輪緣推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)與應(yīng)用分析

李志剛+江帆+朱慶太

【摘 要】輪緣推進(jìn)系統(tǒng)是一種全新的船舶推進(jìn)方式，其通過整合的方式間電機(jī)與推進(jìn)器集成一體，使其具有空間利用率高、推進(jìn)效率高、振動(dòng)和噪音小、不被漂浮物纏繞等優(yōu)點(diǎn)，使其在軍事和民用領(lǐng)域都有極高的應(yīng)用價(jià)值。本文通過輪緣推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)比較的方式分析其特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】無(wú)軸推進(jìn)；集成推進(jìn)；船舶動(dòng)力

引言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)海洋探索和開發(fā)的深入，傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)有著空間利用率低、噪音大、螺旋槳常被水中漂浮物（漁網(wǎng)、纜繩、水草等）纏繞等問題，逐漸顯現(xiàn)出各種不足，已經(jīng)無(wú)法滿足需求，因此許多新技術(shù)在船舶領(lǐng)域迅速出現(xiàn)，輪緣推進(jìn)系統(tǒng)就是其中之一。輪緣推進(jìn)系統(tǒng)由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從源頭處避免了許多傳統(tǒng)推進(jìn)裝置無(wú)法避免的缺點(diǎn)。

輪緣推進(jìn)系統(tǒng)最早在DARPA的Tango Bravo計(jì)劃中出現(xiàn)，這個(gè)計(jì)劃旨在為美軍提供更安靜高效的潛艇，隨著研究的深入，輪緣系統(tǒng)的種種優(yōu)點(diǎn)使其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。

1.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)將主機(jī)和螺旋槳分離，中間要通過齒輪箱和傳動(dòng)軸傳遞機(jī)械能，而輪緣推進(jìn)系統(tǒng)間電機(jī)與螺旋槳集成一體，使螺旋槳直接與電機(jī)中的轉(zhuǎn)子相連，通過改變電機(jī)的輸入電壓與輸入電流控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，由于其無(wú)齒輪箱和無(wú)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，使整套系統(tǒng)的空間利用率和能效比到得到了極大的提高。輪緣推進(jìn)系統(tǒng)極高的空間利用率能使船尾的型線得到改善，提高船尾流場(chǎng)的品質(zhì)為船體在艙室與流體性能上的優(yōu)化提供更大的空間。

軸系、齒輪箱等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是振動(dòng)和噪音的主要來(lái)源之一，且采用機(jī)械傳動(dòng)和密封潤(rùn)滑伴隨而來(lái)的是能量傳遞損失與效率損失。輪緣推進(jìn)系統(tǒng)的無(wú)軸、無(wú)齒輪箱設(shè)計(jì)能從源頭處避免機(jī)械傳動(dòng)過程中所產(chǎn)生的噪音，也避免了在機(jī)械傳動(dòng)過程與齒輪箱密封潤(rùn)滑過程產(chǎn)生的能量傳遞損失和效率損失，使船舶或潛艇在航行過程中更加安靜、高效，有利于提高艦艇的隱蔽性，也符合當(dāng)下綠色船舶的理念。

常規(guī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)其軸系雖然較短，但仍與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)一樣，采用機(jī)械傳動(dòng)的模式驅(qū)動(dòng)螺旋槳，仍需占用大量的船艙空間。據(jù)DARPA報(bào)告上的測(cè)算數(shù)據(jù)指出，水面艦艇采用輪緣推進(jìn)系統(tǒng)可以減少動(dòng)力系統(tǒng)占用空間的60%～70%，從而大幅度提高整體空間利用率。

2.輪緣推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1噴水推進(jìn)系統(tǒng)

限制噴水推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的原因主要有兩點(diǎn)：

（1）噴水推進(jìn)系統(tǒng)的渦輪葉片在船體內(nèi)部，一旦發(fā)生纏繞，故障排除過程會(huì)非常困難；

（2）噴水推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且原動(dòng)機(jī)機(jī)、傳動(dòng)裝置、推進(jìn)水泵、管道系統(tǒng)都在船體內(nèi)部，這將占用大量的艙室空間。

輪緣推進(jìn)系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：

（1）防纏繞；

（2）槳葉布置在電機(jī)內(nèi)側(cè)，當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)水流在電機(jī)內(nèi)側(cè)穿過。

將輪緣推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于噴水推進(jìn)中，將能避免纏繞，并精簡(jiǎn)掉傳動(dòng)系統(tǒng)，原動(dòng)機(jī)（電機(jī)）與推進(jìn)水泵集成一體，且成為管道系統(tǒng)的一部分，這將大幅度提其高空間利用率。

2.2 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)通常使用Z型推進(jìn)的方式，主機(jī)布置在船體內(nèi)部，通過傳動(dòng)軸和齒輪箱將機(jī)械能傳遞至螺旋槳，該系統(tǒng)占用空間較大，機(jī)械能損耗較高。

當(dāng)?shù)跖摬捎幂喚壨七M(jìn)系統(tǒng)時(shí)，區(qū)別于傳統(tǒng)的Z型推進(jìn)系統(tǒng)，輪緣推進(jìn)系統(tǒng)具有電機(jī)和螺旋槳集成一體的特點(diǎn)，電機(jī)布置在吊艙處，無(wú)需采用機(jī)械傳動(dòng)裝置，在船體內(nèi)機(jī)艙的位置只需布置一臺(tái)舵機(jī)，在提高整套系統(tǒng)的效率、降低振動(dòng)和噪音的同時(shí)，還能使機(jī)艙占船體比重大幅度減小，此外還有推進(jìn)系統(tǒng)維護(hù)方便、原動(dòng)機(jī)（電機(jī)）散熱簡(jiǎn)單、吊艙的布置靈活等優(yōu)勢(shì)。

2.3側(cè)推系統(tǒng)

傳統(tǒng)的側(cè)推系統(tǒng)通常將原動(dòng)機(jī)安裝與船體內(nèi)部，通過傳動(dòng)軸將機(jī)械能傳遞至螺旋槳，這會(huì)造成以下2個(gè)問題：

（1）齒輪箱與等傳動(dòng)裝置為剛性構(gòu)件，當(dāng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)受到反沖擊而產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。為減小沖擊通常將原動(dòng)機(jī)布置到更高的甲板上，使用更長(zhǎng)的傳動(dòng)軸，并將傳動(dòng)軸分成二級(jí)到三級(jí)，每一分級(jí)都有一對(duì)自對(duì)準(zhǔn)軸承，使各裝置重力負(fù)荷更均勻，并在最后一級(jí)與垂直傳動(dòng)齒輪連接處采用橡膠彈性連軸節(jié)進(jìn)行連接。這種處理方式會(huì)降低空間利用率和加大機(jī)械能損耗；

（2）傳統(tǒng)的側(cè)推系統(tǒng)的螺旋槳槳葉布置方式為離心布置，螺旋槳在工作時(shí)其槳葉的葉梢處會(huì)產(chǎn)生渦流，且所產(chǎn)生的渦流會(huì)直接撞擊導(dǎo)筒壁，葉梢渦流的大小會(huì)隨著葉梢處圓周速度的增大而增大，當(dāng)渦流較大，沖擊側(cè)推裝置導(dǎo)筒壁時(shí)會(huì)發(fā)出很大的噪音，葉梢渦流的撞擊還會(huì)使導(dǎo)筒壁表面材料發(fā)生腐蝕。為避免葉梢渦流撞擊導(dǎo)筒壁引起噪音和腐蝕，側(cè)推系統(tǒng)的螺旋槳葉梢處圓周速度一般不超過34米/秒，水流速度不超過10米/秒，這極大的限制了側(cè)推系統(tǒng)的功率，已經(jīng)不能滿足超大型船舶的需求。

若在側(cè)推系統(tǒng)中使用輪緣推進(jìn)，有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）輪緣推進(jìn)系統(tǒng)槳機(jī)一體化的特點(diǎn)能極大程度的改善側(cè)推系統(tǒng)空間利用率低的缺點(diǎn)；

（2）輪緣推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳的槳葉布置方式為向心布置，螺旋槳葉梢產(chǎn)生的渦流會(huì)在導(dǎo)筒軸心處相互抵消，不會(huì)引起導(dǎo)筒壁表面發(fā)生腐蝕。

3.結(jié)論

輪緣推進(jìn)系統(tǒng)是一種全新的船舶推進(jìn)系統(tǒng)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其從源頭處避免了很多缺點(diǎn)，很大程度上解決了傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間利用率低、振動(dòng)和噪聲大、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)，是一種在軍事、民用領(lǐng)域都具有極高應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景的推進(jìn)系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：

李志剛（1973—），男，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化 工作單位：江聯(lián)重工集團(tuán)股份有限公司

通訊作者：

江帆 （1985—），男，講師，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造 工作單位：九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院。endprint