吊艙推進器在艦船推進系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

高宜朋 曾凡明 張曉鋒

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

吊艙推進器在艦船推進系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

高宜朋 曾凡明 張曉鋒

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

作為新型推進系統(tǒng)之一，吊艙推進器憑借其特性和出色的表現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域獲得了較大的成功，并且逐漸向軍事領(lǐng)域拓展。許多國家和研究機構(gòu)都在集中力量對現(xiàn)有產(chǎn)品性能和吊艙創(chuàng)新設(shè)計展開研究。闡述了吊艙推進器的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點，列舉了主要吊艙推進器的類型及特性，著重分析論述了其最新動態(tài)以及國內(nèi)外最近研究項目及相關(guān)進展。在此基礎(chǔ)上研究分析了吊艙推進器在艦船推進系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，并對未來的前景和研究方向做了一定的總結(jié)。

吊艙推進器；船船推進系統(tǒng)；發(fā)展現(xiàn)狀；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

吊艙推進器將推進電機置于船艙外部，直接與螺旋槳相連，可以在360°內(nèi)水平轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)矢量推進。它主要由內(nèi)置驅(qū)動電機模塊、螺旋槳模塊、水平轉(zhuǎn)動機構(gòu)以及冷卻裝置組成。其中驅(qū)動電機以永磁交流電機為主，螺旋槳由電機直接驅(qū)動，按照螺旋槳和電機的相對位置分為拉式和推式；水平轉(zhuǎn)動機構(gòu)由轉(zhuǎn)動電機和相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)組成；冷卻機構(gòu)負責(zé)對整個吊艙進行冷卻，分水冷和空冷。吊艙的實際形式結(jié)構(gòu)因不同公司設(shè)計制造而有差異。近年來，各個國家針對吊艙推進器進行了大量的研究，使其在民用船舶應(yīng)用上取得了優(yōu)異的成績，于各類軍用艦船上的應(yīng)用也已經(jīng)開始［1-2］。

2 吊艙推進器原理及優(yōu)缺點

2.1 主要類型

目前，主要有四家公司生產(chǎn)吊艙推進器產(chǎn)品。ABB 的產(chǎn)品有 Azipod、Compact Azipod、CRP Azipod，其中Azipod是該領(lǐng)域最早也是技術(shù)最成熟占有率最高的類型。羅爾斯·羅伊斯公司和阿爾斯通公司聯(lián)合開發(fā)制造了Mermaid吊艙推進器，繼ABB之后占有較大的份額。Siemens公司和Schotell公司聯(lián)合推出SSP。該吊艙由轉(zhuǎn)向相反的兩個螺旋槳構(gòu)成，開創(chuàng)了對轉(zhuǎn)槳的先河。荷蘭瓦特西拉Marine Division公司和德國SAM電子公司聯(lián)合推出Dolphin吊艙推進器。各類吊艙推進器的性能特點見表1。

表1 世界主要吊艙推進器的性能及特點Tab.1 The performance and features of the main podded propulsors worldwide

2.2 性能及優(yōu)缺點分析

吊艙推進器有著許多的優(yōu)點，從原理方面看，推進裝置不再和原動機通過機械結(jié)構(gòu)直接連接，原動機可不受推進負載的影響而工作在最佳的狀態(tài)，提高了燃油效率，同時可以充分發(fā)揮全電力系統(tǒng)的優(yōu)越性。

從設(shè)計方面看，相比于常規(guī)的推進裝置它個頭小，重量輕，取代了傳動軸系，增加了船艙體積，同時也可以用于更小的船只，設(shè)計的自由度和靈活性都增強了。

從建造方面看，它取替了船體中的齒輪箱、軸系結(jié)構(gòu)、船尾密封、潤滑油系統(tǒng)、舵及轉(zhuǎn)向齒輪。將推進與轉(zhuǎn)向裝置集成，可以獨立制造，方便安裝，縮短了推進系統(tǒng)的建造時間。

從操作方面看，對船體進行矢量推進，可提高船的機動性，實現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)彎半徑，減少停車距離，停靠駛離港口更快捷和安全，在船只密集的港口和在狹窄水域其優(yōu)勢更加明顯。更可完成常規(guī)推進方式無法完成的動作，如側(cè)推航行。

從噪聲方面看，因為沒有艉軸，螺旋槳的水動力特性得到提升，空泡效應(yīng)減少，因槳誘導(dǎo)的振動及噪聲相應(yīng)減少。同時更方便對原動機進行隔振處理，船艙內(nèi)的噪聲更小。從環(huán)境上減少了氮化物的排放，有利于環(huán)境保護。

吊艙推進器也存在一些缺點，主要表現(xiàn)在初始投資相對較大。雖然吊艙推進器的螺旋槳來流更加的穩(wěn)定，使得空泡效應(yīng)引起的噪聲減小，但是艙外電機本身引起的噪聲更大；電機直接暴露在水中，因此輻射特征增加；船的直線航行的能力下降，更容易出現(xiàn)大幅度橫搖等［3］。

3 吊艙推進器技術(shù)的最新進展

3.1 新型的吊艙推進器

1）新型的單軸CRP

圖1為日本Shige Maru號使用的吊艙系統(tǒng)［4］。對轉(zhuǎn)吊艙是針對現(xiàn)有吊艙系統(tǒng)的改進，是對轉(zhuǎn)槳的高效性和吊艙的靈活性的完美結(jié)合。

2）泵噴吊艙推進器

圖2為阿爾斯通公司和Bassin des Carenes公司于2005和2006年研究設(shè)計生產(chǎn)的新一代吊艙推進器——泵噴吊艙（PJP）。其定子帶有一個多葉的整流裝置，該裝置完全覆蓋轉(zhuǎn)子。通過對一艘45 000 t的游輪使用13 MW PJP的改裝實驗，顯示它比常規(guī)的吊艙效率高14%，且不易出現(xiàn)空泡效應(yīng)。

3）輪轂吊艙推進器

該推進器是通用動力電船公司在2000年申請的專利產(chǎn)品。它包括永磁電動機以及函道槳葉，其槳葉和轉(zhuǎn)子合二為一。相比傳統(tǒng)吊艙它的結(jié)構(gòu)更加小巧，有更高的推進效率，適合小噸位高速推進［5-6］。

4）高溫超導(dǎo)同步電動機

當(dāng)前吊艙的體積以及噪聲已經(jīng)成為吊艙發(fā)展的制約，高溫超導(dǎo)同步電動機可能成為吊艙用推進電機的最終發(fā)展方向。它不僅可以達到各種不同的速度、功率，而且同樣功率下體積要小三分之二。具有先天的靜音和無振特性，非常適合海軍和高級游輪使用。圖4為歷時2年設(shè)計制造的36.5 MW、120 r／min的HTS推進電機，已于2007年交付美國軍方［7］。

5）混合吊艙

作為專門從事矢量推進的Schottel公司在與西門子合作推出SSP吊艙推進器后，推出了介于傳統(tǒng)機械Z推進和POD推進器的折中設(shè)計方案，可兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點，同時克服缺點。但目前仍沒有提供大功率推進，只可提供 1.9～3.8 MW。

3.2 吊艙推進器的運行使用情況

以在吊艙推進器領(lǐng)域占領(lǐng)先地位的ABB生產(chǎn)Azipod為例。截至2004年11月，ABB收到的訂單共計121套，累計安全運行時間超過了130萬小時，良好工況率達到了99.75%，到2008累計安全運行時間超過了450萬小時。

在軍用方面，法國海軍第一型全電力 “西北風(fēng)”級直升機船塢登陸艦分別于2005和2006年交付使用。其排水量21 500 t，裝配兩臺7 MW的Mermaid吊艙推進器，航速可達19 kn，該艦可以裝載16架重型直升機和三分之一個裝甲團。

在民用方面，較有代表性的是英國皇家加勒比公司花費12億美元于2009年建成的 “海洋綠洲”號游輪，該船排水量160 000 t，可以容納6 300人，建成后將是全世界最大的游輪，使用三套功率20 MW的Azipod吊艙推進器，航速可達 20.2 kn；而目前世界最大游輪是在2008年交付使用的“海上獨立”號，該船耗資8.28億美元，排水量154 407 t，也采用了三套功率14 MW的Azipod吊艙推進器。

我國的造船業(yè)目前也開始逐步使用吊艙推進器，2000年上海愛德華造船有限公司使用5 100 kW的SSP建造了一艘化學(xué)成品船，是我國建造的第一艘吊艙式推進器的船。江南造船廠所建造裝有兩套功率為1 860 kW Compact Azipod的某海監(jiān)船于2005年7月下水；“煙－大”火車渡輪項目上采用了兩套4 800 kW的Azipod，已在天津新港船廠建造下水［8］。

4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

4.1 國外研究現(xiàn)狀

4.1.1 主要研究項目

目前世界上許多國家都在對吊艙推進進行研究，主要項目如表2所示。目前學(xué)術(shù)界也已經(jīng)有專門研討吊艙推進技術(shù)的國際會議，如表3所示。

4.1.2 主要研究成果

各個國家的學(xué)者及研究機構(gòu)都對吊艙推進器進行了詳細全面和卓有成效的研究，主要針對吊艙推進器的水動力測量計算、特性效率分析以及其設(shè)計論證等方面，如圖5所示。

表2 世界范圍內(nèi)的研發(fā)項目Tab.2 Projects of podded propulsors initiated by the companies worldwide

表3 主要針對吊艙推進器的國際會議Tab.3 The main international conferences held on podded propulsor

1）實驗測量領(lǐng)域

各個國家的學(xué)術(shù)機構(gòu)都在為探索新推進器的性能建立測試測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般包括水道等土木結(jié)構(gòu)、各方向上力的測量機構(gòu)、激光多普勒速度測量儀、以及數(shù)據(jù)采集分析設(shè)施等［9］。

英國Newcastle大學(xué)Friesch J等在2004年研究了吊艙推進器的空泡和震動特性，著重研究不同轉(zhuǎn)角推進情況下吊艙的壓力，發(fā)現(xiàn)空泡特性和葉片上的載荷相關(guān)，同時和螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相關(guān)［10］。美國MIT的博士Stettler在2004年以穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的情況下吊艙推進器操縱的動力學(xué)特性作為博士論文，主要研究吊艙推進器的操縱力，以及這種力對于小型船體的影響［11］。2005年Bretchneider對0～6°轉(zhuǎn)角的情況下高速轉(zhuǎn)動葉片的空泡效應(yīng)進行了相應(yīng)的研究。2006年法國Brest大學(xué)Johannsen同樣就這一問題進行了研究測試得出了重要結(jié)論，同時對0～6°靜態(tài)角的壓力和噪聲進行了測量。同年，Allenstrom和Rosendhal利用35 kn貨船的配置模型進行了±20°試驗測量。

2006年加拿大Islam針對推式和拉式的吊艙在固定轉(zhuǎn)角的敞水性能進行了研究。測量了吊艙和實驗船三軸上的力和力矩。結(jié)果顯示軸向和側(cè)向力以及位移都是方位角復(fù)雜函數(shù)［12］。

2）數(shù)值分析領(lǐng)域

目前，已經(jīng)有很多方法對吊艙推進器的性能進行仿真研究。2006年Krasilnikov對所有的方法進行了回顧。這些方法主要是用于吊艙推進器的推進特性仿真。2006年Knnas針對吊艙螺旋槳周圍空泡基于邊界單元方法的預(yù)報仿真方法進行了研究，并且用有限體積法對螺旋槳尾流進行了仿真。2007年Hassan提出一種可以預(yù)測傳統(tǒng)推進和吊艙推進器的水動力特性的計算方法，并以Azipod作為對象進行了驗證。預(yù)測結(jié)果較符合實際［13］。

3）設(shè)計領(lǐng)域

Islam等對吊艙推進器的幾何形狀對推進性能的影響進行了分析和預(yù)測，抽象出五個關(guān)鍵參數(shù)，對參數(shù)的優(yōu)化組合進行實驗，總結(jié)出對性能影響最關(guān)鍵的參數(shù)［14］。

瑞典一所大學(xué)以Azipod和Mermaid為研究對象，詳細闡述了吊艙中的電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀和設(shè)計方法。對未來驅(qū)動電機及其相應(yīng)的技術(shù)提出了展望［15］。

4）其他領(lǐng)域

在傳統(tǒng)的破冰領(lǐng)域，吊艙推進器仍然占有優(yōu)勢，針對該領(lǐng)域的研究也很充分。2004年Sasaki等介紹了基于吊艙推進器的新型兩用船的概念。Sampson研究了吊艙推進器的螺旋槳和冰之間的相互作用，系統(tǒng)地探討了在冰水中的空泡現(xiàn)象。另外ABB公司系統(tǒng)專家Petteri等研究表明，對大于12 000 t的超大型運輸船，對比常規(guī)推進方式，采用Azipod CRP系統(tǒng)可以使功率消耗減少11.4%。Atlar研究了吊艙推進器和噴水推進相結(jié)合的情況。該方式可以更好地利用高速行進時噴水推進的優(yōu)點。

4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)由于缺乏設(shè)計制造經(jīng)驗以及大量的實用運行數(shù)據(jù)，目前針對吊艙推進器的研發(fā)工作尚處于起步階段。各家相關(guān)的科研機構(gòu)和院校均已開始相關(guān)研究，主要內(nèi)容包括介紹國外先進技術(shù)，進行數(shù)值計算和性能分析，對各類推進電機的仿真及控制、總體設(shè)計方法探討研究、模擬教學(xué)等。

馬騁、冀路朋及陳新剛等研究人員都對吊艙推進器給與了高度的重視并進行了相關(guān)的研究，主要包括對實用性可靠性的分析論證［16－18］、各種性能計算分析［19］、實驗方法研究［20］等。

熊鷹等［21］對吊艙電力推進系統(tǒng)性能評估及設(shè)計方法，以及水動力特性進行了研究。

上海交通大學(xué)的研究人員利用數(shù)值計算方法對吊艙推進器的水動力特性進行了研究，其中包括吊艙推進器定常水動力性能［22］、不同配置方案下以及斜航的性能［23］、吊艙對螺旋槳水動力性能的影響等［24］。

張曉飛［25］、王曉三［26］對吊艙推進器的同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進行了研究設(shè)計。馬騁在其博士論文中運用數(shù)值計算和模型試驗兩種方法，對吊艙推進器的水動力性能進行了系統(tǒng)研究［27］。

大連海事大學(xué)研究人員以Azipod系統(tǒng)為對象深入研究吊艙式電力推進系統(tǒng)原理和管理控制系統(tǒng)［28］；薛式龍在其博士論文中提出了采用三相異步電動機構(gòu)成推進和負載系統(tǒng)來仿真船舶電力推進系統(tǒng)的總體設(shè)計方案［29］。大連理工大學(xué)研究人員對吊艙電力推進裝置及其螺旋槳設(shè)計，對整個配電、控制、推進系統(tǒng)進行了研究，確定了吊艙推進器的船舶的功率分配。

5 吊艙推進器關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1 采用吊艙推進器的艦船總體設(shè)計技術(shù)

總體設(shè)計技術(shù) 由于吊艙推進器能夠充分發(fā)揮綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢，因此在綜合電力系統(tǒng)中獲得較好的應(yīng)用，而綜合電力系統(tǒng)是以“系統(tǒng)化、綜合化”的角度對整艘艦船的能量動力平臺進行研究［30-31］，采用吊艙推進器的艦船總體設(shè)計技術(shù)有待進一步研究（圖6）。

電能的匹配 吊艙推進器作為電力推進系統(tǒng)的一種，其原動機和推進系統(tǒng)沒有直接機械連接，原動機組可以一直處于滿負荷下工作，從而避免了推進系統(tǒng)的負載變化對原動機系統(tǒng)的影響［32］，但是吊艙將這種影響加到了船舶的電力系統(tǒng)上，必須深入研究電能匹配分配的問題以有效克服這種影響。

船體優(yōu)化設(shè)計 雖然吊艙的存在使得船體設(shè)計的自由度更大。在帶來方便的同時還可能帶來一系列負面的影響，包括船體水動力特性的改變，必須根據(jù)吊艙特性設(shè)計出最優(yōu)的船體結(jié)構(gòu)。

吊艙的安裝設(shè)計 目前針對大型船舶一般采用2～3個吊艙聯(lián)合推進。合理有效地確定吊艙的個數(shù)、組合方式、安裝位置非常重要。

安全備份問題 吊艙推進器的集成度高，技術(shù)復(fù)雜，設(shè)計中也應(yīng)該考慮到對應(yīng)其失效的措施。解決突然失效的主要辦法可采用多吊艙協(xié)同或多種推進方式組合。如吊艙和噴水推進結(jié)合以及類似ABB的CRP Azipod系統(tǒng)，它們能為整個動力系統(tǒng)提供更大的可靠性冗余度。

5.2 吊艙推進器的裝置設(shè)計技術(shù)

吊艙推進器的設(shè)計制造中，存在著諸多的關(guān)鍵技術(shù)，如圖7所示。

外形設(shè)計 雖然吊艙的基本外形已經(jīng)確定，但是不同外形設(shè)計會帶來不同的水動力特性和操控性能，因此如何在已有的條件下得出最優(yōu)化的外形非常重要。

推進電機 推進電機是吊艙推進器的心臟，而永磁電機很可能是未來的趨勢，在Compact Azipod，SSP，RDP中都使用了永磁電機，它更小更安靜更穩(wěn)定。目前經(jīng)過15年的研究北歐國家對大型永磁同步電機的研究比較充分，其中一個主要原因就是吊艙推進在歐洲的盛行。

螺旋槳設(shè)計 螺旋槳性能對整個吊艙推進器的影響非常大。由于吊艙的阻塞作用使得螺旋槳的推力、扭矩、效率均有所增加。相應(yīng)的螺旋槳的設(shè)計必須和吊艙以及船體相適應(yīng)［33］。

密封問題 吊艙作為一個高度集成的裝置被安裝在水下，如何更好地解決密封問題將影響到整個吊艙推進器的穩(wěn)定性和可靠性。

冷卻散熱和機械問題 曾經(jīng)為數(shù)不多的幾起吊艙事故都由電動機散熱不充分以及吊艙推力軸承損壞而引起的。目前主流的吊艙有空冷和水冷兩種形式，如何更好地進行冷卻相當(dāng)重要。出色的機械結(jié)構(gòu)將使得吊艙的振動更小，故障率更低。

5.3 隱身性

目前多國海軍都對吊艙推進器寄予厚望，但吊艙推進器的起點是商業(yè)船舶，其在軍事艦艇上的應(yīng)用仍處于研究之中，尚未有主力戰(zhàn)艦采用。主要原因是其實用性、可靠性及吊艙本身的電磁輻射和振動直接傳向大海，可能會導(dǎo)致隱身性能的下降等［34］。

5.4 安全性、可更換性等問題

雖然數(shù)據(jù)顯示ABB公司的Azipod的故障率很低，但是在設(shè)計和制造中，每一艘船舶的設(shè)計制造過程的差異可能導(dǎo)致性能的突變。RR公司的Mermaid在Queen Mary使用中，因為設(shè)計制造缺陷在運行過程中出現(xiàn)嚴重問題，并且由此陷入長期的法律糾紛中。所以提高吊艙的安全穩(wěn)定是保證吊艙發(fā)揮其性能的關(guān)鍵。

6 結(jié)束語

作為新型推進系統(tǒng)之一，吊艙推進器憑借其特性和出色的表現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域獲得了較大的成功，并且逐漸向軍事領(lǐng)域拓展。以西方為代表的四大生產(chǎn)廠商不斷推出和完善產(chǎn)品，為市場的各種推進需求提供了完整的解決方案。諸多國家和研究機構(gòu)都集中力量對現(xiàn)有產(chǎn)品性能和吊艙創(chuàng)新設(shè)計展開研究，專門針對吊艙的國際會議也逐漸增多。可以相信，經(jīng)過不斷地努力和探索，吊艙推進器的結(jié)構(gòu)和性能將得到不斷的完善和提升，使其在推進領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

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Recent Research on Podded Propulsor and Analysis of Key Technologies for Naval Vessels

Gao Yi－peng Zeng Fan－ming Zhang Xiao－feng
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

Podded propulsor has been adapted for both commercial and naval vessels because of its unique features and excellent performance.Researches of pod propulsion system have been made by many naval sectors worldwide.This paper starts with an elaboration of the podded propulsor in terms of principle， structure， flaws and merits， and summarizes a range of typical products and the characteristics of the podded propulsor，with particular attention to the analysis of recent researches and developments both domestic and abroad.Key technologies for naval application are then discussed， an overview of technical developments trends and future challenges is presented.

podded propulsor； marine propulsion； development status； key technology

U664.3

A

1673－3185（2011）01－90－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.018

2009－05-27

高宜朋（1987－），男，碩士研究生。研究方向：艦船動力裝置總體設(shè)計、分析與優(yōu)化。E-mail：gyp04＠ mails.tsinghua.edu.cn