吊艙式電力推進應(yīng)用及發(fā)展

鄭安賓，許汪歆，梁金雄，田忠殿，鄭 建

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

吊艙式電力推進器（POD），簡稱“吊艙推進器”，是近年來發(fā)展起來的一種新型的船舶電力推進系統(tǒng)。2 0 世紀80 年代，芬蘭K vaer n er Masa-Yards（KMY）船廠和ABB公司聯(lián)合開發(fā)了世界上第1臺吊艙推進器（Azipod）。該型式的推進器是一個延伸在船體后半部下面的裝于一個類似吊艙結(jié)構(gòu)中的電力推進單元，能進行360°旋轉(zhuǎn)。電力推進單元包含1臺推進電機，直接驅(qū)動（定距）螺旋槳。推進電機由變頻器控制，使電機在整個運行速度范圍內(nèi)達到滿轉(zhuǎn)矩。20世紀90年代初，安裝Azipod推進器的近海船“Selli”號和破冰油輪“Uikku”號在試航過程中取得令人滿意的效果后，吊艙推進器開始引起人們的關(guān)注，并迅速發(fā)展起來。

吊艙推進器從提出概念發(fā)展到目前，已有多種結(jié)構(gòu)布置形式。本文根據(jù)相關(guān)資料和設(shè)計經(jīng)驗，將吊艙推進器結(jié)構(gòu)劃分為以下幾部分：回轉(zhuǎn)模塊、吊柱模塊和推進模塊，其結(jié)構(gòu)組成見圖1[1]。目前，國外吊艙推進器生產(chǎn)商主要有ABB、Kongsberg、Siemens和GE等公司，推進功率已達到30 MW級，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于海工平臺、豪華郵輪、液化石油氣船、科考船及破冰船等高技術(shù)含量船舶。據(jù)統(tǒng)計，2010—2020年，在建造交付的船舶中，吊艙推進器裝船總功率超過了3 000 MW。

圖1 吊艙推進器結(jié)構(gòu)組成示意圖

1 吊艙推進器的特點

吊艙式電力推進器突破了原動機加開放式的傳動軸系形式，因此與傳統(tǒng)的推進方式相比，在船舶設(shè)計、性能、制造及維護等方面具有諸多特點，現(xiàn)將其優(yōu)點[2-4]和缺點[5-6]歸納如下。

1）空間配置靈活，節(jié)省艙容

吊艙推進器與軸系推進裝置相比，取消了艙內(nèi)軸系及其傳動附件，發(fā)電機組通過配電板、變壓器以及變頻器等為推進電機提供動力。因此，動力裝置可在機艙整個空間內(nèi)立體布置，既方便靈活，又充分利用了機艙艙容，為船體設(shè)計，尤其是船艉和集控室部分的設(shè)計提供了極大的靈活性。

吊艙推進器與Z型全回轉(zhuǎn)舵槳相比，推進電機置于水下的吊艙內(nèi)，艙內(nèi)部分只有轉(zhuǎn)舵裝置、滑環(huán)以及冷卻潤滑系統(tǒng)，因此所需艙容更小。以某4 000 t科考船為例，采用吊艙推進器與采用常規(guī)軸系推進方案對比，艙容提高了約27%。

2）提高船舶操縱性能

吊艙推進器可360°回轉(zhuǎn)，能在任何方向獲得最大推力，實現(xiàn)船舶原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、急速后退和微速操舵等特殊駕駛操作。

吊艙推進器推進電機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可以達到額定轉(zhuǎn)速的幾十分之一，驅(qū)動時螺旋槳從全速正轉(zhuǎn)到全速反轉(zhuǎn)最少只需15 s左右時間。因此，采用吊艙推進器相對于常規(guī)推進器大約可減少20%的反應(yīng)時間，全速時的轉(zhuǎn)彎半徑相對于常規(guī)推進器可減少30%左右。經(jīng)實船測試，某裝備吊艙推進器的科考船能夠在5 min內(nèi)實現(xiàn)原地360°回轉(zhuǎn)，在130 s內(nèi)實現(xiàn)船速由15 kn降至0。

此外，吊艙推進器容易獲得理想的拖動特性，如恒轉(zhuǎn)矩特性、恒功率特性、堵轉(zhuǎn)特性等。

3）提高水動力性能，節(jié)省燃料，經(jīng)濟性好

目前，吊艙推進器從結(jié)構(gòu)形式上分為“L”型和“T”型，從進流方向上分為“拖式”和“推式”，從螺旋槳配置上分為“單槳”和“對轉(zhuǎn)槳”。無論吊艙推進器結(jié)構(gòu)形式和配置如何，其水下吊柱橫截面采用“機翼型”剖面，最大限度的減小附體阻力。通過CFD和水池試驗表明，優(yōu)化后的吊艙推進器水動力性能比常規(guī)軸系槳提高4%左右。采用吊艙推進器，船舶艉部線型可以得到最優(yōu)化設(shè)計，減小船體阻力。據(jù)測算，經(jīng)過優(yōu)化后的船型效率比使用常規(guī)軸槳可提高10%～15%。

在非設(shè)計工況時，可以根據(jù)負載的需求量決定并入船舶電網(wǎng)的發(fā)電機組數(shù)量，使每臺發(fā)電機都能以較高的效率運行，從而減少燃油的消耗。

4）降低噪聲和振動

吊艙推進器的推進電機布置在水下吊艙內(nèi)，不與船體直接連接，更容易滿足螺旋槳與船底間隙的要求。因此，其產(chǎn)生的噪聲和振動比采用常規(guī)推進器小。此外，采用“拖式”吊艙推進器與常規(guī)推進器相比，其進流更加均勻，可以減小空泡效應(yīng)，從而降低螺旋槳作用在船底的脈動壓力，降低水下輻射噪聲和船體振動。

目前，采用吊艙推進器的科考船，水下輻射噪聲等級可以達到挪威船級社的SILENT A+S級要求，經(jīng)過優(yōu)化甚至可以達到F級要求。

5）模塊化程度高，便于安裝和維護

吊艙推進器可以分為3個模塊：回轉(zhuǎn)模塊、吊柱模塊和推進模塊，每個模塊均可獨立加工、組裝，然后在船廠完成吊艙推進器的總裝。為加快船舶建造進度，可先將吊艙推進器的回轉(zhuǎn)模塊預(yù)裝于船艙中，當船舶下水后將吊艙推進器水下部分直接在船外完成安裝。

吊艙推進器可以潛水維修，更換艉軸密封、螺旋槳等。對于大功率的“T型”吊艙推進器，甚至可以實現(xiàn)在內(nèi)部進行軸承和密封部件的維修與更換。

6）初始成本高

吊艙推進器是新型的船舶電力推進裝置，為保證吊艙推進器的使用性，需對其使用的推進電機、密封裝置、滑環(huán)裝置進行專門設(shè)計，這大大增加了吊艙推進器的投入成本。此外，由于吊艙推進系統(tǒng)需要較多的電氣元件，因此相比常規(guī)推進其成本也會增加20%～30%左右。

2 吊艙推進器產(chǎn)品及應(yīng)用開發(fā)

自第一臺吊艙推進器應(yīng)用以來，經(jīng)過近30年的發(fā)展，吊艙推進器產(chǎn)品已逐漸成熟，廣泛應(yīng)用于各種船舶。目前具有代表性的廠家和產(chǎn)品主要有以下5個。

2.1 Azipod 推進器

ABB公司開發(fā)的吊艙推進器為Azipod，目前Azipod推進器有緊湊型（Compact Azipod）、標準型（Standard Azipod）、對轉(zhuǎn)型（CRP Azipod）和冰區(qū)加強型4種型式。

緊湊型Azipod包括C系列和D系列（見圖2和圖3），均采用永磁同步電機作為推進電機，功率范圍為0.4 MW～7.5 MW。C系列為“L型”結(jié)構(gòu)，推進電機完全依靠外部海水冷卻，而D系列為“T型”結(jié)構(gòu)，推進電機采用混合冷卻技術(shù)，并且結(jié)合了C系列和大功率XO系列的最佳功能，因此能夠為游輪、渡輪等提供經(jīng)濟高效的動力。目前，ABB公司中小功率吊艙推進器主要為Azipod D系列。另外，針對高推力要求，ABB公司開發(fā)了一種帶導(dǎo)管的推式吊艙推進器，稱為DZ系列，功率范圍2.1 MW～7.5 MW。

圖2 Azipod C系列

圖3 Azipod D系列

標準型Azipod包括MO系列和XO系列（見圖4和圖5），屬于中、大功率吊艙推進器。MO系列采用了ABB第四代高效永磁電機，功率范圍為7.6 MW～14.5 MW，適用于渡輪、客滾船、大型海工平臺、中型游輪和穿梭油輪等。XO系列是針對大功率、開放水域開發(fā)的一款吊艙推進器，功率范圍14 MW～22 MW，具有高效、出色的機動性能和乘客舒適度等特點，適用于渡輪、豪華郵輪等。

圖4 Azipod MO系列

圖5 Azipod XO 系列

對轉(zhuǎn)型Azipod（見圖6）功率范圍為22 MW～90 MW，其形式為在常規(guī)推進器的后面同軸布置Azipod推進器，這樣可以減小氣穴現(xiàn)象，改進推進器的水動力性能。對轉(zhuǎn)式Azipod推進器主要用于大型貨船和集裝箱船，推進效率提高10%～15%。

圖6 對轉(zhuǎn)型 Azipod

冰區(qū)加強型Azipod（見圖7）包括ICE系列和VI系列。ICE系列采用永磁電機和定距槳，功率范圍2 MW～5 MW，具有出色的破冰性能。VI系列裝置高效交流同步電機，功率范圍6 MW～17 MW。冰區(qū)加強型Azipod適用于極地科考船、郵輪以及破冰船等，可使裝機功率減少50%。

圖7 Azipod VI 系列

2.2 Kongsberg 吊艙推進器

Kongsberg公司的吊艙推進器有4種型式：優(yōu)雅型（Elegance pod）、美人魚（Mermaid pod）、高推力頂推式（High Thrust Pushing Mermaid）和冰區(qū)加強型（Mermaid ICE/HICE pod）。

優(yōu)雅型吊艙推進器（見圖8）功率范圍為2 MW～7.5 MW，內(nèi)置高效永磁電機，經(jīng)CFD和模型水池試驗得到了優(yōu)良的水動力性能，并結(jié)合Kongsberg公司的驅(qū)動變頻器和控制系統(tǒng)，可以為客戶提供出色的推進和操縱性能。美人魚系列吊艙推進器（見圖9）內(nèi)置交流異步或無刷同步電動機，功率范圍為5 MW～27 MW，螺旋槳為大側(cè)斜式，降低了噪聲和振動。螺旋槳、軸封等部件可以在水下進行拆換，因此便于安裝和維修。高推力頂推式吊艙推進器（見圖10）內(nèi)置交流異步或同步電動機，功率范圍為4 MW～11 MW，可實現(xiàn)水下安裝。

圖8 Elegance pod

圖9 Mermaid pod

圖10 PUSH pod

冰區(qū)加強型吊艙推進器針對極地環(huán)境開發(fā)，功率范圍4 MW～18 MW。電機定子直接燒嵌到殼體上以便于利用周圍海水冷卻，電機采用PWM控制技術(shù)保證了低速大扭矩穩(wěn)定性能，ICE系列破冰等級達到了PC4級，并且具有優(yōu)秀的敞水性能，HICE系列破冰等級達到了PC1級。

2.3 SSP 推進器

西門子（Siemens）和肖特爾公司（Schottel）開發(fā)的SSP吊艙推進器（見圖11）功率范圍為5 MW～30 MW。SSP推進器采用了雙螺旋槳形式，即在同一根軸的兩端都裝有螺旋槳，并且使用了Siemens公司研發(fā)的永磁電動機作為推進電機，其優(yōu)勢在于相比傳統(tǒng)的同步電動機，該永磁電動機的直徑減少了40%，質(zhì)量減少了15%。SSP推進器適用于所有海船。

圖11 SSP 系列

2.4 GE 推進器

GE公司開發(fā)的SEAJET吊艙推進器（見圖12）配置交流異步電動機，功率范圍為2.5 MW～22 MW。其特點包括：采用電動轉(zhuǎn)舵、先進的軸承技術(shù)，延長使用壽命、采用環(huán)境友好型密封系統(tǒng)，防污染、模塊化設(shè)計、滿足IEC標準要求。

圖12 SEAJET 系列

2.5 S-POD 推進器

中國船舶集團有限公司第七〇四研究所自2007年開始從事吊艙式電力推進器的研發(fā)工作，先后突破了吊艙推進器水下密封設(shè)計、水動力性能及負載分析、回轉(zhuǎn)高精度控制等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了“L型”拖式吊艙推進器（見圖13），推擠電機采用永磁電機，4葉或5葉螺旋槳，推進效率達到了0.62。目前七〇四研究所S-POD系列吊艙推進器功率范圍覆蓋0.4 MW～5 MW。

圖13 S-POD 系列

3 結(jié)論

與常規(guī)推進相比，雖然吊艙式電力推力具有眾多的優(yōu)點，但仍出現(xiàn)了各種技術(shù)問題。作者對吊艙推進器關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向從以下幾個方面提出了3點意見[7-8]。

1）水下密封技術(shù)。吊艙推進器的推進電機布置在水下的吊艙內(nèi)，為保證推進電機的安全運行，水下密封必須可靠。目前國內(nèi)外吊艙推進器產(chǎn)品采用的艉軸密封形式主要有2種：（1）機械端面密封+唇形密封的形式；（2）采用多道唇形密封的形式。在水下密封設(shè)計時，需要考慮冗余度、泄漏回收、應(yīng)急密封以及艙內(nèi)維修。因此，具有自動調(diào)節(jié)內(nèi)外壓差空氣密封系統(tǒng)是今后發(fā)展方向之一。

2）軸承布置及絕緣設(shè)計。推進電機兩端布置推力軸承和支撐軸承，在軸承布置時不僅需要考慮外負載的作用，而且還要考慮電機發(fā)熱所造成的槳軸膨脹。目前，吊艙推進器驅(qū)動端軸承大部分采用SKF公司的圓環(huán)滾子軸承，具有更好的自動調(diào)心和軸向位移補償能力。為防止電機軸電流對軸承造成損傷，一般在非驅(qū)動端軸承部位做絕緣處理，在驅(qū)動端布置接地裝置。為實現(xiàn)推力軸承艙內(nèi)維護，在大功率吊艙推進器設(shè)計時，考慮采用滑動式推力軸承代替滾動推力軸承。

3）超大功率推進電機設(shè)計。目前市場上的吊艙推進器推進電機有交流異步電機、交流同步電機和永磁電機3種形式。超大功率推進電機一般采用3.3 kV或6.6 kV電壓，為了增加電機冗余度，可以采用多相電動機，由多個變頻裝置供電，可以有效的消除諧波，減小轉(zhuǎn)矩脈動。近年由于高溫超導(dǎo)材料的商品化，采用高溫超導(dǎo)電機作為吊艙推進推進電機已能為可能。相同功率的超導(dǎo)電機與常規(guī)電機相比，體積可減小50%，重量可減小80%，即使在30%額定航速下，其效率也能超過90%。因此高溫超導(dǎo)電機是超大功率推進電機的發(fā)展方向之一。