用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法

摘要

本发明公开了一种用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法，属于船舶推进技术领域。所述设计方法包括：根据舵桨的散热要求，确定润滑介质的目标流量；选取泵送环的设计参数，设计参数包括泵送环的外径、泵送环的内径、泵送环的轴向厚度、泵送环上螺纹的螺纹升角、泵送环上螺纹的宽度、泵送环上螺纹的深度中的一种或多种；基于选取的设计参数，计算驱动流量和泄漏流量，驱动流量为润滑介质在泵送环驱动下的流量，泄漏流量为润滑介质的泄漏量；当驱动流量与泄漏流量的差值等于目标流量时，按照选取的设计参数设计泵送环。本发明可以实现满足舵桨的散热要求的泵送环完成舵桨的润滑冷却。

说明书

技术领域

本发明涉及船舶推进技术领域，特别涉及一种用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法。

背景技术

舵和桨是船舶推进系统的主要组成部分，舵能用于控制船舶的行进方向，桨用于为船舶的行进提供推动力。舵桨是一种新型的船舶推进装置，它能如普通推进器一样产生推力，也能在360°范围内改变推力方向，兼有舵和桨的功效，能够很灵活地改变船舶位置和航向，广泛应用于游轮、工程船、海洋平台等对机动性要求较高或需要动力定位的场合。

舵桨包括密封壳体和安装在密封壳体内的传动机构，传动机构包括上部水平设置的输入短轴和动力轴、中间竖直设置的芯轴、以及下部水平设置的螺旋桨轴，输入短轴和动力轴通过离合器联接，动力轴和芯轴之间、芯轴和螺旋桨轴之间均通过伞齿轮啮合传动。

为了实现舵桨的润滑冷却，在密封壳体的顶部设置油箱，油箱内设有从芯轴内穿过油箱的底部延伸到油箱的顶部的溢流管，密封壳体和芯轴围成的腔体与油箱的底部连通，芯轴外套设与芯轴同步转动的泵送环，芯轴内开设润滑介质返回油箱的通道，通道的下端口与密封壳体和芯轴围成的腔体连通，通道的上端口与溢流管连通。舵桨工作时，芯轴带动泵送环转动，搅动密封壳体和芯轴围成的腔体内的润滑介质沿泵送环上螺纹的旋向转动，进而向下流动到密封壳体的底部与海水热交换降温，再经由返回油箱的通道从溢流管溢出到油箱中，形成润滑介质的循环流动，对传动机构进行润滑和散热。但目前没有泵送环的具体设计方案，以实现舵桨充分的润滑冷却。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法，所述设计方法包括：

根据舵桨的散热要求，确定润滑介质的目标流量；

选取泵送环的设计参数，所述设计参数包括所述泵送环的外径、所述泵送环的内径、所述泵送环的轴向厚度、所述泵送环上螺纹的螺纹升角、所述泵送环上螺纹的宽度、所述泵送环上螺纹的深度中的一种或多种；

基于选取的所述设计参数，计算驱动流量和泄漏流量，所述驱动流量为所述润滑介质在所述泵送环驱动下的流量，所述泄漏流量为所述润滑介质的泄漏量；

当所述驱动流量与所述泄漏流量的差值等于所述目标流量时，按照选取的所述设计参数设计所述泵送环。

可选地，所述基于选取的所述设计参数，计算所述驱动流量，包括：

按照如下公式计算所述泵送环上螺纹的升程H：

按照如下公式计算所述驱动流量Q_S；

$Q_S=A·B·\sqrt{{(\pi ·D)}^2+H^2}·n;$

其中，π为圆周率，D为所述泵送环上螺纹的外径，为所述泵送环上螺纹的螺纹升角，A为所述泵送环上螺纹的宽度，B为所述泵送环上螺纹的深度，n为所述泵送环的转速。

可选地，所述基于选取的所述设计参数，计算所述泄漏流量，包括：

按照如下管道流速公式确定所述润滑介质的流速v：

$d\ge 4.61\sqrt{\frac{Q_D}{v}};$

按照如下流体动力学压力损失公式计算所述泵送环建立的压力ΔP：

$\Delta P=\lambda ·\frac{l}{d}·\frac{\rho ·v^2}{2};$

按照如下流体力学的环形缝隙流公式计算所述泄漏流量Q_L：

$Q_L=\frac{\pi ·D·{\delta }^3}{12·\mu ·L}·(1+1.5·{ϵ}^2)·\Delta P;$

其中，d为所述润滑介质返回油箱的通道的直径，Q_D为所述目标流量，λ为沿程阻力系数，l为所述润滑介质返回油箱的通道的长度，ρ为所述润滑介质的密度，π为圆周率，δ为所述泵送环与密封壳体之间的间隙的宽度，μ为所述润滑介质的粘度，L为所述泵送环与密封壳体之间的间隙的长度，ε为所述泵送环由于安装工艺产生的偏心量。

可选地，所述根据所述舵桨的散热要求，确定润滑介质的目标流量，包括：

按照如下公式计算所述舵桨的散热量Q_W：

Q_W＝P·(1-η)；

按照如下公式计算所述目标流量Q_D：

Q_D＝Q_W/(Δt·γ·C)；

其中，P为所述舵桨的功率，η为所述舵桨的效率，Δt为所述润滑介质一次循环过程中为冷却所述舵桨所产生的温度变化值，γ为所述润滑介质的比重，C为所述润滑介质的比热。

可选地，所述选取所述泵送环的设计参数，包括：

基于所述舵桨的结构参数，确定所述设计参数的取值范围；

在所述取值范围内选取所述设计参数。

优选地，所述基于所述舵桨的结构，确定所述设计参数的取值范围，包括：

采用如下式子限定所述设计参数的取值范围：

D＜D_K；

D_Z＜D’＜D-2·B；

其中，D为所述泵送环的外径，D_K为密封壳体的内径，D_Z为带动所述泵送环转动的芯轴的外径，D’为所述泵送环的内径，B为所述泵送环上螺纹的深度。

可选地，所述设计方法还包括：

当所述驱动流量与所述泄漏流量的差值不等于所述目标流量时，重新选取所述设计参数。

优选地，所述重新选取所述设计参数，包括：

基于选取的所述设计参数，利用仿真软件在模拟舵桨上仿真所述泵送环；

根据仿真结果，重新确定所述设计参数的取值范围；

在所述取值范围内调整所述设计参数。

更优选地，所述根据仿真结果，重新确定所述设计参数的取值范围，包括：

获取所述泵送环上螺纹的螺纹升角与所述泵送环的驱动力的对应关系；

基于满足要求的驱动力范围和所述对应关系，确定所述泵送环上螺纹的螺纹升角的取值范围。

具体地，为所述泵送环上螺纹的螺纹升角。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过根据舵桨的散热要求确定润滑介质的目标流量，选取泵送环的设计参数，基于选取的设计参数计算驱动流量和泄漏流量，当驱动流量与泄漏流量的差值等于目标流量时，按照选取的设计参数设计泵送环，基于舵桨的散热要求得到泵送环的各个设计参数，可以实现满足舵桨的散热要求的泵送环完成舵桨的润滑冷却。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的舵桨的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的泵送环的横截面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的泵送环的纵截面的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的螺旋槽中润滑介质的受力示意图；

图6是本发明实施例提供的泵送环上螺纹的螺纹升角与泵送环的驱动力的对应关系的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例

本发明实施例提供了一种用于润滑冷却舵桨的泵送环的设计方法，参见图1，舵桨包括密封壳体1、设置在密封壳体上的油箱2、以及设置在密封壳体1内的输入短轴3、动力轴4、芯轴5、螺旋桨轴6，输入短轴3和动力轴4通过离合器7联接，动力轴4和芯轴5之间、芯轴5和螺旋桨轴6之间均通过伞齿轮8啮合传动，油箱2的底部与密封壳体1连通，油箱2内设有从芯轴5内穿过油箱2的底部延伸到油箱2的顶部的溢流管9，芯轴5内设有润滑介质返回油箱2的通道10，通道10与溢流管9连通，芯轴5外套设有6与芯轴5同步转动的泵送环11。在实际工艺中，会在密封壳体1的内部设置与泵送环11相对的凸块1a，以在泵送环11和凸块1a之间形成狭缝，便于泵送环11带动润滑介质沿泵送环11上螺纹的旋向向下流动。

在舵机工作时，动力设备(如柴油机)带动输入短轴3转动，输入短轴3通过离合器7带动动力轴4转动，动力轴4和芯轴5之间啮合传动的伞齿轮8带动芯轴5转动，芯轴5和螺旋桨轴6之间啮合传动的伞齿轮8带动螺旋桨轴6转动，螺旋桨轴6推进螺旋桨转动，为船舶提供动力。

同时密封壳体1内充满润滑介质，芯轴5转动时带动泵送环11转动，搅动密封壳体1内的润滑介质沿泵送环11上螺纹的旋向转动，进而沿密封壳体1内壁向下流动(如图1中的箭头所示)，流动到密封壳体1底部的润滑介质与海水进行热交换，实现润滑介质的冷却，冷却后的润滑介质在后续流到的润滑介质的推动下，沿返回油箱2的通道10向上流动到溢流管9，润滑介质液面逐渐升高，当润滑介质液面高于溢流管9顶部时，润滑介质从溢流管9流到油箱2底部，再次回到密封壳体1内。利用润滑介质的循环流动，对舵桨进行充分润滑，同时润滑介质与海水的热交换，可以对润滑介质进行降温，有助于舵桨的内部散热。

在本实施例的一种实现方式中，如图1所示，芯轴5上设有凸台5a，凸台5a和泵送环11通过螺钉连接。具体地，参见图2，泵送环11上设有用于将泵送环11安装固定在芯轴5上的螺钉孔11a。

在本实施例的另一种实现方式中，泵送环11与芯轴5可以过盈配合。

需要说明的是，泵送环11还可以采用其它方式固定安装在芯轴5外，在此不再一一详述。

参见图3，该设计方法包括：

步骤201：根据舵桨的散热要求，确定润滑介质的目标流量。

如前所述，舵桨的散热时通过润滑介质(如润滑油)的流动实现的，因此润滑介质的流量是满足舵桨散热要求的重要因素。如果润滑介质的实际流量可以达到基于舵桨的散热要求计算出的润滑介质的目标流量，则说明设计出的泵送环可以满足舵桨的散热要求。

在本实施例中，目标流量是指润滑介质在循环过程中通过流动通道截面的流量。其中，流动通道包括密封壳体与芯轴之间的间隙、密封壳体与泵送环之间的间隙、芯轴内返回油箱的通道、以及溢流管内的管道等。

可选地，该步骤201可以包括：

按照如下公式(1)计算舵桨的散热量Q_W：

Q_W＝P·(1-η)；(1)

按照如下公式(2)计算目标流量Q_D：

Q_D＝Q_W/(Δt·γ·C)；(2)

其中，P为舵桨的功率，η为舵桨的效率，Δt为润滑介质一次循环过程中为冷却舵桨所产生的温度变化值，γ为润滑介质的比重，C为润滑介质的比热。

例如，舵桨的功率为2000KW，舵桨的效率为90％，因此舵桨的散热量为2000KW〃(1-90％)＝200KW。

另外，通常情况下，流量越大，散热量越大。

步骤202：选取泵送环的设计参数。

在本实施例中，参见图4，设计参数包括泵送环的外径D、泵送环的内径D’、泵送环的轴向厚度L’、泵送环上螺纹的螺纹升角泵送环上螺纹的宽度A、泵送环上螺纹的深度B中的一种或多种。

可选地，该步骤202可以包括：

基于舵桨的结构参数，确定设计参数的取值范围；

在取值范围内选取设计参数。

优选地，基于舵桨的结构参数，确定设计参数的取值范围，可以包括：

采用如下式子(3)和(4)限定设计参数的取值范围：

D＜D_K；(3)

D_Z＜D’＜D-2·B；(4)

其中，D为泵送环的外径，D_K为密封壳体的内径，D_Z为带动泵送环转动的芯轴的外径，D’为泵送环的内径，B为泵送环上螺纹的深度。

可以理解地，泵送环设置在壳体内，因此泵送环的外径小于密封壳体的内径，以免出现干涉。同时泵送环套设在芯轴外，因此泵送环的内径大于芯轴的外径，以免出现干涉；并且如图4所示，泵送环上设有不与套筒内连通的泵送环上螺纹，因此泵送环的外径和内径之差大于泵送环上螺纹深度的两倍。

在具体实现中，从泵送环的运动角度来看，泵送环的外径越小，泵送环的转动惯量越小，泵送环的启动惯量越小，因此泵送环的外径通常取可选范围内的最小值。

步骤203：基于选取的设计参数，计算驱动流量和泄漏流量。

在本实施例中，驱动流量为润滑介质在泵送环驱动下的流量，泄漏流量为润滑介质的泄漏量，具体为润滑介质为在循环过程中克服与流动通道的内壁相对运动的阻力而损耗的流量。

可选地，基于选取的设计参数，计算驱动流量，可以包括：

按照如下公式(5)计算泵送环上螺纹的升程H：

按照如下公式(6)计算驱动流量Q_S；

$Q_S=A·B·\sqrt{{(\pi ·D)}^2+H^2}·n;---\left(6\right)$

其中，π为圆周率，D为泵送环上螺纹的外径，为泵送环上螺纹的螺纹升角，A为泵送环上螺纹的宽度，B为泵送环上螺纹的深度，n为泵送环的转速。

容易知道，考虑到泄漏流量的存在，驱动流量必然大于目标流量，否则一定不能满足设计要求。

在实际应用中，可以采用如下方式确定泵送环的转速：

获取动力设备的输出转速和传动齿轮的减速比；

将动力设备的输出转速与传动齿轮的减速比相乘，得到泵送环的转速。

具体地，动力设备的输出转速可以从舵桨的技术规格书中得到，传动齿轮的减速比可以将各个传动齿轮上的减速比相乘得到。

可选地，基于选取的设计参数，计算泄漏流量，可以包括：

按照如下管道流速公式(7)确定润滑介质的流速v：

$d\ge 4.61\sqrt{\frac{Q_D}{v}};---\left(7\right)$

按照如下流体动力学压力损失公式(8)计算泵送环建立的压力ΔP：

$\Delta P=\lambda ·\frac{l}{d}·\frac{\rho ·v^2}{2};---\left(8\right)$

按照如下流体力学的环形缝隙流公式(9)计算泄漏流量Q_L：

$Q_L=\frac{\pi ·D·{\delta }^3}{12·\mu ·L}·(1+1.5·{ϵ}^2)·\Delta P;---\left(9\right)$

其中，d为润滑介质返回油箱的通道的直径，Q_D为目标流量，λ为沿程阻力系数，l为润滑介质返回油箱的通道的长度，ρ为润滑介质的密度，π为圆周率，δ为泵送环与密封壳体之间的间隙的宽度，μ为润滑介质的粘度，L为泵送环与密封壳体之间的间隙的长度，ε为泵送环由于安装工艺产生的偏心量。

在实际应用中，沿程阻力系数可以从机械设计手册中查到。润滑介质返回油箱的通道的长度等于芯轴的长度和其它连接管路的长度之和。当其它连接管路的内径与芯轴的内径的差值不超过阈值(如0)时，可以直接选择芯轴的内径作为回油通道的内径。进一步地，在芯轴的强度允许的情况下，可以尽可能选最大值。一般情况下，润滑介质的流速不超过1.0米/秒，基于v计算出的泵送环建立的压力小于0.1MPa。

容易知道，泵送环与壳体之间的间隙的长度越大，泄漏流量越小。

另外，芯轴的长度一般超过2米，且上下两端均采用花键或球形齿式联轴器结构进行连接，安装时配合零件较多，安装定位急转受到累积误差影响，两端的对中通信无法严格保证，而且芯轴在受到扭矩时会产生一定的挠度。因此如果泵送环和壳体之间的间隙较小，则容易发生碰撞，产生技术摩擦和异常噪音，摩擦产生的金属粉还会影响轴承、密封、液压等；如果泵送环和壳体之间的间隙较大，则泄漏量将呈三次曲线上升，可能无法驱动润滑介质循环；具体可以根据舵桨的结构和工艺安装水平基于人为经验选取。泵送环的偏心量也可以结合制造安装水平基于人为经验选取，0≤ε≤1，一般为平均值。

在实际应用中，可以采用如下方式确定润滑介质的粘度：

获取润滑介质的类型和润滑介质的环境温度；

基于润滑介质的类型和润滑介质的环境温度，确定润滑介质的粘度。

可以采用如下方式确定泵送环与壳体之间的间隙的长度：

选择泵送环的轴向厚度、与泵送环相对的凸块的轴向厚度中的较小值，作为泵送环与壳体之间的间隙的长度。

优选地，该设计方法还可以包括：

当泵送环建立的压力大于壳体内可承受的最大压强时，重新确定润滑介质的流速。

步骤204：当驱动流量与泄漏流量的差值等于目标流量时，按照选取的设计参数设计泵送环。

步骤205：当驱动流量与泄漏流量的差值不等于目标流量时，重新选取设计参数。

可选地，该步骤205可以包括：

基于选取的设计参数，利用仿真软件在模拟舵桨上仿真泵送环；

根据仿真结果，重新确定设计参数的取值范围；

在取值范围内调整设计参数。

优选地，根据仿真结果，重新确定设计参数的取值范围，可以包括：

获取泵送环上螺纹的螺纹升角与泵送环的驱动力的对应关系；

基于满足要求的驱动力范围和对应关系，确定泵送环上螺纹的螺纹升角的取值范围。

在具体实现中，参见图5，泵送环在工作时，螺旋槽中的润滑介质受到垂直于螺旋槽的力F，力F可以分解为沿竖直方向的力Fy和水平方向的力Fx，竖直方向的力Fy与垂直于螺旋槽的力F呈三角函数的余弦关系。水平方向的力Fx克服外摩擦力使润滑介质作圆周运动；竖直方向的力Fy将泵送环的机械能转化为润滑介质的动力，对泵送环下方的区域建立起压力。

图6为泵送环上螺纹的螺纹升角与泵送环的驱动力比例(竖直方向的力Fy/螺旋槽的力F)的对应关系图。由图6可知，随着泵送环上螺纹的螺纹升角的增大，泵送环的驱动力比例呈下降趋势，在泵送环上螺纹的螺纹升角为35°，泵送环的驱动力比例已下降到80％。因此泵送环上螺纹的螺纹升角取值不宜过大，优选地，为泵送环上螺纹的螺纹升角。

本发明实施例通过根据舵桨的散热要求确定润滑介质的目标流量，选取泵送环的设计参数，基于选取的设计参数计算驱动流量和泄漏流量，当驱动流量与泄漏流量的差值等于目标流量时，按照选取的设计参数设计泵送环，基于舵桨的散热要求得到泵送环的各个设计参数，可以实现满足舵桨的散热要求的泵送环完成舵桨的润滑冷却。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。