全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器線型設(shè)計(jì)

朱東華 魏菲菲

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器（又稱POD推進(jìn)器，簡稱吊艙式推進(jìn)器）是由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)固定在水下船體之外吊艙之內(nèi)的螺旋槳，吊艙可以繞其縱軸360°旋轉(zhuǎn)，自由地向任何方向推進(jìn)。

吊艙式推進(jìn)器的概念是在20世紀(jì)80年代末提出的，是一種全新的推進(jìn)理念。它集推進(jìn)和操舵裝置于一體，極大地增加了船舶設(shè)計(jì)、建造和使用的靈活性。

吊艙式推進(jìn)器廣泛應(yīng)用在客船（郵輪或渡輪）、大型集裝箱船、鉆井平臺(tái)、海洋工程支援船、客滾船、游艇、科學(xué)考察船、打撈船和 LNG 船上［1］。

1 吊艙式推進(jìn)器特點(diǎn)［2-3］

1.1 優(yōu)點(diǎn)

吊艙式推進(jìn)器和傳統(tǒng)推進(jìn)器比較有許多優(yōu)點(diǎn)：

1）節(jié)能減排。選用吊艙式推進(jìn)器可以調(diào)節(jié)電機(jī)（或液壓馬達(dá)）的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)外部變化的載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)將處在最佳狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高了能效水平，延長了發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2）操縱性能好。推進(jìn)器可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，極大地提高了船舶的操縱性和機(jī)動(dòng)性。

3）噪聲更低、振動(dòng)更小。與常規(guī)槳相比，吊艙式推進(jìn)器的槳盤面處可得到更均勻的來流，從而明顯減少振動(dòng)、降低噪聲。

4）結(jié)構(gòu)簡單可靠。

5）提高艙容利用率。采用吊艙式推進(jìn)器可以重新優(yōu)化尾部線型，充分利用機(jī)艙艙容，使船體設(shè)計(jì)尤其是船尾和集控室部分的設(shè)計(jì)具有很大的靈活性。

6）安裝維護(hù)方便。采用模塊化設(shè)計(jì)、安裝，縮短了船舶建造和維修周期。

1.2 缺點(diǎn)

1）一次性投資成本增加。

2）由于船舶安裝了多種新型設(shè)備，因此需要高素質(zhì)的高級(jí)船員。

3）盡管吊艙維護(hù)要求低，但一旦發(fā)生故障需要大修時(shí)，因維修空間有限，往往更麻煩。

4）吊艙安置于船體外部，易受攻擊，抗沖擊能力弱。

5）需要采用多種措施來降低水下噪聲。

2 優(yōu)秀的水動(dòng)力特性

吊艙式推進(jìn)器較傳統(tǒng)推進(jìn)器有更佳的水動(dòng)力性能，主要原因是：

1）螺旋槳的來流更加順暢（見圖1），發(fā)生空泡的危險(xiǎn)性更小，故使螺旋槳的效率可以設(shè)計(jì)得更高。

圖1 吊艙式推進(jìn)器槳前來流與傳統(tǒng)推進(jìn)器的比較

2）可選擇合適的推進(jìn)器安裝位置。

3）螺旋槳后的流線型機(jī)體可提升水動(dòng)力效率。

3 代表性廠商和產(chǎn)品

幾大船用設(shè)備生產(chǎn)廠商先后推出了不同型號(hào)的吊艙式推進(jìn)器，并在民用船舶上得到了廣泛應(yīng)用［4］。

3.1 ABB公司的Azipod系列推進(jìn)器

ABB公司于1990年研制的Azipod系統(tǒng)開創(chuàng)了吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的先河，取得了巨大的成功。目前Azipod主要有三種型式：標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、對(duì)轉(zhuǎn)式，單機(jī)功率最大可達(dá)40 MW，如圖2所示。

圖2 三種型式的Azipod

3.2 Rolls Royce的Azipull型推進(jìn)器

Rolls Royce的Azipull型推進(jìn)器也是市場占有率很好的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)，水動(dòng)力性能優(yōu)良（見圖3）。

3.3 Mermaid推進(jìn)器

瑞典Kamewa公司和法國Alstom公司合作開發(fā)了以導(dǎo)流罩原理為基礎(chǔ)的電力推進(jìn)裝置Mermaid推進(jìn)器。其實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

3.4 SSP推進(jìn)器

SSP吊艙式推進(jìn)器系統(tǒng)是德國西門子（Siemens）公司與肖特爾（Schottel）公司合作的產(chǎn)品，功率輸出范圍在5～30 MW之間。其推進(jìn)裝置示意圖如圖5所示。

3.5 Steerprop ECO系列推進(jìn)器

Steerprop公司是芬蘭一家較新的吊艙推進(jìn)器公司，其較為代表性的系列為ECO系列，如圖6所示。

圖3 Ro－Ro的Azipull型推進(jìn)器

圖4 Mermaid吊艙推進(jìn)器

圖5 SSP吊艙推進(jìn)器

圖6 Steerprop ECO吊艙推進(jìn)器

4 吊艙式推進(jìn)器線型設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)［3］

4.1 尾部線型

根據(jù)Steerprop公司提供的設(shè)計(jì)手冊(cè)——海洋工程船舶（中文版），裝有吊艙推進(jìn)器的船舶線型設(shè)計(jì)應(yīng)該使用縱向引流的尾部，即水流是沿著船體底部縱向，而不是沿著船體兩邊流向推進(jìn)器的。船體尾部線型與船體基線的夾角應(yīng)該盡可能的小。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最合適的夾角為17°～18°（見圖7）；如果夾角過大，會(huì)導(dǎo)致水流分離，在螺旋槳前端產(chǎn)生亂流，從而嚴(yán)重降低推進(jìn)器的性能。

圖7 尾部線型與基線的夾角

尾部縱剖線不必是S型的，橫剖面應(yīng)該在尾封板處有一個(gè)輕微的V型角度，以減少船尾在遇到海浪時(shí)產(chǎn)生抨擊的風(fēng)險(xiǎn)。

在有些船舶的設(shè)計(jì)中，推進(jìn)器可能會(huì)超出船體基線以下，這種情況應(yīng)合理設(shè)計(jì)尾鰭的大小與其相配，來保護(hù)推進(jìn)器。

尾封板應(yīng)該設(shè)計(jì)得盡可能少的浸沒在水中，浸沒水中會(huì)大幅度的增加船體阻力。螺旋槳與船體尾封板不應(yīng)該安裝過于接近，以免倒車和剎車時(shí)推進(jìn)器產(chǎn)生的空泡現(xiàn)象。

在保證航向穩(wěn)定性的情況下，尾鰭一般盡可能做得小。短小的尾鰭可以使得船舶更加靈活，能夠促進(jìn)船舶向后的航向保持和性能。在推進(jìn)器任何方向運(yùn)行時(shí)，尾鰭都最好不要超出螺旋槳的位置，尤其是船舶向后航行時(shí)，太長的尾鰭將會(huì)阻擋螺旋槳帶出的水流，使得船的回轉(zhuǎn)能力降低（見圖8）。

圖8 尾鰭不宜超出螺旋槳的位置

4.2 安裝底座距法蘭面的高度

安裝底座距離法蘭面推薦的最小高度為300～500 mm（見圖9）。這取決于底座的大小和型式，最小高度是由強(qiáng)度需求和安裝工藝來決定的。設(shè)計(jì)尾部縱剖線時(shí)需考慮此最小高度的影響，以免將來影響安裝。

圖9 最小安裝底座高度示意圖

4.3 推進(jìn)器安裝間距

為了提高船舶整體性能，尤其是操縱性，兩個(gè)推進(jìn)器之間的安裝間距應(yīng)盡可能的遠(yuǎn)。建議最小的間距為單個(gè)推進(jìn)器回轉(zhuǎn)直徑+500 mm。為了防止推進(jìn)器在船體橫傾時(shí)觸碰到防波堤或相鄰船舶的船體，建議推進(jìn)器安裝中心位置至舷側(cè)的距離應(yīng)大于推進(jìn)器回轉(zhuǎn)半徑+500 mm的距離（見圖10）。

圖10 安裝間距示意圖

4.4 推進(jìn)器傾斜和傾角

推進(jìn)器不需要完全垂直的安裝，如果有必要可以在縱向或橫向上有些傾斜（見圖11）?？v向小角度傾斜有助于增加螺旋槳葉梢與船體的間隙，對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)及預(yù)防空泡、減小振動(dòng)有積極的意義；另外也可以在壓載時(shí)增加螺旋槳的浸沒深度。如果主機(jī)內(nèi)部布置的問題需要靠船中位置安裝的話，就可以通過推進(jìn)器向舷側(cè)外橫向傾斜的方式來保證推進(jìn)器之間的間距最大化。最大傾斜角度可以視具體情況而定。

圖11 推進(jìn)器傾斜角示意圖

4.5 Headboxes的設(shè)計(jì)

有些船舶的尾部縱剖線是有斜度的，就需要增加一個(gè)流線型的過渡來連接主船體和推進(jìn)器，這就是Headboxes（見圖12）。由于它本身需要增加附體阻力，并且對(duì)螺旋槳的流場也有一定影響，所以Headboxes的設(shè)計(jì)應(yīng)值得重視。筆者就見過一條采用吊艙式推進(jìn)器的船舶，僅優(yōu)化推進(jìn)器和Headboxes的橫向安裝角度（Thruster and Headbox setting angle），收到功率 Pd就獲得了 2.1%的收益。

圖12 Headboxes示意圖

5 結(jié)語

綜上所述，吊艙式推進(jìn)器正以它獨(dú)特的魅力漸漸占領(lǐng)各種船型領(lǐng)域，就連ITTC也成立了吊艙式推進(jìn)器專家委員會(huì)對(duì)其進(jìn)行研究。隨著它重要性的增強(qiáng)，相信會(huì)有越來越多的組織機(jī)構(gòu)給予其更多的關(guān)注。

［1］馬聘.吊艙推進(jìn)技術(shù)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

［2］沈興榮，蔡躍進(jìn)，蔡榮泉，等.吊艙式推進(jìn)器水動(dòng)力性能研究綜述［J］.船舶力學(xué)，2011，15（1－2）：189－196.

［3］咸屹，聶文天.吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)器的現(xiàn)狀及展望［J］.江蘇船舶，2007，24（6）：28－37.