半浸式螺旋槳在高速船上的應用

CCS浙江分社 應 勝

半浸式螺旋槳（Surface Piercing Propeller，SPP，簡稱半浸槳）是指高速船在設計航速航行時，部分槳葉露出水面而能正常運轉(zhuǎn)的螺旋槳。所以半浸槳也稱部分浸水螺旋槳或表面螺旋槳。半浸槳與常規(guī)螺旋槳相比有許多獨特的優(yōu)點。首先，采用半浸槳推進的船舶，船舶在設計航速航行時，槳轂、軸、液壓支撐附件等露在水面之上，因此減少了這部分附件引起的附加阻力。其次，由于半浸槳布置在船體尾封板的后方，從而避免了船體對螺旋槳直徑的限制，可以使螺旋槳的工作點的選擇更加優(yōu)化。在高速航行時，與半浸槳相比常規(guī)螺旋槳是“全浸”在水中，常規(guī)螺旋槳推進裝置將不得不面對“空泡”所引起的螺旋槳表面的“剝蝕”現(xiàn)象。而采用半浸槳推進系統(tǒng)則可以避免這個問題。半浸槳在運轉(zhuǎn)時，一半槳葉浸沒在水中，一半槳葉露在外面。螺旋槳始終處于“通氣”的狀態(tài)，所以不會產(chǎn)生“空泡腐蝕”的現(xiàn)象。此外，半浸槳推進系統(tǒng)還具有推進效率高、安裝靈活、維護保養(yǎng)方便等特點。

正是具備了諸多的優(yōu)點，半浸槳推進系統(tǒng)在高速船上的應用越來越廣泛。高速滑行艇主要應用在需要航速較高的公務快艇方面，如：海關的緝私艇，邊防和海警的巡邏艇，海事和漁政的執(zhí)法艇等。此外，高速滑行艇在軍用艦艇方面也有廣泛的應用價值。據(jù)了解，半浸槳推進系統(tǒng)目前已經(jīng)成為航速50kn以上船艇的主要推進方式之一。在超過100kn以上的高速船艇上，半浸槳推進裝置更是占有絕對的優(yōu)勢。目前，半浸槳推進裝置在世界各國最先進的高速船艇上已經(jīng)得到了廣泛的應用。

半浸槳推進系統(tǒng)結構特點

半浸槳推進裝置其實并不能簡單地理解為一種特殊的螺旋槳。其實半浸槳推進裝置是一個集螺旋槳推進系統(tǒng)、操舵裝置及舵槳操縱和控制系統(tǒng)為一體的一種特殊的舵槳推進系統(tǒng)。半浸槳推進裝置最初的應用是在美國，以二十世紀六十年代美國SES-100氣墊船上進行半浸槳研究和應用為標志。目前，半浸槳推進系統(tǒng)的研究和生產(chǎn)，主要還是集中在歐美等發(fā)達國家。半浸槳在高速滑行艇領域的市場也是被這些國家壟斷。我國在半浸槳方面的研究、制造的起步較晚。據(jù)了解，近年來一些行業(yè)內(nèi)知名的研究所在半浸槳的研究和應用等方面也取得了突破性的進展。

常見的半浸槳推進系統(tǒng)主要有以下幾個部分組成：螺旋槳、驅(qū)動軸（尾軸）、舵葉、操舵油缸、液壓動力單元、齒輪減速器、調(diào)節(jié)槳軸縱傾角度油缸及傳感器等（如圖1、2、3所示）。一般高速船都是采用雙機雙槳推進的形式。

圖1：半浸槳俯視圖

圖2：半浸槳側視圖

圖3：半浸槳實物照片

半浸槳與常規(guī)螺旋槳的區(qū)別

半浸槳是一種特殊的螺旋槳，其結構與常規(guī)的螺旋槳相比有一些顯著的不同。最明顯的區(qū)別就是半浸槳的隨邊與常規(guī)螺旋槳不同。常規(guī)螺旋槳的隨邊末端連線通常為圓弧形，而半浸槳則為一條直線（如圖4）。另外，由于半浸槳槳葉的剖面通常采用超空泡型剖面，槳葉剖面的最大厚度靠近螺旋槳的隨邊。而常規(guī)螺旋槳則一般都是靠近導邊。半浸槳還有一點與常規(guī)螺旋槳不同的就是，在大多數(shù)半浸槳的隨邊，有一個朝向葉面的附加部分，這一部分叫做“杯形”。這樣的結構除了可以增加槳葉的結構強度之外，還可以在半浸槳隨邊的附近產(chǎn)生額外的升力。此外，半浸槳還采用較大的螺距比P/D(P－螺旋槳螺距，D－螺旋槳直徑)。常規(guī)螺旋槳的螺距比一般都小于1，而半浸槳的螺距比通常都大于1。

圖4：半浸槳與常規(guī)螺旋槳槳葉輪廓的對比

圖5：半浸槳入水和出水示意圖

半浸槳的通氣現(xiàn)象

當采用半浸槳推進系統(tǒng)的高速滑行艇，在達到高速滑行狀態(tài)時，槳葉在運轉(zhuǎn)時是交替入水的。半浸槳大多數(shù)都是采用四到五葉槳。分析半浸槳的運轉(zhuǎn)周期可以知道，在一個槳葉的旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，大約有四分之一的槳葉完全浸沒在水中，四分之一的槳葉露在空氣中，剩下的兩個四分之一周期分別是槳葉的出水和入水的過程（如圖5所示）。半浸槳在高速運轉(zhuǎn)時，所產(chǎn)生的空泡會被出水和入水時吸入槳葉附近的空氣腔所代替。這種現(xiàn)象也稱為半浸槳的“通氣”現(xiàn)象。所以采用半浸槳可以大大減少螺旋槳表面的“空泡腐蝕”現(xiàn)象，有利于提高螺旋槳的使用壽命。

安裝及注意事項

采用半浸槳推進裝置的船舶與常規(guī)螺旋槳推進裝置相比安裝比較方便。半浸槳推進裝置的軸系通常采用萬向軸傳動。由于采用萬向傳動軸連接，所以采用半浸槳推進裝置的船舶的軸系是不承受推力的。半浸槳所產(chǎn)生的推力是通過半浸槳上的推力球軸承傳遞給船體的。所以安裝半浸槳推力軸承球座部分的船體結構（艉封板）的加強需要特別考慮。特別是對于采用玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼）為船體結構的高速船來說，推力軸承座附近的船體結構，需要在玻璃纖維敷設時提前將加強結構（如鋼板、木板等）預埋在船體結構中。在此類船舶的建造檢驗過程中，對于艉部的結構也需要特別關注，以免后期出現(xiàn)返工現(xiàn)象。

圖6：某高速艇半浸槳安裝示意圖

為了達到最佳航速，對于艉部海底門吸水口等的布置位置有嚴格的要求。以前述15米滑行艇半浸槳為例，從半浸槳葉尖大約21cm范圍開始，以及艉封板向前1.83m范圍內(nèi)盡量不要安裝海底門吸水口及其他傳感器。

此外，半浸槳安裝過程中還需要重點檢查升降、轉(zhuǎn)舵油缸安裝板與連桿無碰撞，艉軸推力球體與球座之間無碰撞（如圖7）。最后還應關注外部的液壓管與傳感器軟軸線的安裝。在液壓軟管接頭安裝時，既要保證液壓管的密性，又不能將螺紋接頭擰得太緊，導致接頭爆裂。在船舶下水之前對于所有液壓管路都需要進行強度和密性試驗，防止液壓油泄漏導致的海洋污染事故。傳感器軟軸線安裝時要注意，外部不需要留過長，如果留的過長，運轉(zhuǎn)時容易掛住物體，導致傳感線伸縮不暢。對于傳感線通過船體的貫穿件處，還需要進行有效的封堵，并進行密性試驗（如圖8所示）。

圖7：液壓油缸和推力軸承安裝示意圖

圖8：液壓油管及傳感器軟軸線安裝示意圖

半浸槳推進裝置在高速船上的應用已經(jīng)有將近半個世紀的歷史，但由于半浸槳推進裝置在普通民用商船上應用非常少。目前國際上各大船級社規(guī)范中，對于半浸槳推進系統(tǒng)的研究也非常少。由于半浸槳在高速運轉(zhuǎn)時，槳葉交替進入水中，半浸槳的水動力問題非常復雜，目前還沒有比較成熟的半浸槳圖譜設計方法。此外，半浸槳在高速運轉(zhuǎn)時，槳葉交替出入水，槳葉在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)所承受的推力大小的變化非常大。因此，對于半浸槳及其支撐結構的強度等的要求，比常規(guī)螺旋槳要更高。

對于采用半浸槳推進裝置的船舶，螺旋槳和艉軸的檢驗周期和檢驗方式等方面，國際上各大船級社目前的規(guī)范中也沒有針對性的要求。如果按照常規(guī)螺旋槳的檢驗周期和檢驗方式來進行，顯然是不合適的。由于目前半浸槳推進裝置的核心技術還是被國外的廠商所壟斷，半浸槳推進裝置在安裝、檢查及維護保養(yǎng)等方面的要求，主要還是參照半浸槳制造商的標準。

近年來，我國的海洋維權意識不斷增強。此外，海上的搜救、打擊海上的違法犯罪等活動，都需要我國的執(zhí)法部門擁有更加先進、高速和快捷的高速船艇。這也給半浸槳推進裝置在我國的研究和應用帶來了極大的機遇。