破冰船動力系統(tǒng)及主推進(jìn)器發(fā)展與應(yīng)用分析

張燕

（上海倍豪船舶科技有限公司，上海 200439）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國在極地考察、海洋探索等方面取得了重大突破，不斷深入的現(xiàn)代化建設(shè)促進(jìn)了船舶的發(fā)展。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器因其簡便的操作流程、與船只匹配度高、方便快捷的安裝程序、安全可靠的技術(shù)保障等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年船舶安裝推進(jìn)系統(tǒng)的首選。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的制造技術(shù)已經(jīng)很成熟，如今能從市場上購買到各式各樣的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已經(jīng)在民用運(yùn)輸、海洋科考、極地探索等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?？紤]到船只的種類、承受力、結(jié)構(gòu)組成、裝置設(shè)計(jì)都有所不同，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)類型也有所不同。例如在南北極科考的船只對其破冰能力的要求極高，因此在使用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器時(shí)應(yīng)充分考慮推進(jìn)器的性能，只能支持船舶前進(jìn)的普通推進(jìn)器已經(jīng)不再適用于行駛于冰面的船只，所以還需進(jìn)一步加大對全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器破冰能力的改進(jìn)。

1 概述

1.1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器特點(diǎn)分析

隨著全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器技術(shù)的不斷發(fā)展，有效地提升了船舶的操作性能，因此船只對全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的應(yīng)用也越來越多。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器包括全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器和全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器兩種類型，其在特定的車間內(nèi)完成組裝任務(wù)，若有損壞需要對其進(jìn)行維修時(shí)，操作也是十分方便。舵槳裝置結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，組成部分包括轉(zhuǎn)動軸、螺旋槳、變速齒輪等，通過傘齒輪傳動機(jī)構(gòu)使螺旋槳或?qū)Ч芡七M(jìn)器能夠在水平面內(nèi)完成360的轉(zhuǎn)動，并保障船舶的運(yùn)行。吊艙作為一個(gè)獨(dú)立的推進(jìn)板塊，直接連接螺旋槳，位于船只底部，使電機(jī)能夠在水面下完成對船只的推進(jìn)作用，由于吊艙的電力傳動裝置組成單一，推進(jìn)器內(nèi)部的定距槳結(jié)構(gòu)簡單，電力不需要經(jīng)過機(jī)械齒輪，因此工作效率比一般的推進(jìn)裝置更高，360的動力供應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)船身任意方向的推力變化，能夠快速改變航行方向。但是由于吊艙成本過高，一般在大型破冰船或者郵輪上使用居多。初代的吊艙是專門為破冰船而設(shè)計(jì)的，它能夠讓船只實(shí)現(xiàn)側(cè)向破冰和倒向破冰，能夠開出比自身還寬的航道，經(jīng)過了技術(shù)的革新，吊艙逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，吊艙被改進(jìn)成緊湊型吊艙，逐步應(yīng)用于漁業(yè)船只和科考船只。但是目前的吊艙依然存在一些問題，例如對于體型較大的船只，傳統(tǒng)的全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器破冰船無法為其開辟出更寬的航道，因此相關(guān)人員還需要進(jìn)一步加大對船舶全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和研究。

1.2 推進(jìn)裝置發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)破冰船一般有四個(gè)螺旋槳，均勻分布在船頭和船尾。當(dāng)螺旋槳正方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，冰面下方的水被抽取出來，冰面變薄出現(xiàn)裂痕，然后螺旋槳將水和冰沖離船頭，讓船獲得一個(gè)前進(jìn)的動力；在螺旋槳反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，能夠起到幫助船舶后退的作用，使船的機(jī)動性增強(qiáng)。

一般而言，螺旋槳無法在結(jié)冰超過30cm 厚的水域中很好地運(yùn)行，因此對如俄羅斯、加拿大等冬季水域結(jié)冰厚度能夠達(dá)到2m 的地方，螺旋槳是無法進(jìn)行正常工作的。尤其對身處南北極海域的船只來說，由于冰層過于厚實(shí)，螺旋槳幾乎發(fā)揮不了作用，安裝在船只尾部的螺旋槳容易出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞甚至斷裂的情況。所以為了便于船舶在冰層較厚的北方地區(qū)更好地工作，設(shè)計(jì)人員除了在船只的頭部與尾部安裝螺旋槳，往往還會在船身的中部安裝螺旋槳。但這種安裝方式并不能完全解決問題，例如一些在南北極地區(qū)工作的船只，由于船體體積較小，而動力系統(tǒng)過于發(fā)達(dá)，導(dǎo)致船身在工作時(shí)容易出現(xiàn)劇烈晃動。各個(gè)國家對于船舶推動系統(tǒng)的研究正在不斷深入，為了滿足船只不同的工作需求、提高船只的工作效率、保障船舶作業(yè)的安全，研究人員設(shè)計(jì)出Z 形推進(jìn)器、POD 推進(jìn)器、固定式推進(jìn)器等針對不同船只的一系列推進(jìn)器，滿足了大部分船只在不同環(huán)境下的工作需求。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為一種新型推進(jìn)器，滿足了船只的破冰要求，提高了船只的工作效率，為船只安全工作提供了保障。

2 船舶全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的發(fā)展現(xiàn)狀

如今全球變暖已是不可否認(rèn)的事實(shí)，隨著北極冰川的不斷融化，越來越多國家將開發(fā)北極航線納入計(jì)劃清單，各個(gè)國家船舶建造行業(yè)取得了飛速發(fā)展。目前國內(nèi)外破冰船的推進(jìn)器主要采用柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)、柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)、定距槳、常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器等。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在競爭中展示了強(qiáng)大的優(yōu)勢，其良好的操作性能夠與破冰船較高的操作性要求相匹配，使其成為目前應(yīng)用最為廣泛的推進(jìn)器之一。但是由于常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的螺旋槳安裝在船身的側(cè)邊，前方靠近船頭的螺旋槳極易受到水流的影響，使螺旋槳的動力性能減低，導(dǎo)致全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器工作效率變低，針對于此，研究人員對常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了L 形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。以下是對破冰船主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的介紹。

2.1 柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)器是由柴油機(jī)作為動力系統(tǒng)的主動機(jī)，其內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，螺旋槳的動力由柴油機(jī)提供，作為提供動力的原動機(jī)，柴油機(jī)能夠直接實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，或者間接通過齒輪箱內(nèi)部的變速器，將能量輸送至螺旋槳，讓螺旋槳高速運(yùn)轉(zhuǎn)，柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于動力轉(zhuǎn)換的方式單一，能夠?qū)崿F(xiàn)直接的動力轉(zhuǎn)換，不需要太復(fù)雜的程序，從而避免了在動力傳輸過程中太多的動力損失，柴油機(jī)機(jī)械推動系統(tǒng)的成本低、操作簡單，因此受到生產(chǎn)商和使用者的青睞，但柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)屬于較為傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)，需要較大的使用空間，并且在特殊情況下或突然改變工況時(shí)，可能出現(xiàn)主機(jī)械無法正常運(yùn)作的情況，因此在對柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)器系統(tǒng)的改良過程中，要把提高船舶機(jī)動性作為重點(diǎn)內(nèi)容。

圖1 柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)

2.2 柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

柴油機(jī)電力推進(jìn)裝置類型可以分為傳統(tǒng)軸槳推進(jìn)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)和吊艙推進(jìn)。柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)對柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，動力轉(zhuǎn)換的過程由柴油發(fā)電機(jī)來完成，柴油機(jī)電力推進(jìn)器系統(tǒng)內(nèi)的固態(tài)整流器和變頻器能夠?qū)l(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電能，并為電機(jī)供電，主要組成部分包括螺旋槳、推進(jìn)電動機(jī)、變頻器、變壓器、交流電網(wǎng)、柴油發(fā)電機(jī)組，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)在操作性能方面得到了極大改善，并且占地小，能夠?yàn)榇还?jié)省使用空間，在工作過程中不會產(chǎn)生很大的噪音，能量消耗低，具有環(huán)保性。但是由于柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的流程復(fù)雜，轉(zhuǎn)換階段較多，因此會產(chǎn)生很大一部分的電力損耗，電力的損耗會增加船只航行和工作中的安全隱患；并且其組成十分復(fù)雜、電力配件種類繁多，因此操作人員需要具備專業(yè)的知識技能。

圖2 柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)

2.3 定距槳發(fā)展現(xiàn)狀

定距槳通常應(yīng)用于破冰船。定距槳可以根據(jù)需要拆分為四葉型定距槳，每一片槳葉都具備較大的功率，因此工作效率極高，且結(jié)構(gòu)十分簡單、價(jià)格低廉、安裝成本低，世界上大約有10 多種類型的船只都采用了定距槳。定距槳由柴油機(jī)直接驅(qū)動，能夠在破冰方面發(fā)揮重要作用，但是在一些特殊工況下，定距槳的工作效率會明顯降低，無法達(dá)到良好的效果，所以定距槳一般適用于對破冰工作有著嚴(yán)格要求的船只。

2.4 常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器發(fā)展現(xiàn)狀

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器能夠360全方位提供動力支持，還能夠?qū)崿F(xiàn)對船舶空間的合理利用，能夠達(dá)到船舶工作機(jī)動性的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)電力利用效果的提升，而且操作簡單，若受到損壞時(shí)，不用擔(dān)心會產(chǎn)生過高的維修成本。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為了提高船舶在冰面較厚地區(qū)的工作效率，研究人員對常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行了改造，例如舵葉會對船舶工作產(chǎn)生一定的影響，因此在對全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行改良時(shí)放棄了舵葉的設(shè)計(jì)，使推進(jìn)器在水下工作的動力得到了提升，可以實(shí)現(xiàn)船舶在冰面較厚的水域也能完成倒航與轉(zhuǎn)向，有利于船舶在航行時(shí)快速躲避障礙物，為船舶的安全航行提供了保障。

2.5 L 形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器發(fā)展現(xiàn)狀

L 形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器是以常規(guī)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器為基礎(chǔ)進(jìn)行改造的產(chǎn)物。其由兩部分組成，為安裝與維修工作提供了便利。其上部分是永磁電機(jī)，占地面積小，能為船舶節(jié)省空間。L 形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器改變了原先的連接形狀，將基座的連接處設(shè)計(jì)為圓弧形，使底部的硬度得到增強(qiáng)，對于推進(jìn)器的整體支撐結(jié)構(gòu)而言，L形推進(jìn)器的支撐形式是單底的支撐，圖3是單底支撐結(jié)構(gòu)的平面圖。

圖3 單底支撐結(jié)構(gòu)平面圖

L 形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與其他類型推進(jìn)器的不同在于，L 形全回轉(zhuǎn)推機(jī)器是安裝在船身內(nèi)部，雖然在一定程度上會影響船只內(nèi)部的使用面積，但能夠大大提高支撐高度，船體結(jié)構(gòu)連接處會為支撐推進(jìn)器提供安全保障，因此推進(jìn)器可以獲得更大的功率，很多中小型科考船都采用了L 形全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。

3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器主要控制措施及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器主要控制措施

一是對于安裝了舵槳裝置的船舶，可以根據(jù)實(shí)際情況和工作要求安裝定距槳，但是不能使用可調(diào)槳。

二是若船舶對破冰有要求時(shí)，應(yīng)使用強(qiáng)度高的螺旋槳（如鎳鋁青銅），而螺旋槳要具有一定厚度，因此為了減輕螺旋槳的重量，又要保障材料的硬度，在螺旋槳的選取上應(yīng)首先選擇組成材料為不銹鋼的螺旋槳。

三是不能選用轉(zhuǎn)速過大的槳，轉(zhuǎn)速過大，易導(dǎo)致船舶在航行過程中產(chǎn)生噪聲以及機(jī)械震蕩。

四是在對螺旋槳進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮到其工作時(shí)是否會產(chǎn)生水下噪音，因此可以與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，預(yù)測螺旋槳的水下工作噪音效果。

五是舵槳裝置需要減少齒輪傳動副、減小齒輪噪聲，建議采用降噪型的推力軸承。

六是優(yōu)化科考模式，在科考靜音模式下，減少回轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高舵效。

七是對于推進(jìn)電機(jī)安裝于水下的吊艙，會產(chǎn)生電機(jī)水下輻射噪聲，需要結(jié)合全船振動噪聲設(shè)計(jì)開展評估及采取結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等更多針對性的設(shè)計(jì)。

3.2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的應(yīng)用現(xiàn)狀

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在船舶上的應(yīng)用特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

一是如果齒輪槳轉(zhuǎn)速過快，則容易引發(fā)船身振動，在船舶航行過程中產(chǎn)生噪聲，所以一般采用吊艙，因?yàn)榈跖撌菬o齒輪傳動，可以有效改善因?yàn)檗D(zhuǎn)速而產(chǎn)生的振動和噪聲情況。

二是由于吊艙電機(jī)安裝在水下，電機(jī)是主要的水下噪聲輻射源，因此需要采取多種措施來降低所產(chǎn)生的水下噪聲，技術(shù)上更復(fù)雜。

三是由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩受到限制，要求較高的軸轉(zhuǎn)速，有些情況下無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)螺旋槳效率。

4 結(jié)語

隨著科技時(shí)代的到來，傳統(tǒng)的船只推動裝置被現(xiàn)代化的全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)方式所取代，新型全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的誕生作為我國船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大突破，為船只海上作業(yè)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器相比于傳統(tǒng)推進(jìn)器具有更好的機(jī)動性能、更簡捷的安裝操作、更小的占地面積，因其能夠?qū)崿F(xiàn)360的全方位動力供應(yīng)，可以提高船舶的工作效率，及時(shí)躲避障礙物，為船舶的航行提供了安全保障。如今，我國全方位推進(jìn)器技術(shù)不斷取得新進(jìn)展，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器將是未來船舶行業(yè)推進(jìn)器研發(fā)與應(yīng)用的主要方向。