直葉槳在科考調(diào)查船上的應(yīng)用

張紅兵

（701研究所 上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108）

0 引 言

普通螺旋槳具有推進效率高、工藝簡單和可靠性高等優(yōu)點，不足之處是噪聲振動較大和影響船舶的操縱性（較難實現(xiàn)船舶減搖、轉(zhuǎn)向等功能）等。為彌補這些不足，噴泵推進器、直葉推進器、吊艙推進器和Z形推進器等多種推進器逐漸被開發(fā)出來，并得到越來越多的應(yīng)用。

直葉推進器又稱豎軸推進器或平旋輪推進器，一般設(shè)有若干葉垂直的葉片（4～8葉），這些葉片在圓盤上均勻分布，圓盤與船體底部齊平。圓盤繞垂直軸旋轉(zhuǎn)各葉片，使其以適當?shù)慕嵌扰c水流相遇，從而產(chǎn)生推力[1]。直葉推進器主要由動力裝置、轉(zhuǎn)輪、葉片和葉片運動控制機構(gòu)組成（見圖1）。葉片在隨轉(zhuǎn)輪繞轉(zhuǎn)輪圓心轉(zhuǎn)動的同時，繞自身的軸擺動。直葉推進器的偏心裝置可控制各葉片與水流相遇的角度，進而產(chǎn)生任意方向的推力。

直葉推進器既可產(chǎn)生正向前進作用的推進力，又可產(chǎn)生橫向作用的轉(zhuǎn)向力。該推進力和轉(zhuǎn)向力的大小和方向均可迅速進行調(diào)節(jié)。推力的迅速變化和大力矩的生成使得直葉推進器能用來有效減小船舶的橫搖運動。尤其是當船舶處于靜止狀態(tài)或航速不高時，可有效減小船舶的橫搖運動[2]。

對于安裝一般螺旋槳的船舶而言，其在停航或低速航行時的舵效往往很差或完全喪失操縱能力，而安裝直葉推進器的船舶在這2種工況下仍具有較好的操縱性。因此，直葉槳作為一種船用推進裝置，具有良好的操縱性和減搖功能，有較高的應(yīng)用價值和較大的發(fā)展?jié)摿?。我國第一艘遠洋漁業(yè)資源科考船“淞航”號是我國第一艘采用直葉槳推進的船舶，由于其任務(wù)的特殊性，需滿足操縱性好和噪聲低的要求。

圖1 直葉推進器基本結(jié)構(gòu)

1 直葉槳工作原理

1.1 敞水效率

圖2為單槳最大功率為2100kW的直葉槳（型號為VSP28R5/234，5葉，槳盤直徑為2800mm，葉片長度為2340mm）的敞水特性曲線，其中ηeta為敞水效率。從圖2中可看出，直葉槳的敞水效率最高可達到0.70，能達到優(yōu)秀螺旋槳的敞水效率水平，且最佳敞水效率（0.68～0.71）覆蓋的進速系數(shù)取值范圍較大，為0.65～0.80。直葉槳的選型主要由槳收到功率的大小確定，在主機功率確定的情況下，直葉槳的選型基本確定。在選定槳徑之后，設(shè)計航速（即螺旋槳設(shè)計點的轉(zhuǎn)速）應(yīng)與航速相匹配，使直葉槳的進速J=vA/(π ·n·D)盡可能地處于敞水效率較高的區(qū)域。對于槳徑為2.8m的5葉直葉槳來說，進速應(yīng)盡可能地取在0.65～0.80范圍內(nèi)。

圖2 直葉槳敞水特性曲線

式(1)～式(5)中：J為進速系數(shù)；ks為推力系數(shù)；kd為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；0η為敞水效率；u為槳葉的圓周速度；n為轉(zhuǎn)速；T為推力；M為扭矩；vA為航速；D為槳葉運動軌道的直徑；L為槳葉的長度。在設(shè)計直葉槳時，采用類似螺旋槳推進器的水動力系數(shù)。目前產(chǎn)業(yè)化的直葉槳設(shè)計的最高敞水效率為73%。

1.2 直葉槳推進效率的測定

在船模上進行直葉槳試驗時，槳模是直接安裝在船體底面上的，準確測量推力非常困難，只能測得軸扭矩和軸轉(zhuǎn)速，通過與有效功率相比較，計算出整體推進效率。該推進效率一般包括傘齒輪減速效率、船身效率、相對旋轉(zhuǎn)效率和整體推進效率。表1為兩型船的推進效率試驗結(jié)果。從表1中可看出，直葉槳能達到的整體推進效率在0.51～0.63，比常規(guī)螺旋槳的推進效率（敞水效率約為0.65，齒輪減速效率為0.98，船身效率為0.98，相對旋轉(zhuǎn)效率為0.98，整體推進效率約為0.61）略低。

表1 兩型船的推進效率試驗結(jié)果

1.3 直葉槳推進船舶的操縱性

直葉槳推進船舶的螺旋槳工作原理與常規(guī)槳軸推進船舶不同，其垂直向下的數(shù)片槳葉圍繞同一垂直軸線勻速旋轉(zhuǎn)，各片槳葉分別繞著各自的軸心擺動，疊加之后形成擺線運動。通過改變多心的偏心距來調(diào)節(jié)螺旋槳推力的大小，通過改變相位角來調(diào)節(jié)螺旋槳推力的方向，推力的大小和方向無極可調(diào)。變向范圍為0°～360°，可任意調(diào)節(jié)，沒有首選方向[3]。推力的大小和方向的變化由同一套伺服機構(gòu)來控制。通過調(diào)節(jié)槳葉撥水的角度獲得不同的舵效，給船舶一個側(cè)向的推力，改變船舶的航向。安裝2臺以上的直葉槳，可使船舶具有良好的水上機動能力，實現(xiàn)前進、后退、原地回轉(zhuǎn)和側(cè)向移動等運動[3]。

2 直葉槳性能優(yōu)勢

2.1 直葉槳對船舶阻力的影響分析

在設(shè)計直葉槳推進的船時，省卻附體可有效降低船舶附體阻力，從而提高船舶的推進效率。表2為附體阻力統(tǒng)計[2]。

表2 附體阻力統(tǒng)計

根據(jù)表2，取各類附體阻力取值范圍的中間值，得到這些附體的阻力占裸船總阻力的15%～20%，即直葉槳推進的船相比常規(guī)雙槳推進的船可減小15%～20%的附體阻力，這對于減小船舶阻力，提高船舶經(jīng)濟性而言有比較明顯的優(yōu)勢。

2.2 直葉槳減搖性能分析

目前常用的船舶減搖方式是抑制其橫搖運動，即控制船舶繞中縱軸的轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動是因波浪力的周期性作用而產(chǎn)生的?，F(xiàn)有的減搖方式分為主動減搖和被動減搖2種[1]。

直葉槳既可產(chǎn)生正向前進作用的推進力，又可產(chǎn)生橫向作用的轉(zhuǎn)向力。該推進力和轉(zhuǎn)向力的大小和方向均可迅速進行調(diào)節(jié)。推力的快速變化和力矩的生成使得直葉槳能用來有效減小船舶的橫搖運動[5]。尤其是當船舶處于靜止狀態(tài)或航速不高時，可有效減小船舶的橫搖運動。在實際應(yīng)用中，直葉槳的減搖是自動控制的：通過安裝在船舷兩側(cè)的傳感器探測橫搖運動的周期和角度，將該信號提供給獨立的減搖控制器單元，控制器對其進行分析計算之后主動控制直葉槳產(chǎn)生相應(yīng)的推力，得到與激波力矩（即橫搖力矩）的作用相反的穩(wěn)定力矩。減搖控制器作為獨立的功能模塊，可根據(jù)需要隨時開啟或關(guān)閉。因此，直葉槳船舶的減搖方式也是主動式減搖，但與常規(guī)主動減搖裝置不同，其減搖效果與航速無關(guān)，即無論船舶是處于靜止狀態(tài)還是航行狀態(tài)，只要有足夠的動力源可供直葉槳利用，都可有效實施減搖[6]。

對于遠洋科考調(diào)查船來說，抗風(fēng)浪能力至關(guān)重要。下面以某2800t遠洋調(diào)查船為例進行直葉槳減搖效果計算。該船總長87m，寬14m，吃水4.8m，主機功率為1700kW×2，安裝2臺帶減搖模塊的直葉槳。圖3和圖4分別為該船在2種工況下的減搖計算結(jié)果。由圖3和圖4可知，在航速為0、波高為2.0m和3.5m情況下，該船的橫搖角均控制在3°以內(nèi)，減搖效果均超過70%，遠好于減搖水艙的減搖效果。

圖3 浪高為3.5m，浪向角為90°、135°、180°工況下的減搖計算結(jié)果（工況1）

圖4 浪高為2m，浪向角為90°、135°、180°工況下的減搖計算結(jié)果（工況2）

3 直葉槳的應(yīng)用和實踐

3.1 直葉槳船型設(shè)計

由于直葉槳的安裝基面要求平直光順，艉部型線的縱傾角和橫傾角均要求控制在比較小的范圍內(nèi)，因此在設(shè)計直葉槳推進船時通常將艉輪廓線上抬，整個艉部設(shè)計得較為平直，以適應(yīng)直葉槳的安裝（見圖5和圖6）。

直葉槳可非常方便地實現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向，具備舵的功能。同時，直葉槳實現(xiàn)推力變向的速度較快，可在所有航速下通過調(diào)節(jié)推力方向?qū)崿F(xiàn)主動減搖，因此直葉槳推進船可省卻減搖水艙和減搖鰭。對機動性和操縱性要求較高的拖船、起重船、工程船和科考船一般還需在艉部設(shè)1～2個艉側(cè)推，而直葉槳可實現(xiàn)對艉側(cè)推的替代。此外，直葉槳是直接安裝在艉部底面上的，在船型設(shè)計上能省卻常規(guī)螺旋槳的艉鰭、艉軸和軸支架等附體，艉流分布非常均勻。

圖5 直葉槳推進船型線圖

圖6 直葉槳推進布置圖

3.2 槳葉旋向和進流角

直葉槳槳葉的旋向和進流角對螺旋槳推進效率的影響較大，根據(jù)船舶傅氏數(shù)和艉部型線、呆木形狀預(yù)估直葉槳推進器最佳槳葉進流角的范圍，分別在內(nèi)旋向和外旋向的±0°～15°范圍內(nèi)選取3～5個點，通過測定這些點在設(shè)計航速下的輸入軸扭矩，確定最佳的旋向和進流角（見圖7和圖8）。中高速船舶外旋的效率一般略高。為得到較高的推進效率，在進行模型試驗時一般要先對直葉槳進行最佳旋向和最佳槳葉進流角試驗。圖7和圖8分別為某2800t調(diào)查船（傅氏數(shù)約0.27）和某2800t巡視船（傅氏數(shù)約為0.30）的最佳旋向和最佳槳葉進流角試驗結(jié)果。

圖7 某2800t調(diào)查船船模試驗結(jié)果

圖8 某2800t巡視船船模試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，2條船的最佳狀態(tài)分別在外旋、進流角3°和內(nèi)旋、進流角4°時出現(xiàn)，說明對于直葉槳來說，不同船型的最佳旋向和進流角差異較大，通過模型試驗確定旋向和進流角是非常必要的。

3.3 直葉槳安裝要求

為得到比較好的綜合推進效率，對直葉槳在各剖面的角度都有要求，因此在型線設(shè)計前期就要考慮直葉槳的安裝位置（見圖9），安裝直葉槳槳盤的橫剖線抬升角需控制在 5°以內(nèi)。對于雙槳船來說，2個槳盤中心的間距需大于 1.7倍的槳盤直徑，槳盤中心距舷側(cè)需大于1倍槳盤直徑。槳盤的縱向位置與艉板的間距應(yīng)大于2倍槳盤直徑。此外，艉部槳盤處縱剖線斜升角不能超過5°，這樣會引起龍骨抬升點前移，影響船舶的抗搖能力和航向穩(wěn)定性，該問題可通過安裝呆木來解決。當受船舶主尺度的限制時，可相對減小兩槳之間的距離，而這可能會使螺旋槳的推進效率下降。

圖9 直葉槳安裝圖

3.4 直葉槳推進效率改善

通過對模型試驗的情況進行分析可知，由于直葉槳的安裝位置較高，離水線很近，導(dǎo)致艉流波比較高。借鑒以往高速執(zhí)法船的艉部壓浪板設(shè)計經(jīng)驗（見圖10），參考以往直葉槳船型的改進情況，在船體艉封板下沿往下延伸處設(shè)置壓浪板。壓浪板的長度D在0.01～0.05m范圍內(nèi)每隔0.01m遞增，通過測量其阻力的增加（一般增阻在0.5%以內(nèi)）和推進效率的提高來確定最終的壓浪板尺寸。

對某2800t調(diào)查船（方艉，傅氏數(shù)約為0.27）進行試驗，在艉部增加長度為42mm的壓浪板（船模的壓浪板僅3mm）（見圖11和圖12），艉流波明顯下降，推進效率得以大幅提高。設(shè)計點（航速為15kn，傅氏數(shù)為0.27）處的整體推進效率由0.535提高至0.641，達到了優(yōu)秀螺旋槳的推進效率，改進效果非常明顯。該船改進后的艉流波見圖13。

圖10 某執(zhí)法船艉流波

圖11 壓浪板厚度確定

圖12 某巡視船42mm壓浪板

圖13 2800t調(diào)查船改進后的艉流波

表3為某巡邏船（傅氏數(shù)約為0.3）增設(shè)船尾壓浪板后推進效率的改善情況。由表3可知，在增設(shè)壓浪板之后，螺旋槳的推進效率由0.605提高到0.649，基本上達到了常規(guī)螺旋槳的推進效率，效率提高非常明顯。

表3 改進后的試驗結(jié)果

此外，直葉槳船的艉板沉深也是一個重要影響因素。艉板沉深對常規(guī)螺旋槳船舶的船身效率影響很小，但對直葉槳船舶的船身效率影響較大，同時對船舶的阻力性能有較大影響。對于中高速船來說，艉板沉深應(yīng)控制在0.10T～0.15T（T為設(shè)計吃水），此時直葉槳推進效率和船舶的阻力性能均較優(yōu)。但是，對于采用直葉槳的船舶來說，槳盤處的龍骨抬升角一般會受限，艉板沉深的大小與龍骨抬升角有關(guān)，若龍骨抬升角很小（0°～2°），會造成艉板抬升不夠，沉深過大，甚至超過0.20T，對推進效率造成不良影響。因此，一般將龍骨抬升角取得稍大一些，以控制艉板沉深的大小。

3.5 直葉槳在實船上的應(yīng)用結(jié)果

在考慮以上因素的基礎(chǔ)上對遠洋漁業(yè)資源調(diào)查船“淞航”號的型線進行優(yōu)化。該船總長85.0m，設(shè)計水線長81.0m，設(shè)計水線寬14.96m，設(shè)計吃水4.8m。在設(shè)計型線時考慮直葉槳安裝的特殊需求，將艉輪廓線縱向和橫向均抬升5°，整個艉部設(shè)計得較為平直。艉封板沉深0.6m。艉封板距槳盤中心線6.6m。槳盤中心線與外板交點處的水線寬度為12.6m。

直葉槳的直徑為2.8m，葉片頂部寬度為46.88mm，槳型為VP002 型5葉槳，變速齒輪效率為0.97，螺距比為0.8，槳葉長度為2.318m，螺距方向角為3°。左槳逆時針旋轉(zhuǎn)，右槳順時針旋轉(zhuǎn)。船舶推進功率為1650kW×2，航速為15kn。

對“淞航”號進行海試，測得：航速為8kn時，右舵15°回轉(zhuǎn)直徑為179.6m；航速為12kn時，左舵10°回轉(zhuǎn)直徑為254.1m，右舵10°回轉(zhuǎn)直徑為242.0m；航速為15kn時，右舵2°回轉(zhuǎn)直徑為539.2m。該船采用直葉槳推進，使船舶在零航速至全航速區(qū)間內(nèi)均有明顯的減搖效果，在不同海況下減搖幅度為30%～60%。在船舶航行過程中，由于槳葉在水平方向旋轉(zhuǎn)，能降低水流對船體外板的沖擊力，減小艉甲板的振動，提高船舶的舒適性。

4 結(jié) 語

在對直葉槳進行優(yōu)化之后，其推進效率能接近或達到常規(guī)螺旋槳的推進效率，且能避免舵、鰭、艉軸、艉軸支架和艉側(cè)推等附體帶來的阻力，全船總阻力可減小約15%，從而使船舶的快速性能達到比較理想的水平。

直葉槳改變推力方向的速度非常快，使得直葉槳推進船的操縱性大大優(yōu)于常規(guī)螺旋槳推進船，甚至比吊艙推進船和Z形推進船還要好。在改變推力方向的過程中，只需通過控制程序調(diào)整葉片撥水的角度，無需對槳盤進行轉(zhuǎn)向。因此，直葉槳對動力定位系統(tǒng)的反應(yīng)能力是目前各種推進器中最強的，有著更高的靈敏度和精度，有助于實現(xiàn)動力定位。

通過對直葉槳推進船的減搖性能進行分析可知，直葉槳的減搖功能較好，適用于對抗風(fēng)浪要求較高的船舶。在“淞航”號上應(yīng)用的結(jié)果表明，直葉槳的各項性能較好。對直葉槳推進船的快速性、操縱性和減搖性能等各項性能進行總結(jié)和分析可知，直葉槳在遠洋科考調(diào)查船上有較好的應(yīng)用前景，值得進一步研究推廣。