一种船用高效明轮推动器

王睿豪　李庆浩　王洪跃　赵霖　曲默丰　孟冲

摘 要：本装置基于齿轮传动的原理，针对传统明轮推动器存在的缺点弊端进行设计，利用奇数齿轮的同步效应，使得明轮推动器的拨水板一直处于竖直状态，与前进方向保持垂直，从而能够一直维持在最高效率工作状态，相对于传统螺旋桨推动器，大大地减少的能量的消耗，达到节能省功、提高效率的目的。

关键词：明轮推动器；齿轮传动；流体力学；节能省功

1 推动器的原理及工作过程

现结合图和模型说明工作原理，如图1所示，图中显示了互成90度的四个旋转臂。其中，中心齿轮Q与船体固定不发生相对转动，但不与主轴固定；中心齿轮Q、从动轮B1（或B2）（每个臂可根据实际需要有奇数个从动轮1、3、5、7等）以及拨水板齿轮A1（或A2）相邻啮合；拨水板齿轮A与拨水板轴不能相对转动；旋转臂固定在主轴上。当主轴带动旋转臂发生转动时，使得与从动轮B1（B2）发生转动，与之啮合的拨水板齿轮A1（A2）也发生转动，由于拨水板齿轮A1（A2）的自转角度与从动轮B1（B2）自转角度大小相等，方向相反，所以拨水板齿轮A1（A2）与中心齿轮保持相对静止，又由于中心齿轮Q与船体固定，所以拨水板齿轮A1（A2）与船体保持相对静止，因为拨水板初始为竖直状态，所以在旋转过程中一直保持竖直方向。

2 模拟计算

（一）模型假设：

①叶片是等截面的，简化为2d计算；②水流速度静止；③明轮转动速度20rpm；④忽略水的可压缩性；⑤叶片尺寸为50*500mm

（二）模拟过程：

将传统的明轮与改进后的明轮简化成一下二维形式，如图2所示：

（三）效率计算

当明轮转动工作时，会产生一个水平方向的推力F，同时会受到一个力矩M的作用，其中推力F传递给船体，推动船体前进，而力矩M通过电机来平衡，因此在相同转速情况下，产生相同的F时，M越小，消耗的电机功率越小，也就是效率越高。

（四）计算结果

在CFD软件中，软件会将积分过程自动实现，我们可以直接得到相应的力和力矩的值。

通过CFD软件模拟得到明轮转动一周时力与力矩的平均值：

传统明轮：F=65，M=1164，因此e=0.056；

改进明轮：F=278，M=2208，因此e=0.126。

3 结论

从计算结果及变化可以看出，改进后的明轮比传统明轮效率提高1倍以上。这主要是因为传统的明轮叶曲线片的线速度与叶片垂直，这样叶片总是以最大的受力面积与水接触，受到的水阻力始终保持最大状始终是与船前进方向一致的，也就是始终是有用的，这样就有效的提高了效率。

参考文献：

[1]鲁谦，李连有，李来成.船舶原理手册[M].北京：国防工 业出版社，1988：686-694.

[2]邵磊.基于Pro/E的水草收割机明轮推动器模态与动 态分析[J].机械研究与应用，2009（06）：37-39.