輪緣推進(jìn)器應(yīng)用于深潛救生艇的可行性分析

周智勇，孫俊忠，劉 文

輪緣推進(jìn)器應(yīng)用于深潛救生艇的可行性分析

周智勇，孫俊忠，劉 文

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266000）

本文簡要介紹了無軸輪緣推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，通過總結(jié)歸納無軸輪緣推進(jìn)器優(yōu)勢特點(diǎn)，對比深潛救生艇使用需求，探討該技術(shù)應(yīng)用于深潛救生艇的可行性，并對應(yīng)用前景進(jìn)行分析。

輪緣推進(jìn)器 深潛救生艇 可行性

0 引言

傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)主要由主機(jī)、軸系、推進(jìn)器等組成，主機(jī)功率的增大會(huì)帶來主機(jī)體積的增加和軸系長度的加長，使船艙空間利用率減少[1]。在此背景下，無軸輪緣推進(jìn)器應(yīng)運(yùn)而生。它將電機(jī)轉(zhuǎn)子與槳葉集成為一體，取消了傳統(tǒng)的穿艙推進(jìn)軸系和密封系統(tǒng)，采用電能直接傳遞功率，幾乎不占用船艙空間，特點(diǎn)適合于深潛救生艇。

1 無軸輪緣推進(jìn)器

無軸輪緣推進(jìn)器（RDT）是基于集成電機(jī)推進(jìn)器的技術(shù)而發(fā)展的。由于無軸輪緣推進(jìn)器相對于傳統(tǒng)推進(jìn)器的優(yōu)勢非常明顯，近幾年來各國對此進(jìn)行了大力的開發(fā)和研究，已有多個(gè)國家研發(fā)出不同功率和型式的無軸輪緣推進(jìn)器樣機(jī)，并且在船舶上已有應(yīng)用。

早在20 世紀(jì)90 年代，美國通用動(dòng)力電船公司就提出輪緣推進(jìn)器新概念，設(shè)計(jì)時(shí)仍保留傳統(tǒng)推進(jìn)軸系，故又稱作梢部驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器[1]。進(jìn)入21 世紀(jì)后，輪緣推進(jìn)技術(shù)取得了較大發(fā)展，取消了傳統(tǒng)推進(jìn)軸系，具有占用空間小、結(jié)構(gòu)布置簡單、噪聲小等特點(diǎn)。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

圖1 無軸輪緣推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

無軸輪緣推進(jìn)器主要由槳葉、電機(jī)轉(zhuǎn)子、多磁極定子、水潤滑軸承、導(dǎo)罩外殼等組成，從結(jié)構(gòu)上可將其劃分為有槳轂型和無槳轂型[2]，外形可參考圖1。

有槳轂無軸輪緣推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)是在無槳轂無軸輪緣推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在槳葉旋轉(zhuǎn)中心再多加1個(gè)通過導(dǎo)葉與定子相連的槳轂，其結(jié)構(gòu)對比如圖2所示。

圖2 無槳轂型與有槳轂型無軸輪緣推進(jìn)器對比圖

1.2 國外研究應(yīng)用現(xiàn)狀

無軸輪緣推進(jìn)器最早是由美國海軍水下作戰(zhàn)中心提出來的，并被認(rèn)為是潛艇發(fā)展的重要技術(shù)突破點(diǎn)。由于具有噪聲低和振動(dòng)小等優(yōu)勢，無軸輪緣推進(jìn)器非常適合應(yīng)用于魚雷和核潛艇等隱蔽性要求高的軍事領(lǐng)域。通用動(dòng)力電船公司在上世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)了一組梢部驅(qū)動(dòng)吊艙推進(jìn)器，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明梢部吊艙推進(jìn)器的敞水效率要比槳轂驅(qū)動(dòng)的吊艙推進(jìn)器高5%～10%左右；之后該公司在2002年和賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究試驗(yàn)室合作，設(shè)計(jì)了以巴拿馬船為使用對象的輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器；隨后又把美國海軍退役的小水線面雙體船SES-200(船長48.8米、寬13.l米、吃水5.6米、滿載排水量340噸) 作為應(yīng)用對象，設(shè)計(jì)了一型輪緣推進(jìn)器用于輔助推進(jìn)[1]；2003年美國海軍研究辦公室與太平洋船舶供應(yīng)公司和緬因州大學(xué)合作，開發(fā)了2100馬力的無軸輪緣推進(jìn)器；2012年Rolls-Royce公司開發(fā)的永磁RDT（TT-PM1600）交付挪威奧林匹克航運(yùn)公司使用；2014年，Voith公司的兩臺VIT 2000-1000型RDT被應(yīng)用為船艏側(cè)推使用；2015年，由Rolls-Royce公司設(shè)計(jì)制造的RDT交付安裝在挪威科技大學(xué)的研究船上（單機(jī)額定功率達(dá)到500 kW）[3]。此外，國際上的其它船用推進(jìn)器供應(yīng)商（如Brunvoll、Schottel等），也都先后開發(fā)了無軸輪緣推進(jìn)器系列產(chǎn)品。

1.3 國內(nèi)研究與發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對無軸輪緣推進(jìn)器的技術(shù)研究起步較晚，與國外相比差距較大。在“八五”期間，我國已開始研制20 kW集成推進(jìn)器原理樣機(jī)；2006年，863海洋領(lǐng)域開展了“AUV、ROV集成推進(jìn)器”課題研究；中國船舶七〇二所和哈爾濱工程大學(xué)等在水動(dòng)力性能分析方面對無軸輪緣推進(jìn)器進(jìn)行了研究；海軍工程大學(xué)馬偉明院士團(tuán)隊(duì)、七〇四所和七一二所在無軸輪緣推進(jìn)器樣機(jī)研制方面已開展深入研究，取得了一定研究成果；浙江三力士智能裝備制造有限公司研制的小功率樣機(jī)已成功應(yīng)用在潛水器上[2]。

2 深潛救生艇推進(jìn)裝置

LR7推進(jìn)裝置由兩個(gè)主推進(jìn)器和四個(gè)輔助推進(jìn)器組成。主推進(jìn)器安裝在艉部左右兩舷，可轉(zhuǎn)向。四個(gè)輔助推進(jìn)器有兩個(gè)裝在舯部左右兩舷，一個(gè)裝在艏部，一個(gè)裝在艉部。主推進(jìn)器為電動(dòng)推進(jìn)器，能夠以“差動(dòng)推進(jìn)”模式駕駛或者操作，提供向前和向后的動(dòng)力。輔助推進(jìn)器由液壓驅(qū)動(dòng)，舯部兩個(gè)輔助推進(jìn)器可以旋轉(zhuǎn)90°以提供垂向控制。艏部和艉部的輔助推進(jìn)器可以同時(shí)運(yùn)行，也可以分別運(yùn)行，以分別控制橫向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示。

圖3 LR7推進(jìn)器布置圖

主推進(jìn)器由兩個(gè)無刷直流電機(jī)組成，每個(gè)電機(jī)經(jīng)變速箱驅(qū)動(dòng)一個(gè)螺旋槳。推進(jìn)器安裝于LR7艇尾部外面，分別位于左右舷兩側(cè)。每個(gè)推進(jìn)器安裝于一個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)允許推進(jìn)器直接連接到左舷或右舷，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的變化。

主推進(jìn)器由23 kW無刷直流電機(jī)和一個(gè)軸承組件組成。在前進(jìn)方向上，主推可提供約3.85 kN的推力。電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 rpm。采用Brevini公司的齒輪箱，將其安裝在電機(jī)和螺旋槳軸之間，以降低螺旋槳的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速500 rpm。雖然齒輪箱和軸承共用一個(gè)補(bǔ)償器，電機(jī)、齒輪箱和螺旋槳軸的軸承之間都彼此各有密封。主推安裝在樞軸上，以便可以轉(zhuǎn)向。

圖4 LR7主推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

日本川崎公司建造的載人深潛救生艇（DSBV）艇長12.4米，艇寬3.2米，艇重40噸，裝有一臺22 kW電機(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力裝置，航速4節(jié)，可載12人。推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)與LR7類似。

3 深潛救生艇推進(jìn)裝置應(yīng)用無軸輪緣推進(jìn)器的可行性分析

3.1 推進(jìn)效率更高

現(xiàn)階段成熟的無軸輪緣推進(jìn)器產(chǎn)品的功率一般為100 kW以下，在艦船領(lǐng)域一般作為應(yīng)急推進(jìn)或側(cè)推裝置。LR7推進(jìn)電機(jī)為23 kW，日本川崎深潛救生艇為22 kW，采用無軸輪緣推進(jìn)器完全可以滿足要求。采用無軸輪緣推進(jìn)器的船型可以使船舶艉部結(jié)構(gòu)線性得到進(jìn)一步優(yōu)化，提高船體流體性能和水動(dòng)力特性。根據(jù)仿真測算，采用無軸輪緣推進(jìn)器的船型航行阻力比采用傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的可減小5%～10%。無軸輪緣推進(jìn)器還直接使用海水散熱，節(jié)約了冷卻系統(tǒng)的能源消耗，提高了全船的能源利用效率，可使深潛救生艇在水下工作更長時(shí)間，提高救援效率。

3.2 占用船艙空間少

LR7由3個(gè)彼此連接的球形耐壓結(jié)構(gòu)組成。前部的球形艙是操縱室，可容納2名駕駛操縱人員，中部為救生艙，下面連著半球形耐壓設(shè)閘室。后部為機(jī)械和動(dòng)力艙。如果采用無軸輪緣推進(jìn)器，則可以省下傳動(dòng)軸、齒輪箱和軸承組件，節(jié)約大量的后部空間。無軸輪緣推進(jìn)器由于使用水潤滑的復(fù)合材料軸承，且完全浸沒于海水中，因此推進(jìn)系統(tǒng)不再需要軸密封件、獨(dú)立冷卻系統(tǒng)和充油式的齒輪箱殼體等。占用船艙空間少可使深潛救生艇在救生作業(yè)時(shí)，搭載更多人員。

3.3 布置靈活

LR7裝有4個(gè)輔助液壓推進(jìn)器，其中兩個(gè)橫向推進(jìn)器，一個(gè)裝在艏部，一個(gè)裝在艉部。兩個(gè)側(cè)向推進(jìn)器，分別裝在左右舷。

輔助推進(jìn)器由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。推進(jìn)器推力與螺旋槳轉(zhuǎn)速成正比，而螺旋槳轉(zhuǎn)速又與螺旋槳軸驅(qū)動(dòng)力矩成正比，螺旋槳軸驅(qū)動(dòng)力矩取決于液壓馬達(dá)的供油壓力和排量，所以可以通過控制馬達(dá)的供油壓力和排量這兩個(gè)因素來控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速和推力。

深潛救生艇由于特殊的用途，必須安裝有橫向推進(jìn)器和側(cè)向推進(jìn)器。LR7采用液壓推進(jìn)模式，與電力推進(jìn)相比，需要安裝液壓泵、液壓油箱、蓄能器和液壓馬達(dá)等，遠(yuǎn)不如電力推進(jìn)方便。但如果采用常規(guī)電力推進(jìn)，就需要在艇的艏部、艉部、舯部兩舷安裝四個(gè)方向的傳動(dòng)軸，布置極為不便。采用無軸輪緣推進(jìn)器，由于沒有機(jī)械傳動(dòng)軸，只有“電”的聯(lián)系，安裝布置將會(huì)非常方便，且由于無軸輪緣推進(jìn)器可以360°的旋轉(zhuǎn)，可使船舶轉(zhuǎn)彎半徑減小，操縱靈活。

4 結(jié)論

無軸輪緣推進(jìn)器由于結(jié)構(gòu)特殊，現(xiàn)階段應(yīng)用于艦船主推進(jìn)系統(tǒng)為時(shí)尚早。由于功率能滿足深潛救生艇需要，可節(jié)約一定的艙內(nèi)空間（這對于容積非常有限的深潛救生艇難能可貴），有效提高輔助推進(jìn)器布置效率，在深潛救生艇上應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢。為盡早在深潛救生艇上應(yīng)用，還需要解決一些關(guān)鍵性技術(shù)問題，包括大功率電機(jī)-螺旋槳一體化設(shè)計(jì)原理和方法的研究、無軸輪緣推進(jìn)智能控制策略的研究、無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)-船體的動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系的研究和無軸推進(jìn)裝置振動(dòng)和噪聲控制方法的研究等[4]。

[1] 邱鵬, 鄭高. 輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].廣東造船, 2019(2): 28-30.

[2] 胡舉喜, 吳均云, 陳文聘. 無軸輪緣推進(jìn)器綜述[J].數(shù)學(xué)海洋與水下攻防, 2020, 3(3): 185-191.

[3] Yan X, Liang X, Ouyang W, et al. A review of progress and applications of ship shaft-less rim-driven thrusters[J]. Ocean Engineering, 2017, 144: 142-156.

[4] 談微中, 嚴(yán)新平, 劉正林等. 無軸輪緣推進(jìn)器研究現(xiàn)狀與展望[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 39(3): 601-605.

Feasibility analysis of rim-driven thruster applied to deep submersible lifeboat

Zhou Zhiyong, Sun Junzhong, Liu Wen

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000, Shandong, China)

U664

A

1003-4862（2022）09-0043-03

2022-04-14

周智勇（1972-），男，教授，研究方向：艦船電力系統(tǒng)。E-mail：qd_zzy168@163.com