某海洋綜合調(diào)查船直葉槳推進(jìn)器操縱性分析

馬強(qiáng)　陸小科　姜本儉

摘? ? 要：福伊特施耐德推進(jìn)器（簡(jiǎn)稱VSP），又名直翼舵槳裝置、擺線推進(jìn)器、直葉槳推進(jìn)器等。由于其在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，對(duì)其操縱性不甚了解。本文對(duì)某海洋綜合調(diào)查船安裝的VSP推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)、原理、推進(jìn)等進(jìn)行介紹，并對(duì)其操縱性進(jìn)行分析和實(shí)船驗(yàn)證，得出其具有矢量特性、舵槳合一性、控制模式多樣性。對(duì)國(guó)內(nèi)后續(xù)安裝該類型推進(jìn)器的船舶提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：直葉槳推進(jìn)器;VSP;操縱性

中圖分類號(hào)：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The Voith Schneider Propeller （VSP）， is also known as cycloidal propeller. Because of its less application in China， the maneuvering performance of VSP is not well understood. This paper introduces the structure， principle and propulsion of the VSP installed on the oceanic resource research vessel， analyzes and verifies its maneuvering performance. It is concluded that it has the vector property， rudder-propeller unity and control mode diversity.

Key words： Voith-Schneider propeller; VSP; Maneuvering performance

1? ? ?前言

隨著科考船等海上作業(yè)船舶對(duì)船舶操縱性能要求越來越高，直葉槳推進(jìn)器（簡(jiǎn)稱VSP）因其獨(dú)一無二的將推力和轉(zhuǎn)向結(jié)合在一個(gè)裝置中，可精確快速地在各方向產(chǎn)生無級(jí)推力，操縱精確靈活，使其在高端船舶領(lǐng)域占有一席之地。但由于VSP價(jià)格相對(duì)高昂，在國(guó)內(nèi)裝船數(shù)量較少，目前僅南通中遠(yuǎn)船務(wù)公司2012年交付的“海上安裝者”風(fēng)電安裝船、天津新港船舶重工2017年交付的“淞航”遠(yuǎn)洋漁業(yè)調(diào)查船、馬尾造船股份有限公司2017年交付的Southern Star潛水支持船、以及我司2019年交付的海洋綜合資源調(diào)查船裝有該種推進(jìn)器。

本文從實(shí)船安裝的VSP入手，對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理、推力和方向調(diào)節(jié)等方面進(jìn)行介紹，對(duì)其操縱性進(jìn)行分析和實(shí)船驗(yàn)證。

2? ? VSP基本結(jié)構(gòu)和原理

我司建造的海洋綜合資源調(diào)查船安裝的VSP，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由靜止部件、旋轉(zhuǎn)部件、控制部件三部分組成，如圖1所示。

圖1中輸入軸通過減速齒輪（6）減速后，再通過傘齒輪（7）減速后帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)箱體（1）轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使槳葉（2）繞控制桿中心轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制桿下控制點(diǎn)S與旋轉(zhuǎn)箱體中心O重合時(shí)，槳葉繞推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)中心作切線圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)不產(chǎn)生任何推力（如圖2所示），真正做到了零螺距零推力;當(dāng)控制桿下控制點(diǎn)S與旋轉(zhuǎn)箱體中心O成一定的偏心時(shí)，槳葉將不位于切線位置而與切線成一定夾角，由此產(chǎn)生對(duì)水推力。水反作用于船舶使船舶產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。

VSP垂直向下的數(shù)片槳葉圍繞同一垂直軸線勻速旋轉(zhuǎn)，每片槳葉分別繞著各自的軸心做擺動(dòng)，經(jīng)疊加后形成擺線運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。

3? ? VSP推力和方向調(diào)節(jié)

VSP的推力和方向兩者的變化，均由同一套伺服機(jī)構(gòu)來控制，如圖5所示：伺服機(jī)構(gòu)主要由兩臺(tái)成90°夾角的伺服馬達(dá)（1）組成，通過集成在本體上的液壓系統(tǒng)改變伺服馬達(dá)的行程，即可改變控制桿上控制點(diǎn)S相對(duì)中心O 的位置，從而使控制桿下控制點(diǎn)S沿相反方向改變，并通過槳葉執(zhí)行裝置（3）改變槳葉的轉(zhuǎn)角，隨之產(chǎn)生推力，且偏心距越大推力越大。

由于其推力方向與控制桿成90°夾角，故控制桿上控制點(diǎn)S與船體橫向的夾角，即為其推力與船體首向的夾角，此角度可以從本地指示面板（見圖6）看到。為了與船舶航行描述一致，圖6中將此面板旋轉(zhuǎn)了90°。此指示板是安裝在外殼蓋內(nèi)，從外部可以看到指針;指示面板上分布有刻度線，沿徑向等分的幾個(gè)同心圓為螺距大小刻度。最大刻度為100%，即螺距邊界線（3）;最外圓為控制桿邊界線（2），即控制桿的機(jī)械限位。

理論上指示板上的指針可以指示在螺距邊界線內(nèi)的任意位置，但考慮到船舶航行的安全性，即在縱向分量大時(shí)（高速狀態(tài)）如果橫向分量過大，則存在船體傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。故推進(jìn)器廠家根據(jù)不同船的型號(hào)、任務(wù)和速度，對(duì)每艘船都設(shè)置了不同的控制圖譜曲線（1），以限制橫向分量的大小，船舶在正常航行時(shí)都不會(huì)超出該限制曲線;只有在DP模式下，由于船舶航速很低即懸停狀態(tài)，控制桿可超出該限制曲線但不超過螺距邊界線。

本船的控制圖譜曲線，如圖6中（1）曲線所示。從圖中可以看出，控制圖譜曲線為一條由上下兩部分的拋物線和中間部分的直段線組成的函數(shù)曲線。當(dāng)本船在100%指令航行時(shí)，控制桿上控制點(diǎn)S將在這條紅色曲線上運(yùn)行;當(dāng)指令為90%時(shí)，控制點(diǎn)將在等比例縮小的紅色曲線上運(yùn)行。因此，只有在首向不變時(shí)即橫向螺距為0時(shí)縱向螺距可以達(dá)到最大值;而隨著橫向螺距的加大，縱向螺距隨之減小，當(dāng)達(dá)到本船的橫向螺距限制點(diǎn)（約73%），縱向螺距減小到0～20%之間。

由此可知，VSP最終是通過改變舵心的偏心距OS來調(diào)節(jié)推力大小、通過改變舵心的相位角來調(diào)節(jié)推力方向;此外，在偏心距一定的情況下，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增加，推力也會(huì)隨著加大。與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器相比，由于其方向改變無需轉(zhuǎn)動(dòng)大齒輪盤，使得其轉(zhuǎn)向更迅速快捷，但同時(shí)也限制了轉(zhuǎn)向推力的輸出，而不是像全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器一樣推力的大小與方向無關(guān)。

4? ? VSP操縱性分析

VSP遙控手柄為矢量手柄，手柄方向即為推力方向，手柄推進(jìn)大小即為指令大小。VSP通過接受到這兩個(gè)信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的函數(shù)曲線，最終分解為縱向螺距和橫向螺距，并反饋給液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)使控制點(diǎn)達(dá)到所需位置，在手柄矢量方向產(chǎn)生相應(yīng)的推力。

由于手柄的矢量特性，船舶的操縱性就與推進(jìn)器的所屬位置密切相關(guān)，（如圖8所示）;當(dāng)推進(jìn)器位于船舶尾部時(shí)，由于推力對(duì)尾部作用，故船舶前進(jìn)中轉(zhuǎn)向右舷，手柄應(yīng)設(shè)定為左向前（如圖7所示）;而當(dāng)船舶倒車中轉(zhuǎn)向右舷，手柄應(yīng)設(shè)定為右向后;如果推進(jìn)器位于船舶首部時(shí)，則操作方向與之相反。因此，港作拖輪為了與常規(guī)操舵方向一致，通常將推進(jìn)器安裝于靠首部位置。

由于兩個(gè)推進(jìn)器手柄并不聯(lián)鎖，故當(dāng)左側(cè)推進(jìn)器手柄位于右下角45°方向、右側(cè)推進(jìn)器手柄位于右上角45°方向時(shí)，船體可以實(shí)現(xiàn)向右舷橫移，如圖9所示。

對(duì)于控制模式，由于推進(jìn)電機(jī)由變頻器控制，使得其輸入轉(zhuǎn)速是可變的。VSP的推力大小受到螺距和轉(zhuǎn)速兩方面的影響，故VSP操縱模式可分為定轉(zhuǎn)速模式和聯(lián)控模式：

（1）定轉(zhuǎn)速模式是在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變螺距來改變推力大小。本船設(shè)有三檔轉(zhuǎn)速，分別為650、800、1 000 r/min，此三檔轉(zhuǎn)速共用一條螺距調(diào)節(jié)曲線，如圖10所示;

（2）聯(lián)控模式是既改變轉(zhuǎn)速又改變螺距來改變推力大小。在低轉(zhuǎn)速時(shí)先調(diào)節(jié)螺距，當(dāng)螺距達(dá)到100%時(shí)再提高轉(zhuǎn)速直至額定轉(zhuǎn)速，如圖11所示。

從圖10、圖11可以看出：聯(lián)控模式下能充分發(fā)揮VSP的舵效，經(jīng)濟(jì)性高，故航行狀態(tài)下推薦使用該模式;而在靠碼頭或繁忙航道內(nèi)航行時(shí)，為提高響應(yīng)速度、保證船舶安全，推薦采用1 000 r/min定轉(zhuǎn)速模式。

此外，由于VSP的推力方向可以360°可調(diào)，故在配置2臺(tái)及以上VSP時(shí)就具有了動(dòng)力定位（DP）能力。在DP模式下，也可分為定轉(zhuǎn)速和聯(lián)控模式兩類，其特性與上述相同，不再?gòu)?fù)述;該模式下唯一的區(qū)別，就是其控制圖譜曲線是螺距邊界線的外圓，這樣可使任何方向力的最大值是相等的，使得其能在任何方向發(fā)揮最大的動(dòng)力定位能力。

最后，由于VSP的推力可任意方向，且響應(yīng)速度快，使得配置2臺(tái)VSP時(shí)能產(chǎn)生與波浪相反的扭矩，實(shí)現(xiàn)減搖功能。此減搖功能能覆蓋船舶從0到全速范圍，不過由于減搖的實(shí)現(xiàn)需預(yù)留一定的功率，故低速下減搖效果好于高速階段。

5? ? 實(shí)船驗(yàn)證

通過海上航行試驗(yàn)，對(duì)其操縱性進(jìn)行了相應(yīng)驗(yàn)證：

推進(jìn)器裝于尾部，其轉(zhuǎn)向方式與上述描述一致，其響應(yīng)速度相當(dāng)靈敏，基本做到舵角指令到則舵角方向同時(shí)到位;實(shí)船全速時(shí)從左舵15°到右舵15°僅用7.4 s，約4°/ s，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的2.3°/ s;在回轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，回轉(zhuǎn)直徑在3倍船長(zhǎng)以內(nèi)，優(yōu)于規(guī)范要求的不超過5倍長(zhǎng)。

必須指出，在做上述試驗(yàn)前存在一個(gè)操舵角度的問題。因其操縱手柄是矢量手柄，操縱桿上并無角度標(biāo)注，因此如果用矢量手柄做上述試驗(yàn)，對(duì)于舵角指令的下達(dá)存在反復(fù)修正的情況。由于本船自動(dòng)舵模塊配置了隨動(dòng)舵手輪，此手輪上有電子顯示角度。為此，在做上述試驗(yàn)時(shí)，先通過矢量手柄控制好航速，再選用自動(dòng)舵模式下的隨動(dòng)模式，通過隨動(dòng)舵手輪控制方向，從而解決了舵角指令的精確下達(dá)問題。因此，其他船在選用此類推進(jìn)器的控制模塊時(shí)，需考慮操舵指令問題。

6? ? 結(jié)束語

通過以上對(duì)VSP的實(shí)船應(yīng)用介紹和操縱性分析與驗(yàn)證可以看出，VSP的操縱具有矢量特性，且與安裝位置有關(guān)，操縱反饋迅速靈敏，舵槳合一。同時(shí)其具有多種控制模式，不同船型可以根據(jù)操作習(xí)慣設(shè)定幾種控制模式，以實(shí)現(xiàn)最大經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] VSP. DAYANG︱32R5 ECS/265-2 Operation Manual[Z]，2019 .

[2] R.勞克斯，宋新新.特種船舶低噪聲直翼推進(jìn)器[J].機(jī)電設(shè)備，1990（03）.

[3] 王振邦.擺線推進(jìn)器機(jī)構(gòu)的研究[J].船工科技，1983（03） .

[4] 錢曉南.直翼推進(jìn)器的性能分析及其理論[J].中國(guó)造船，1963（03） .