,当污水达到一定高度,就需要开启舱底疏水泵把污水排到艇外。舱底疏水泵组主要用于实现潜艇的舱底疏水、应急疏水和甲板冲洗,另外还具有对纵倾平衡水舱、浮力调整水舱、鱼雷补重水舱等水舱进行注水、排水的功能。目前的舱底泵在使用过程中存在振动大,噪声高的缺陷,对外影响潜艇的隐蔽和安全性,对内影响艇员的工作生活环境。

  2)舰用反渗透式海水淡化机组用泵

  舰艇装备反渗透式海水淡化装置能够大大提高舰船续航力和作战性能,发达国家海军已经成功应用该技术。我国也成功开发出了舰用反渗透式海水淡化机组。

  3)舰艇用高压细水雾灭火系统用泵

  装备高压细水雾灭火系统是目前我国潜艇、水面舰艇发展的一大发展趋势,对潜艇、水面舰艇作战性能的提升有着重大的军事意义。国内高压细水雾系统用高压泵技术一直难以得到很好的解决,导致高压细水雾系统迟迟难以在我军大面积装备。国内民船只有防火级别要求高运输船,如载人客船、化学品船、油轮上有装备采用曲柄连杆泵泵源的高压细水雾系统,该泵占去了舱内宝贵体积空间,耗能指标高。直线电机驱动海水泵完全能够满足细水雾系统的压力和流量要求,低噪声、小体积的特点非常适合潜艇和水面舰艇安装使用。

  4)核动力装置用泵

  核潜艇核动力装置中多处安装有高压水泵。核反应堆高压水泵在核潜艇中系统中运行,构成了核反应堆系统主要噪声源之一,降低其噪声对于提高核潜艇隐身性有着重要军事意义。同时,由于核反应堆内部(尤其是核岛区域)存在放射性物质泄漏的危险,不方便维修。提高这类高压水泵的可靠运行,减小维修性显得非常必要。

  5)喷水推进泵

  采用喷水推进是国际海军舰艇装备静音、高速、高机动性发展道路上一项重大技术趋势。大流量的超静型直线驱动海水泵可应用于喷水推进装置中,以推动研制高速超静型鱼雷、高速超静型锚泊水雷、安静型潜艇,也可用于超静型喷水推进动力的各种水面舰艇,如喷水扫雷艇、喷水猎雷艇以及两栖登陆作战舰艇等。直线电机驱动水液压柱塞泵的研制是一个多学科融合的技术难题,涉及流体传动与控制、优化设计及制造、现代控制、摩擦学等学科前沿,综合应用水液压技术和直线电机技术,具有较强的学科创新性、前瞻性和广阔的应用发展前景。

  但是作为直线电机本身来说,国内能够独立研制直线电机的单位并不多,只有为数不多的几家厂家能后独立研发直线电机平台、驱动器。除此之外,直线电机的速度规划、电流环和伺服环控制策略,是影响直驱柱塞泵流量稳定输出的重要因素,这是直驱泵目前技术研究中的一项技术难点。即便如此,从目前的发展趋势来看,直线驱动系统作为一种理想的进给驱动方式已呈现出极大的生命力;直线驱动往复泵作为一种新型舰船用泵体,也展现了其特有的优势,为以后舰船用泵的发展指明了方向。

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