吊艙推進(jìn)器水動力分析綜述

許汪歆，崔忞慜，田忠殿，鄭安賓

（(1.中國船舶集團(tuán)有限公司 第704研究所，上海 200031；2.海裝上海局駐南京第一軍事代表室，江蘇 南京 210001）

堅持綠色發(fā)展的理念是碳達(dá)峰和碳中和的要求，同時海洋環(huán)境對船舶污染物排放也提出了要求，船舶電力推進(jìn)方式也引起了人們的關(guān)注，逐步成為船舶的主流推進(jìn)方式之一。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式而言，吊艙式電力推進(jìn)在經(jīng)濟(jì)性、操縱性和節(jié)能性等方面具有一定的優(yōu)越性。國內(nèi)在吊艙式電力推進(jìn)器研究方面才剛剛起步，其關(guān)鍵技術(shù)和主要裝備還依賴進(jìn)口。為此，文章主要從總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的水動力分析方面開展相關(guān)研究，總結(jié)了吊艙式電力推進(jìn)的發(fā)展以及應(yīng)用。

1 吊艙推進(jìn)器特點

吊艙推進(jìn)器（POD），主要由推進(jìn)模塊和回轉(zhuǎn)模塊構(gòu)成，電動機(jī)和螺旋槳直接相連，可以360°水平旋轉(zhuǎn)。吊艙推進(jìn)器在船舶設(shè)計、性能、制造及維護(hù)等方面具有諸多特點，歸納起來有如下的優(yōu)缺點：

1.1 優(yōu)點

（1）采用電力推進(jìn)，可以直接使用變頻調(diào)速，相比于傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)推進(jìn)，機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性降低，不需要設(shè)計傳統(tǒng)的變速齒輪箱、軸系結(jié)構(gòu)、尾軸對中等；

（2）機(jī)動性好。推進(jìn)裝置可在零航速時360°全回轉(zhuǎn)，具有較好的操縱性能，定位能力強(qiáng)，具有船舶緊急停船能力；

（3）空間配置靈活，充分利用了艙室空間，可以根據(jù)船舶布置需求機(jī)動布置，從而增加了裝載艙容，提高了船舶航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 缺點

（1）初裝投入較大。吊艙推進(jìn)器屬于電力推進(jìn)的一種，電力推進(jìn)成本高，再加上特殊設(shè)計的電機(jī)、密封，還有軸承需要配套監(jiān)控系統(tǒng)，這增加了吊艙推進(jìn)器的成本；

（2）維修困難，維修時間長，維修費(fèi)用較高。船舶航行需要考慮到推進(jìn)效率，因此吊艙推進(jìn)器殼體的設(shè)計盡可能地小以獲得較高的推進(jìn)效率，限制了維修人員在推進(jìn)器內(nèi)部的維護(hù)空間；

（3）技術(shù)可靠性不高。Rolls-Royce研發(fā)的Mermaid吊艙推進(jìn)器自從產(chǎn)出以來，軸承就不斷發(fā)生故障，后來軸承經(jīng)過重新設(shè)計，故障問題依然頻繁出現(xiàn)。肖特爾和西門子聯(lián)合開發(fā)吊艙推進(jìn)器SSP，自安裝以來，常發(fā)生軸封泄漏問題。

2 吊艙推進(jìn)器的發(fā)展歷程

吊艙推進(jìn)器是由芬蘭ABB公司在1990年首次提出，目前占據(jù)了主要的市場份額，各類產(chǎn)品也經(jīng)過了實船的考驗。德國SCHOTTEL與SIEMENS公司聯(lián)合開發(fā)的SSP推進(jìn)器采用前后配對螺旋槳技術(shù)和永磁同步電機(jī)。Mermaid推進(jìn)器是法國ALSTOM公司和英國Rolls-Royce聯(lián)合研發(fā)的。荷蘭John Crane-Lips與德國SRNATLAS公司聯(lián)合開發(fā)了Dolphin推進(jìn)器。主要的吊艙推進(jìn)器廠家和吊艙推進(jìn)器相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 國外吊艙推進(jìn)器制造商與特點統(tǒng)計

3 吊艙推進(jìn)器水動力研究進(jìn)展

吊艙的水動力性能方面的研究工作，包括試驗方法和數(shù)值模擬方法，吊艙推進(jìn)器模型試驗，例如船體阻力試驗、敞水性能試驗和自航試驗等，得到了一系列優(yōu)良線型數(shù)據(jù)用于改善其阻力與推進(jìn)性能。水動力性能方面的研究方法歸納如圖1所示。

圖1 水動力性能研究方法

3.1 仿真研究

從水動力性能研究方面看，有的文獻(xiàn)基于吊艙推進(jìn)器定常水動力性能的計算、數(shù)值預(yù)報和吊艙推進(jìn)器螺旋槳尾渦模型研究，討論非定常性能與吊艙誘導(dǎo)的伴流間的相互關(guān)系，研究螺旋槳負(fù)荷在伴流場中的非定常性能。有的文獻(xiàn)采用CFD方法研究吊艙推進(jìn)器在粘性流場中的水動力性能，采用滑移網(wǎng)格模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)，對比了非均勻來流下的試驗結(jié)果。解學(xué)參等采用勢流理論面元法分析吊艙單元的定常性能，通過迭代分析槳葉和吊艙間的相互干擾，計算了吊艙單元的水動力性能。有的文獻(xiàn)討論了面元法的應(yīng)用，分析了不同進(jìn)速系數(shù)下尾渦模型的螺距角變化規(guī)律。有的文獻(xiàn)分析了帶有艉舵的吊艙單元的水動力性能，結(jié)果表明加上艉舵提高了吊艙單元的推進(jìn)效率，增加了航向的穩(wěn)定性。

郭春雨等人采用混合面模型對拖式吊艙單元的水動力性能進(jìn)行模擬，計算了不同進(jìn)速系數(shù)下的吊艙推進(jìn)器的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)，采用等四套網(wǎng)格模型預(yù)報槳葉的推力系數(shù)。陳科等人基于雙螺旋槳吊艙推進(jìn)器定常水動力性能方面的理論計算做了相關(guān)研究，研究前槳-后槳-艙體的影響系數(shù)，對比了傳統(tǒng)計算方法與整體求解雙重庫塔條件的計算結(jié)果，得出采用新方法之后的吊艙推進(jìn)器水動力性能預(yù)報結(jié)果大幅提高。

3.2 模型試驗研究

有的文獻(xiàn)基于模型試驗方法研究了CRP推進(jìn)器的實船推進(jìn)性能，研究在設(shè)計工況下，前后槳的相互影響程度，結(jié)果表明前后的影響關(guān)系可以忽略。學(xué)者楊晨俊介紹了吊艙推進(jìn)器敞水試驗、吊艙推進(jìn)器單元敞水試驗、吊艙推進(jìn)器船舶自航試驗以及實尺度吊艙推進(jìn)器性能預(yù)報規(guī)程，分析吊艙與槳葉之間的水動力相互作用。沈興榮等研究了舵角工況下吊艙推進(jìn)器的性能，研究結(jié)果表明，舵槳工況下螺旋槳產(chǎn)生的操舵力提升了操作性能。王文濤等人介紹了在開展吊艙推進(jìn)器船舶模塊型試驗過程中用到的關(guān)鍵設(shè)備吊艙動力儀，簡述了吊艙推進(jìn)器單元敞水試驗方法、阻力試驗方法和自航試驗方法等相關(guān)試驗方法流程。

3.3 空泡研究

在空泡水筒中開展相關(guān)物理試驗是研究螺旋槳水動力的重要方法之一。第26屆ITTC水動力學(xué)研究任務(wù)與發(fā)展方向指出，今后需要開展螺旋槳空泡計算方法、由空泡誘導(dǎo)的船體脈動壓力、螺旋槳的空泡剝蝕等相關(guān)問題的研究。學(xué)者解學(xué)參采用數(shù)值模擬方法考察吊艙螺旋槳的空泡變化，計算了螺旋槳的定?？张菪阅芘c非定?？张菪阅?，并結(jié)合實驗結(jié)果探討了螺旋槳的空泡形狀。沈興榮等人根據(jù)實際航行需要，研究了小舵角工況下的空泡性能試驗，以0°舵角為基準(zhǔn)，研究在±5°舵角小的空泡性能，測量槳葉的脈動壓力，分析了吊艙推進(jìn)器不同部位的脈動壓力。有的文獻(xiàn)利用實船觀測的手段，探究了在非設(shè)計工況下，吊艙推進(jìn)器的水動力性能，發(fā)現(xiàn)槳葉空泡與轉(zhuǎn)角變化成正相關(guān)。李善成等人研究偏轉(zhuǎn)工況下的吊艙推進(jìn)器空泡性能，針對1∶25的縮比吊艙體模型，在空泡水筒中開展相關(guān)試驗，分析槳葉的壓力分布情況。黃紅波等人在實驗室條件下針對船模進(jìn)行了吊艙空泡性能的試驗研究，研究不同偏航角度下的空泡形態(tài)和由于空泡愿意引起的脈動壓力，并將結(jié)果與MARIN的試驗結(jié)果比對。

4 吊艙推進(jìn)器關(guān)鍵技術(shù)

吊艙推進(jìn)器在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域例如：郵輪、破冰船、豪華游輪等已有實船應(yīng)用，今后還考慮在軍用艦船上投入使用。雖然吊艙推進(jìn)器在20世紀(jì)90年代已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，但國內(nèi)對于吊艙推進(jìn)器的研發(fā)設(shè)計還存在以下待突破的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）隨著功率等級的增加，槳葉直徑也將增大，這就需要考慮螺旋槳的推進(jìn)效率以及線型設(shè)計，需要考慮電機(jī)的功率匹配技術(shù)；

（2）軸承的設(shè)計與選型技術(shù)。大功率等級的吊艙推進(jìn)器需要匹配與之適應(yīng)的軸承，對于軸承的外徑、裝配等問題都需要兼顧，給軸承設(shè)計與選型帶來挑戰(zhàn)；

（3）艉密封的設(shè)計與選型技術(shù)。艉密封裝置的設(shè)計需要適應(yīng)水深變化、水壓沖擊，需要考慮滑油泄漏、使用壽命等問題。

5 總結(jié)

本文綜述了吊艙推進(jìn)器水動力分析研究現(xiàn)狀以及吊艙推進(jìn)器的發(fā)展情況。作為新型電力推進(jìn)系統(tǒng)，吊艙推進(jìn)器憑借其功能特性在民用船舶領(lǐng)域取得了一定的成果，為市場的各種推進(jìn)需求提供了較完整的解決方案。

國內(nèi)對吊艙推進(jìn)器的研究處于起步發(fā)展階段，相關(guān)科研院所在這方面的研究工作已有了實船應(yīng)用，掌握了中小功率等級吊艙推進(jìn)器的設(shè)計技術(shù)。國內(nèi)從事吊艙推進(jìn)器水動力相關(guān)研究的單位先后開展了水池和空泡水桶試驗，利用數(shù)值計算方法開展水動力性能研究包括定常水動力性能、不同配置方案下的航行性能、吊艙對螺旋槳水動力性能等，獲得了比較滿意的結(jié)果，積累了試驗經(jīng)驗，為后續(xù)的研制奠定了基礎(chǔ)。