一种小型高速游艇动力总成设计

小型高速游艇动力驱动主要采用螺旋桨推进和喷水推进两大类，喷水推进动力系统原理是从船底由进水口通过进水流道吸水，再经喷泵做功通过喷口向船后高速喷出，利用喷出水流反作用力来推动船舶前进[1]，目前市场上小型游艇绝大多数采用的是舷外挂桨机，内置式发动机带喷水推进动力系统因安装较为繁琐而应用很少。本设计将内置式发动机、流道、喷泵、操控，以及电气系统融为一体，以集成化、模块化思路，最大限度简化安装流程，可以适配不同结构的船型，使更加安全、操控性更好、水域适应性更广的舷内机喷水推进动力系统，逐渐替代舷外挂桨机配置到各类小型游艇中。设计内容包括：总体方案设计、系统布置设计、流道组件设计、样件制作及组装、装艇水上试验。

1 总体方案

发动机、喷泵、流道组件为该动力总成动力输出核心设备，喷泵紧固在流道组件上，喷泵叶轮轴通过联轴器与发动机输出轴相连，方向、倒车、油门拉线采用软轴形式分别连接在喷泵及发动机上，仪表盘、控制杆、方向盘安装在操控台；整套设计功能齐全、结构紧凑、安装便利，突出了该动力总成模块化、集成化、通用性的设计理念。

2 系统布置

发动机、喷泵、流道组件三大动力输出核心设备安装布置见图1。

图1 动力总成布置示意

该套系统布置设计特点在于模块化，使得该动力总成能适应不同船型船底结构的安装，适用范围较广。另外，整套系统布置紧凑，安装空间较小，动力总成安装尺寸见图2。

图2 动力总成安装尺寸示意

布置设计技术要点如下。

1)分隔式机舱布置设计。机舱由发动机舱与流道舱组成。发动机舱用于安装布置发动机本体、轴承座、联轴器等；流道舱用于安装布置流道、发动机消音器、舱底泵等。

2)喷泵与流道组合式设计。在流道气窗面将喷泵安装所需螺栓孔预先开好，待流道安装定位完毕后即可安装喷泵，而无需再在船尾板上开孔，安装过程省时省力，见图3。

图3 流道组件与喷泵安装示意

3)轴承座单元设计。将轴承座、联轴器及支撑座架设计组装在一起，形成一个整体单元，安装时使用调整垫片调节支撑座架上下及左右方位，能快速实现轴承座/联轴器与叶轮轴之间的安装对中，见图4、5。

图4 轴承座安装示意

图5 轴承座安装孔位

3 流道组件设计

随着高性能计算机和计算流体力学(CFD)技术的快速发展，近年来数值模拟方法越来越多地应用于喷水推进器部件与系统流场分析评估及性能预报等研究中，与试验方法结合证实了CFD研究喷水推进水动力性能方法的可信和有效[2-3]。流道组件设计的关键在于流道线形设计,已有的研究表明，应用参数化设计方法，能够实现综合流体动力性能优良的进水流道快速设计[4]。

以目前某款船艇产品下艇身流道三维模型作为设计原型，提取流道线形参数，结合加工工艺要求进行优化设计，并补充设计掏水草机构与气窗安装面，完成流道组件设计，见图6、7。

图6 流道组件结构

图7 气窗安装面示意

对流道组件进行三维建模，见图8。

图8 流道组件三维模型

该流道组件设计特点如下。

1)流道形态简化，加工制造更为方便。

2)增加掏水草机构，解决了定期清理流道内杂物的问题。

3)集成设计了轴承座底板，使轴承座安装对中更加便捷，同时使得整套系统更加紧凑。

4)增加了气窗安装面，将喷泵安装所需开设的螺纹孔预先打好，极大地简化了喷泵安装过程。

5)流道组件底部设计为平面，可以任意角度旋转安装，能适应不同船底角度船型安装。

4 样件制作及组装

为了适应不同材质船型安装需要，加工制作玻璃钢及铝合金流道组件样件各1件，玻璃钢流道组件样件采用模压成型工艺[5]，铝合金流道组件样件采用焊接成型工艺[6]。组装发动机、喷泵、轴承座组件、联轴器及缓冲件后，形成动力总成样件(玻璃钢流道组件)，见图9。

图9 动力总成样件示意

动力总成主要技术参数及配置见表1。

表1 发动机相关动力参数

5 装艇水上试验

选用一款总长6 m，自重1 t的气囊船作为试验艇，将试验艇艉部自带的流道切除，采用手糊玻璃钢工艺将玻璃钢流道组件样件安装在试验艇尾部[7]，整套动力总成样件安装调试完毕后，将试验艇运输到开阔水域进行水上试验，发动机各转速下试验艇航速及油耗数据见表2。

根据试验数据，试验艇动力性与经济性满足设计预期要求，该套动力总成样件实用、可靠。

6 结论

1)对一种喷水推进动力系统总成进行设计分析，这种紧凑、高效的推进方式非常适合各类小型性能艇。由于该类艇自重较小，航行过程中能借助水浪反作用力在水面滑行，极大程度减小船体水阻，从而达到极高的航行速度。目前这种推进方式已经被大量用于海关、公安、救援等领域。

表2 试验艇水上试验数据

2)与之前研究所不同的是，本研究方向和设计思路是“两化一性”，即模块化、集成化、通用性。该套动力总成系统将发动机、喷泵、流道三大系统集成为一个整体，形成一款模块化动力总成产品，可为各类不同船型提供统一、标准、便捷式喷水推进动力配套方案。

3)目前在这个市场占据绝对主导地位的舷外挂桨机，将会被一部分水域适应更广、操控性更佳、安全性更好、推进效率更高的喷水推进动力系统所取代。

4)为了进一步拓宽该套动力总成产品的应用范围，后续需在采用液压拉线替代软轴拉线和缩短整套产品长度方向安装尺寸方面进行深入的研究。