福伊特直翼槳在潛水支持船上的應用及安裝

羅益根

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州350501)

福伊特直翼槳在潛水支持船上的應用及安裝

羅益根

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州350501)

基于深海海況對船舶整體性能的要求較高，根據福伊特直翼槳的特性，以300 m水深的飽和潛水支持船為研究對象，分析福伊特直翼槳在潛水支持船上的應用前景，并對福伊特直翼槳安裝工藝進行總結，為后續(xù)類似船舶的設計和建造提供參考。

福伊特直翼槳;潛水支持船;設備安裝;造船工藝

0 引言

海上資源開發(fā)、打撈、科學考察、勘探、救助等領域正逐步擴展到深水領域，但是深水領域的海況條件要復雜得多，對在深水作業(yè)的海洋工程船尤其是潛水支持船的整體性能有著更高的要求。

飽和潛水系統(tǒng)作為海上大深度作業(yè)的主要方式，需要完成300 m以內的諸多復雜水下作業(yè)。福伊特直翼槳以其獨特的性能特點能更好地滿足潛水支持船深水作業(yè)時對推進系統(tǒng)的要求，極大地提高潛水支持船在深水作業(yè)時的安全可靠性和動力定位性能。

本文研究的福伊特直翼槳葉片數量5個，葉片軌道直徑3.2 m,推進器形式采用電子控制。在分析福伊特直翼槳工作原理基礎上,制定有效合理的安裝工藝,為潛水支持船深水作業(yè)提供安全可靠的動力定位性能。

1 福伊特直翼槳在潛水支持船上的應用

1.1福伊特直翼槳的工作原理

福伊特直翼槳主要由槳葉、連桿機構、旋轉箱體、控制桿、槳殼、傘齒輪、輸入軸、液壓伺服馬達等組成。其工作原理可以看成兩個運動的合成：旋轉箱體沿垂直軸方向旋轉的同時，單獨每片槳葉圍繞自身的軸進行往復擺動。這種往復擺動是通過1套連桿機構來實現的，其擺動產生的推力在旋轉箱體上實現疊加。福伊特直翼槳的水力剖面面積為矩形[1]，而螺旋槳的為圓形。福伊特直翼槳的結構圖如圖1所示。

1.2福伊特直翼槳的主要特性

1.2.1快速轉變舵向

福伊特直翼槳推力的大小和方向是通過2臺垂直布置的伺服電動機驅動連桿機構進行控制的，不需要改變旋轉箱體的旋轉方向，因此反應時間極短。福伊特直翼槳從全速正車到全速倒車的時間僅需要3 s，而全回轉轉舵槳通常需要12～15 s。

1.2.2無通氣現象

因為福伊特直翼槳獨特的水動力原理，其垂直槳葉弦長上的壓力分布均勻，因此不會出現普通螺旋槳的淺吃水通氣現象。福伊特直翼槳的槳葉只要浸沒在水中就會產生推力。隨著槳葉逐漸露出水面，其推力平緩下降。全回轉福伊特直翼槳接近水面時會有通氣現象產生，越接近水面越敏感，產生的空泡會導致額外的振動噪聲和槳葉的剝蝕損傷。

1.2.3減搖性能

福伊特直翼槳推力的大小和方向可以無極、快速調節(jié)，可以在減小船舶橫搖運動中發(fā)揮作用。在其控制系統(tǒng)中只需要加裝1套加速傳感器模塊來反饋船舶橫搖的方向和角度，系統(tǒng)經過一定的計算將信號反饋到螺距控制系統(tǒng)，通過調節(jié)推力的大小和方向來抵消船舶橫搖方向的力矩以減小船舶橫搖運動。福伊特直翼槳為主動式減搖，在船舶動力定位(DP)和航行過程中都可減搖。在優(yōu)先保證船舶動力定位的前提下，利用額外的有效功率來進行減搖。另外，還可以替代減搖鰭和減搖水艙，而且減搖效果好于此類常規(guī)減搖裝置。相反地，也具有增搖的功能，比如做波浪補償海上功能試驗時，如果海況較好波浪不大，甲板吊的波浪補償功能不明顯，就可以利用它的增搖功能使船舶搖晃起來。福伊特直翼槳減搖功能示意圖如圖2所示。

1.2.4動力定位性能

福伊特直翼槳具有良好的動力定位性能，可以極為快速和精確地控制推力。其螺距無極可調，調節(jié)速度快，從正向最大螺距到反向最大螺距僅需要3 s，能夠快速適應風、浪、流的變化，不會在未預期的方向上產生任何推力。

1.2.5無齒輪疲勞失效可能

福伊特直翼槳具有較好的抗抨擊性能，轉動慣量大，即使在極其惡劣的海況下槳葉全部出水時也不會對傳動齒輪造成沖擊負荷，傳動齒輪不會出現齒輪內部疲勞失效現象。而全回轉舵槳由于通氣和抨擊產生的交變負荷的作用會導致傳動齒輪內部疲勞失效。

1.3潛水支持船上的應用前景

福伊特直翼槳在國外早有使用，但在國內船舶應用還不是很普遍。相比較全回轉舵槳，雖然福伊特直翼槳初期投資成本較高，但是綜合其性能特點，在潛水支持船等高附加值船上的應用還是有很大優(yōu)勢的，應用前景很廣闊。

飽和潛水系統(tǒng)作為海上大深度作業(yè)的主要方式，能夠完成300 m以內的諸多復雜水下作業(yè)。飽和潛水系統(tǒng)主要包括生命支持系統(tǒng)、潛水鐘收放系統(tǒng)、居住艙、飽和潛水控制室和潛水控制室等[2]。在大深度水域工作往往具有復雜多變的海況，尤其在潛水鐘收放系統(tǒng)運行期間，對船舶的DP動力定位能力要求非常高。 根據潛水鐘和轉換艙對接方向，可把潛水鐘收放系統(tǒng)分為水平式和垂直式，本文以水平式潛水鐘收放系統(tǒng)為例介紹潛水鐘釋放回收操作。

(1)釋放：潛水員進入潛水鐘，潛水鐘脫離轉換艙；潛水鐘滑車將潛水鐘移到導軌中，潛水鐘提升絞車將潛水鐘拉起并和導向罩對接；打開導向罩限位裝置，下放潛水鐘與配重架對接，然后潛水鐘下潛到水下作業(yè)地點。

(2)回收：潛水鐘提升絞車將潛水鐘從作業(yè)點提起，使?jié)撍娕c配重架對接；潛水鐘托起配重架提升至導軌頂部，限位裝置將導向罩鎖?。粷撍娀囈迫霛撍娤路?，將潛水鐘移至轉換艙接口處；潛水鐘和轉化艙對接，潛水員回到居裝艙。

潛水支持船必須在DP狀態(tài)下完成整個海上作業(yè)，因而需要最大程度地減少船體搖晃對潛水作業(yè)的影響。尤其在海況不好的情況下，船上除了配置減搖艙外，福伊特直翼槳將發(fā)揮其減搖和定位的作用。福伊特直翼槳與全回轉舵槳動力定位性能比較如圖3所示。

考慮潛水員長時間居住在加減壓艙里，與外界隔離并保持高壓，生理和心理的負擔都特別大，福伊特直翼槳也可以提高船舶的舒適度。結合潛水支持船的工作特性，將福伊特直翼槳作為潛水支持船的主推進系統(tǒng)是一個較好的選擇，能夠提高潛水支持船在深海作業(yè)時的安全可靠性和動力定位性能。

2 福伊特直翼槳的安裝工藝

本文以VSP 32 RS EC型號的福伊特直翼槳為例，介紹其安裝工藝。

2.1福伊特直翼槳的安裝

2.1.1福伊特直翼槳基座安裝要求

(1)要求福伊特直翼槳基座安裝面與船體外板相互平行以保證福伊特直翼槳本體底板與船體外板平順，允許公差為±5 mm?；惭b法蘭中心與外板開孔中心盡可能對齊。福伊特直翼槳安裝后盡量確保其旋轉箱體中心與外板開孔中心匹配，允許的中心偏移公差為±3 mm。

(2)基座圍井的支撐結構原則上要求布置在基座安裝面的2個螺栓孔中間。螺栓的定位孔是基于旋轉齒輪軸來定位的，采用雙眼布置方式?；惭b接觸面區(qū)域的加工粗糙度級別為12.5～25 μm。

(3)福伊特直翼槳基座在船上安裝到位前需要進行平面加工。平面加工精度要求為：福伊特直翼槳本體有3處支撐腿用于支撐內部軸承，支撐面積為內部軸承的1.5倍寬度；基座對應的區(qū)域平面度要求不大于±0.1 mm以保證各支撐腿在螺栓鎖緊時不產生超應力；其余區(qū)域的平面度要求不大于0.3 mm。福伊特直翼槳密封面安裝區(qū)域都需要進行加工。

2.1.2福伊特直翼槳基座的密封

(1)福伊特直翼槳基座密封墊片厚度為2 mm，具有防海水和防油功能，可以承受的擠壓力為30 MPa。每個連接處采用鴿尾式對接。

(2)安裝螺栓鎖緊時預先鎖緊至0.7倍的屈服極限應力。

(3)需要注意的是，確保螺栓扭矩報檢在福伊特直翼槳安裝后1～2 d再進行。因為可壓縮式的密封墊片有可能導致螺栓的扭矩減小。

2.1.3福伊特直翼槳的安裝

(1)福伊特直翼槳安裝前，需要再次檢查船體基座安裝平面，基座面的寬度約為福伊特直翼槳支撐腳寬度的1.5倍，在基座支撐腳范圍內的平面度偏差允許值為±0.1 mm。福伊特直翼槳支撐腳之間區(qū)域的基座平面度要求不大于0.3 mm。

(2)如果大傾斜角度安裝福伊特直翼槳，需要增加1個或者數個側面支撐塊以保證均勻的下滑至基座安裝面。

(3)福伊特直翼槳安放到基座上時，應根據預先在圍井上做好的4個方向的標記，與自身的4個標記對齊為止。

(4)福伊特直翼槳安裝到位后需要在支撐臂與基座法蘭間加3個錐度銷。

2.1.4福伊特直翼槳葉片的安裝

(1)安裝過程中需要保證周圍環(huán)境清潔。

(2)福伊特直翼槳葉片的安裝需要廠家服務工程師在場。如果安裝葉片時油箱已經注入滑油，這些滑油可以通過干凈合適的泵轉移到槳本體的大油箱內。安裝葉片時需要考慮塢底與直翼槳底板之間有足夠空間用于安裝葉片。

推進電機-中間軸-福伊特直翼槳組裝圖如圖4所示。

2.2軸系的對中和安裝

核實對中公差，電機與福伊特直翼槳的軸端之間的距離滿足900 mm，最大距離為910 mm，最小距離為880 mm，徑向中心偏移公差不大于±0.2 mm，角度公差為0.1 mm/100 mm(直徑)。軸系組裝圖如圖5所示。軸系的對中和安裝步驟如下：

(1)福伊特直翼槳輸入軸和電機輸入軸需要預先做好去除油脂等清潔工作，并進行干燥處理。從軸向方向推進槳端聯(lián)軸節(jié)、電機端聯(lián)軸節(jié)。 槳端聯(lián)軸節(jié)在4×90°處各有用于盤車用的孔。

(2)預先將聯(lián)軸節(jié)放在軸上的位置，2個聯(lián)軸節(jié)距離軸端的距離要保持一致。電機端聯(lián)軸節(jié)在電機驅動軸上將要安裝位置預先做好永久性標記。

(3)聯(lián)軸節(jié)與軸匹配區(qū)域需要確保與軸全面接觸，如果這個區(qū)域沒有與軸全部接觸會導致聯(lián)軸節(jié)損壞以及軸功率傳遞扭矩減小。

(4)開始鎖在電機驅動軸上的聯(lián)軸節(jié)的軸向螺栓，初次扭矩鎖至預計扭矩的一半，這樣聯(lián)軸節(jié)就初步固定在電機的驅動軸上。拆除電機端聯(lián)軸節(jié)上的限位裝置。

(5)將槳端聯(lián)軸節(jié)安裝到福伊特直翼槳驅動軸上，調整到距離軸端10～15 mm處。拆除槳端聯(lián)軸節(jié)上的限位裝置。

(6)用16個M27 mm×60 mm六角螺栓將中間軸與電機端聯(lián)軸節(jié)進行固定，用于臨時支撐中間軸。鎖緊扭矩為預計扭矩的一半。

(7)電機端聯(lián)軸節(jié)法蘭裝入到中間軸端部的槽內，槳端聯(lián)軸節(jié)和電機端聯(lián)軸節(jié)的“0”位需要對齊。

(8)沿軸向方向移動槳端聯(lián)軸節(jié)，推向中間軸直至與中間軸的凹槽相互匹配。

(9)槳端聯(lián)軸節(jié)法蘭需要裝入到中間軸端部的槽內。槳端聯(lián)軸節(jié)和電機端聯(lián)軸節(jié)軸向方向的螺栓不能鎖緊。此時可以測量檢查聯(lián)軸節(jié)法蘭之間的間隙。福伊特直翼槳和電機之間的熱膨脹量可以通過軸向的拉長或者預壓縮來調整。

(10)槳端聯(lián)軸節(jié)與中間軸用16個M27 mm×60 mm六角螺栓進行固定，鎖緊扭矩為預計扭矩的一半。

(11)鎖緊槳端聯(lián)軸節(jié)和在電機驅動軸上聯(lián)軸節(jié)上的軸向螺栓。同時鎖緊所有六角螺栓達到預定扭矩。

按以上步驟完成后需要重新檢查對中，聯(lián)軸節(jié)對中越好(對中偏差值越小)，設備運行會更加順暢，使用壽命也會更長。

3 結語

通過對福伊特直翼槳特性的分析，對于潛水支持船來說，選擇福伊特直翼槳作為主推進系統(tǒng)，能夠大大提高其在深水作業(yè)時的安全可靠性。結合潛水支持船的工作特性，福伊特直翼槳安裝在潛水支持船上是一個非常完美的配置。通過福伊特直翼槳安裝工藝的總結為將來相關船舶設計建造提供了參考經驗。

[1] 勞克斯，宋新新.特種船舶用低噪聲直翼推進器[J].機電設備,1990(3):33-34,16.

[2] 宋海鷹.飽和潛水專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].大連：大連海事大學，2015.

U664.31

A

2017-05-10

羅益根(1979—)，男，工程師，主要從事船舶設計與建造工作。