半潛船舵槳推進(jìn)器內(nèi)部密封設(shè)計(jì)要點(diǎn)

杜鵬 柳德君

摘 要：6000T半潛船是中交三航局開(kāi)發(fā)的新一代半潛船，該船配套的舵槳推進(jìn)器由本公司設(shè)計(jì)提供。文章對(duì)半潛船特殊作業(yè)工況和項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行了綜合分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)舵槳推進(jìn)器內(nèi)部的密封組件進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，并總結(jié)了該船型配套舵槳推進(jìn)器內(nèi)部密封設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)際證明該設(shè)計(jì)方案是安全可行的。

關(guān)鍵詞：半潛船；舵槳推進(jìn)器；空氣密封裝置；內(nèi)部密封設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1 概述

半潛船[1]是指在裝卸作業(yè)時(shí)船體絕大部分可以潛入水下，而航行時(shí)處于正常吃水狀態(tài)的一種特殊船型。與常規(guī)貨船相比，半潛船有其獨(dú)特的貨物裝載方式，裝卸作業(yè)時(shí)的下潛和上浮均靠打入壓載水和排出壓載水來(lái)完成。舵槳推進(jìn)器可通過(guò)操縱轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)使螺旋槳圍繞垂直的中間立柱做360°任意方向旋轉(zhuǎn)，是集推進(jìn)和操舵功能于一體的特種推進(jìn)器。由于舵槳下部組件及槳葉全部在海水中工作，因此其內(nèi)部密封組件性能至關(guān)重要。6000T半潛船項(xiàng)目配置的舵槳推進(jìn)器由本公司設(shè)計(jì)并提供，由于該船作業(yè)模式復(fù)雜，作業(yè)工況與常規(guī)船型有所區(qū)別，常規(guī)密封方案無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，舵槳內(nèi)部密封方案需特殊優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)概況

2.1 船體基本參數(shù)（如圖1）

船長(zhǎng)： 65M

型寬： 36.8M

型深： 5.4M

設(shè)計(jì)吃水： 4.2M

最大沉深： 22M

推進(jìn)器布置： 雙機(jī)雙槳

原動(dòng)機(jī)類(lèi)型： 變頻電機(jī)

功率/轉(zhuǎn)速： 750KW/1000rpm

舵槳型號(hào)： NRP100

船級(jí)社： CCS

2.2 舵槳內(nèi)部密封設(shè)計(jì)工況分析

舵槳內(nèi)部密封主要包括兩種結(jié)構(gòu)形式：O型圈密封和唇口密封，其中O型圈密封形式為壓縮靜態(tài)密封，唇口密封形式則為旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)密封。密封件主要作用是在舵槳正常運(yùn)行過(guò)程中防止外部海水進(jìn)入舵槳推進(jìn)器內(nèi)部和防止內(nèi)部潤(rùn)滑油泄露至外部海水中，起到隔絕海水和潤(rùn)滑油的目的。

半潛船通常配置DP系統(tǒng)（Dynamic Positioning System），用于船舶下潛或上升運(yùn)行模式下驅(qū)動(dòng)舵槳保證船體定位精度。半潛船在半潛作業(yè)時(shí)吃水較深，同時(shí)由于船舶作業(yè)時(shí)吃水深度和位置調(diào)整頻繁，導(dǎo)致舵槳內(nèi)部動(dòng)密封裝置內(nèi)的唇口和襯套之間的間隙會(huì)頻繁發(fā)生變化，在此過(guò)程中密封由于舵槳槳葉高速推進(jìn)和頻繁轉(zhuǎn)舵的使用工況致使密封唇口變形發(fā)熱和過(guò)度磨損，使得密封使用壽命減少和發(fā)生泄漏。該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮該舵槳推進(jìn)器兩種吃水模式情況：一種在巡航模式，吃水深度為4.2米；另一種為半潛模式，吃水深度為22米。

2.3 舵槳內(nèi)部密封設(shè)計(jì)方案

2.3.1 動(dòng)密封方案

根據(jù)項(xiàng)目船舶設(shè)計(jì)要求及實(shí)際舵槳運(yùn)行工況綜合分析，舵槳推進(jìn)器NRP100最終選用了荷蘭IHC公司的Supreme空氣密封組件，通過(guò)圖2、圖3可看出常規(guī)密封系統(tǒng)和配置空氣單元Supreme密封系統(tǒng)中動(dòng)密封承受壓力之間的區(qū)別，常規(guī)密封系統(tǒng)中動(dòng)密封兩側(cè)壓力差在船舶作業(yè)中無(wú)法有效調(diào)節(jié)，隨船舶吃水深度變化密封兩側(cè)壓力變化明顯，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保證有效工作狀態(tài)，而空氣單元密封系統(tǒng)中動(dòng)密封內(nèi)側(cè)的壓力隨著吃水的變化時(shí)刻進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證密封兩側(cè)壓力平衡，密封狀態(tài)安全有效。

圖2常規(guī)密封系統(tǒng)

圖3空氣單元密封系統(tǒng)

Supreme密封系統(tǒng)主要包括空氣控制單元1、轉(zhuǎn)舵密封組件和艉密封組件2和回收裝置3，具體參見(jiàn)圖4。

高壓空氣通過(guò)空氣控制單元調(diào)節(jié)減壓后進(jìn)入轉(zhuǎn)舵密封和艉密封組件，然后回至外部放置的回收裝置中，系統(tǒng)內(nèi)部多余空氣可通過(guò)底部艉密封裝置上的單向閥排出至海水中，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)壓力平衡，相關(guān)工作原理可參見(jiàn)圖5。

密封系統(tǒng)中各組件功能介紹如下：空氣控制單元1主要功能是將船上的密封裝置的進(jìn)氣壓力減至與海水壓力相同的水平，減壓過(guò)程是通過(guò)控制箱內(nèi)的元件進(jìn)行自動(dòng)控制完成的，原理是將船舶吃水壓力變化轉(zhuǎn)化成空氣流量信號(hào)，根據(jù)流量變化來(lái)調(diào)節(jié)單元內(nèi)部空氣控制閥的閥芯位置，從而達(dá)到控制密封組件內(nèi)部壓力的目的?？諝饪刂茊卧ǔＲ筮M(jìn)氣壓力在7-10bar，根據(jù)該項(xiàng)目最大半潛吃水22米設(shè)計(jì)要求，將控制單元內(nèi)控制閥組空氣出口壓力最高設(shè)定為2.2bar。

轉(zhuǎn)舵密封和艉密封裝置2主要作用是保證舵槳在轉(zhuǎn)舵過(guò)程和螺旋槳推進(jìn)過(guò)程起密封作用，隔絕外部海水與舵槳內(nèi)部潤(rùn)滑油。其中艉密封裝置單獨(dú)配置了Supreme ventus閥組，該閥組為單向閥組，安裝在艉密封密封殼體外部，直接接觸海水，其主要作用是將部分多余空氣排放至海水中，時(shí)刻保證密封兩端的壓力均衡。根據(jù)項(xiàng)目要求選用轉(zhuǎn)舵密封裝置SE-400，內(nèi)孔直徑370mm；艉密封裝置SVA-190，內(nèi)孔直徑170mm。

回收裝置3作用是將少量空氣從空氣密封艙排出，形成一個(gè)有效的排水系統(tǒng)，任何進(jìn)入密封內(nèi)的海水或油都會(huì)被內(nèi)部空氣排入回收裝置內(nèi)，其密封系統(tǒng)工作狀態(tài)可以通過(guò)定期采樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)項(xiàng)目要求選用回收裝置容積為10L。

2.3.2 靜密封方案

常規(guī)船型配置的舵槳中上齒輪箱和頂部油箱與機(jī)艙大氣相通，內(nèi)部無(wú)滑油，因此O型圈承受壓力可忽略不計(jì)，而舵槳井箱及下部齒輪箱內(nèi)部充滿潤(rùn)滑油，O型圈承受一定的滑油壓力和海水壓力。因此常規(guī)船型配置的舵槳靜密封O型圈受壓特點(diǎn)是從上至下壓力逐漸變大。

半潛船配置的舵槳配置Supreme空氣密封組件，該裝置要求舵槳上齒輪箱和頂部油箱與機(jī)艙大氣隔絕密封，并需將控制單元閥組出口處的空氣與舵槳頂部油箱聯(lián)通，因此該項(xiàng)目中舵槳上齒輪箱及頂部油箱內(nèi)O型圈最高承受壓力為2.2bar，與空氣控制單元出口處的空氣壓力相同，而舵槳井箱及下部齒輪箱內(nèi)部O型圈至承受內(nèi)部潤(rùn)滑油壓力，半潛船型配置的舵槳靜密封O型圈受壓特點(diǎn)是從上至下壓力逐漸減小，因此舵槳上部O型圈在設(shè)計(jì)時(shí)一定要求注意壓力分布特點(diǎn)和最高承受壓力。

3總結(jié)

根據(jù)半潛船作業(yè)工況的特殊性，配套舵槳推進(jìn)器內(nèi)部可采用空氣密封組件裝置來(lái)保證密封的安全與可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意空氣控制閥調(diào)節(jié)后的空氣壓力應(yīng)與吃水深度產(chǎn)生壓力相等。

常規(guī)舵槳推進(jìn)器內(nèi)部靜密封件受壓特點(diǎn)是從上至下壓力逐漸增大，而半潛船推進(jìn)器配置空氣密封單元后，內(nèi)部靜密封件受壓特點(diǎn)變?yōu)閺纳现料聣毫χ饾u減小，在密封設(shè)計(jì)過(guò)程中需充分考慮兩者區(qū)別。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前該項(xiàng)目舵槳前期已順利通過(guò)船級(jí)社船檢和船東驗(yàn)收，在后續(xù)試航和實(shí)船應(yīng)用中該舵槳密封系統(tǒng)顯示出高效、安全和穩(wěn)定的良好工作狀態(tài)，充分證明該舵槳推進(jìn)器內(nèi)部密封方案設(shè)計(jì)是成功的（如圖6所示）。文章通過(guò)對(duì)半潛船舵槳推進(jìn)器內(nèi)部密封設(shè)計(jì)要求分析，結(jié)合與常規(guī)舵槳密封設(shè)計(jì)要求對(duì)比，總結(jié)出相關(guān)舵槳推進(jìn)器內(nèi)部密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)類(lèi)似案例較少，有很大的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黃蓓蓓，于洋.半潛船發(fā)展歷史與展望[J].中國(guó)水運(yùn)，2010（1）：4-6.

[2]孫化棟.淺析空氣式尾軸密封[J].天津航海，2006（4）：16-18.

作者簡(jiǎn)介：杜鵬（1981，8-），男，南京人，2006年畢業(yè)于山西太原科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，研究生?，F(xiàn)南京高精船用設(shè)備有限公司工作，工程師。

柳德君（1987，9-），男，南京人，2010年畢業(yè)于華中科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，本科，現(xiàn)南京高精船用設(shè)備有限公司工作，工程師。