吊舱推进器在舰船推进系统中的发展现状及关键技术分析

高宜朋 曾凡明 张晓锋

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

吊舱推进器在舰船推进系统中的发展现状及关键技术分析

高宜朋 曾凡明 张晓锋

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

作为新型推进系统之一，吊舱推进器凭借其特性和出色的表现在商业领域获得了较大的成功，并且逐渐向军事领域拓展。许多国家和研究机构都在集中力量对现有产品性能和吊舱创新设计展开研究。阐述了吊舱推进器的原理、结构、优缺点，列举了主要吊舱推进器的类型及特性，着重分析论述了其最新动态以及国内外最近研究项目及相关进展。在此基础上研究分析了吊舱推进器在舰船推进系统中应用的关键技术，并对未来的前景和研究方向做了一定的总结。

吊舱推进器；船船推进系统；发展现状；关键技术

1 引言

吊舱推进器将推进电机置于船舱外部，直接与螺旋桨相连，可以在360°内水平转动以实现矢量推进。它主要由内置驱动电机模块、螺旋桨模块、水平转动机构以及冷却装置组成。其中驱动电机以永磁交流电机为主，螺旋桨由电机直接驱动，按照螺旋桨和电机的相对位置分为拉式和推式；水平转动机构由转动电机和相应的机械结构组成；冷却机构负责对整个吊舱进行冷却，分水冷和空冷。吊舱的实际形式结构因不同公司设计制造而有差异。近年来，各个国家针对吊舱推进器进行了大量的研究，使其在民用船舶应用上取得了优异的成绩，于各类军用舰船上的应用也已经开始［1-2］。

2 吊舱推进器原理及优缺点

2.1 主要类型

目前，主要有四家公司生产吊舱推进器产品。ABB 的产品有 Azipod、Compact Azipod、CRP Azipod，其中Azipod是该领域最早也是技术最成熟占有率最高的类型。罗尔斯·罗伊斯公司和阿尔斯通公司联合开发制造了Mermaid吊舱推进器，继ABB之后占有较大的份额。Siemens公司和Schotell公司联合推出SSP。该吊舱由转向相反的两个螺旋桨构成，开创了对转桨的先河。荷兰瓦特西拉Marine Division公司和德国SAM电子公司联合推出Dolphin吊舱推进器。各类吊舱推进器的性能特点见表1。

表1 世界主要吊舱推进器的性能及特点Tab.1 The performance and features of the main podded propulsors worldwide

2.2 性能及优缺点分析

吊舱推进器有着许多的优点，从原理方面看，推进装置不再和原动机通过机械结构直接连接，原动机可不受推进负载的影响而工作在最佳的状态，提高了燃油效率，同时可以充分发挥全电力系统的优越性。

从设计方面看，相比于常规的推进装置它个头小，重量轻，取代了传动轴系，增加了船舱体积，同时也可以用于更小的船只，设计的自由度和灵活性都增强了。

从建造方面看，它取替了船体中的齿轮箱、轴系结构、船尾密封、润滑油系统、舵及转向齿轮。将推进与转向装置集成，可以独立制造，方便安装，缩短了推进系统的建造时间。

从操作方面看，对船体进行矢量推进，可提高船的机动性，实现更小的转弯半径，减少停车距离，停靠驶离港口更快捷和安全，在船只密集的港口和在狭窄水域其优势更加明显。更可完成常规推进方式无法完成的动作，如侧推航行。

从噪声方面看，因为没有艉轴，螺旋桨的水动力特性得到提升，空泡效应减少，因桨诱导的振动及噪声相应减少。同时更方便对原动机进行隔振处理，船舱内的噪声更小。从环境上减少了氮化物的排放，有利于环境保护。

吊舱推进器也存在一些缺点，主要表现在初始投资相对较大。虽然吊舱推进器的螺旋桨来流更加的稳定，使得空泡效应引起的噪声减小，但是舱外电机本身引起的噪声更大；电机直接暴露在水中，因此辐射特征增加；船的直线航行的能力下降，更容易出现大幅度横摇等［3］。

3 吊舱推进器技术的最新进展

3.1 新型的吊舱推进器

1）新型的单轴CRP

图1为日本Shige Maru号使用的吊舱系统［4］。对转吊舱是针对现有吊舱系统的改进，是对转桨的高效性和吊舱的灵活性的完美结合。

2）泵喷吊舱推进器

图2为阿尔斯通公司和Bassin des Carenes公司于2005和2006年研究设计生产的新一代吊舱推进器——泵喷吊舱（PJP）。其定子带有一个多叶的整流装置，该装置完全覆盖转子。通过对一艘45 000 t的游轮使用13 MW PJP的改装实验，显示它比常规的吊舱效率高14%，且不易出现空泡效应。

3）轮毂吊舱推进器

该推进器是通用动力电船公司在2000年申请的专利产品。它包括永磁电动机以及函道桨叶，其桨叶和转子合二为一。相比传统吊舱它的结构更加小巧，有更高的推进效率，适合小吨位高速推进［5-6］。

4）高温超导同步电动机

当前吊舱的体积以及噪声已经成为吊舱发展的制约，高温超导同步电动机可能成为吊舱用推进电机的最终发展方向。它不仅可以达到各种不同的速度、功率，而且同样功率下体积要小三分之二。具有先天的静音和无振特性，非常适合海军和高级游轮使用。图4为历时2年设计制造的36.5 MW、120 r／min的HTS推进电机，已于2007年交付美国军方［7］。

5）混合吊舱

作为专门从事矢量推进的Schottel公司在与西门子合作推出SSP吊舱推进器后，推出了介于传统机械Z推进和POD推进器的折中设计方案，可兼备二者的优点，同时克服缺点。但目前仍没有提供大功率推进，只可提供 1.9～3.8 MW。

3.2 吊舱推进器的运行使用情况

以在吊舱推进器领域占领先地位的ABB生产Azipod为例。截至2004年11月，ABB收到的订单共计121套，累计安全运行时间超过了130万小时，良好工况率达到了99.75%，到2008累计安全运行时间超过了450万小时。

在军用方面，法国海军第一型全电力 “西北风”级直升机船坞登陆舰分别于2005和2006年交付使用。其排水量21 500 t，装配两台7 MW的Mermaid吊舱推进器，航速可达19 kn，该舰可以装载16架重型直升机和三分之一个装甲团。

在民用方面，较有代表性的是英国皇家加勒比公司花费12亿美元于2009年建成的 “海洋绿洲”号游轮，该船排水量160 000 t，可以容纳6 300人，建成后将是全世界最大的游轮，使用三套功率20 MW的Azipod吊舱推进器，航速可达 20.2 kn；而目前世界最大游轮是在2008年交付使用的“海上独立”号，该船耗资8.28亿美元，排水量154 407 t，也采用了三套功率14 MW的Azipod吊舱推进器。

我国的造船业目前也开始逐步使用吊舱推进器，2000年上海爱德华造船有限公司使用5 100 kW的SSP建造了一艘化学成品船，是我国建造的第一艘吊舱式推进器的船。江南造船厂所建造装有两套功率为1 860 kW Compact Azipod的某海监船于2005年7月下水；“烟－大”火车渡轮项目上采用了两套4 800 kW的Azipod，已在天津新港船厂建造下水［8］。

4 国内外研究现状

4.1 国外研究现状

4.1.1 主要研究项目

目前世界上许多国家都在对吊舱推进进行研究，主要项目如表2所示。目前学术界也已经有专门研讨吊舱推进技术的国际会议，如表3所示。

4.1.2 主要研究成果

各个国家的学者及研究机构都对吊舱推进器进行了详细全面和卓有成效的研究，主要针对吊舱推进器的水动力测量计算、特性效率分析以及其设计论证等方面，如图5所示。

表2 世界范围内的研发项目Tab.2 Projects of podded propulsors initiated by the companies worldwide

表3 主要针对吊舱推进器的国际会议Tab.3 The main international conferences held on podded propulsor

1）实验测量领域

各个国家的学术机构都在为探索新推进器的性能建立测试测量系统。该系统一般包括水道等土木结构、各方向上力的测量机构、激光多普勒速度测量仪、以及数据采集分析设施等［9］。

英国Newcastle大学Friesch J等在2004年研究了吊舱推进器的空泡和震动特性，着重研究不同转角推进情况下吊舱的压力，发现空泡特性和叶片上的载荷相关，同时和螺旋桨的旋转方向相关［10］。美国MIT的博士Stettler在2004年以稳态和非稳态的情况下吊舱推进器操纵的动力学特性作为博士论文，主要研究吊舱推进器的操纵力，以及这种力对于小型船体的影响［11］。2005年Bretchneider对0～6°转角的情况下高速转动叶片的空泡效应进行了相应的研究。2006年法国Brest大学Johannsen同样就这一问题进行了研究测试得出了重要结论，同时对0～6°静态角的压力和噪声进行了测量。同年，Allenstrom和Rosendhal利用35 kn货船的配置模型进行了±20°试验测量。

2006年加拿大Islam针对推式和拉式的吊舱在固定转角的敞水性能进行了研究。测量了吊舱和实验船三轴上的力和力矩。结果显示轴向和侧向力以及位移都是方位角复杂函数［12］。

2）数值分析领域

目前，已经有很多方法对吊舱推进器的性能进行仿真研究。2006年Krasilnikov对所有的方法进行了回顾。这些方法主要是用于吊舱推进器的推进特性仿真。2006年Knnas针对吊舱螺旋桨周围空泡基于边界单元方法的预报仿真方法进行了研究，并且用有限体积法对螺旋桨尾流进行了仿真。2007年Hassan提出一种可以预测传统推进和吊舱推进器的水动力特性的计算方法，并以Azipod作为对象进行了验证。预测结果较符合实际［13］。

3）设计领域

Islam等对吊舱推进器的几何形状对推进性能的影响进行了分析和预测，抽象出五个关键参数，对参数的优化组合进行实验，总结出对性能影响最关键的参数［14］。

瑞典一所大学以Azipod和Mermaid为研究对象，详细阐述了吊舱中的电力系统的现状和设计方法。对未来驱动电机及其相应的技术提出了展望［15］。

4）其他领域

在传统的破冰领域，吊舱推进器仍然占有优势，针对该领域的研究也很充分。2004年Sasaki等介绍了基于吊舱推进器的新型两用船的概念。Sampson研究了吊舱推进器的螺旋桨和冰之间的相互作用，系统地探讨了在冰水中的空泡现象。另外ABB公司系统专家Petteri等研究表明，对大于12 000 t的超大型运输船，对比常规推进方式，采用Azipod CRP系统可以使功率消耗减少11.4%。Atlar研究了吊舱推进器和喷水推进相结合的情况。该方式可以更好地利用高速行进时喷水推进的优点。

4.2 国内研究现状

国内由于缺乏设计制造经验以及大量的实用运行数据，目前针对吊舱推进器的研发工作尚处于起步阶段。各家相关的科研机构和院校均已开始相关研究，主要内容包括介绍国外先进技术，进行数值计算和性能分析，对各类推进电机的仿真及控制、总体设计方法探讨研究、模拟教学等。

马骋、冀路朋及陈新刚等研究人员都对吊舱推进器给与了高度的重视并进行了相关的研究，主要包括对实用性可靠性的分析论证［16－18］、各种性能计算分析［19］、实验方法研究［20］等。

熊鹰等［21］对吊舱电力推进系统性能评估及设计方法，以及水动力特性进行了研究。

上海交通大学的研究人员利用数值计算方法对吊舱推进器的水动力特性进行了研究，其中包括吊舱推进器定常水动力性能［22］、不同配置方案下以及斜航的性能［23］、吊舱对螺旋桨水动力性能的影响等［24］。

张晓飞［25］、王晓三［26］对吊舱推进器的同步电机直接转矩控制系统进行了研究设计。马骋在其博士论文中运用数值计算和模型试验两种方法，对吊舱推进器的水动力性能进行了系统研究［27］。

大连海事大学研究人员以Azipod系统为对象深入研究吊舱式电力推进系统原理和管理控制系统［28］；薛式龙在其博士论文中提出了采用三相异步电动机构成推进和负载系统来仿真船舶电力推进系统的总体设计方案［29］。大连理工大学研究人员对吊舱电力推进装置及其螺旋桨设计，对整个配电、控制、推进系统进行了研究，确定了吊舱推进器的船舶的功率分配。

5 吊舱推进器关键技术分析

5.1 采用吊舱推进器的舰船总体设计技术

总体设计技术 由于吊舱推进器能够充分发挥综合电力系统的优势，因此在综合电力系统中获得较好的应用，而综合电力系统是以“系统化、综合化”的角度对整艘舰船的能量动力平台进行研究［30-31］，采用吊舱推进器的舰船总体设计技术有待进一步研究（图6）。

电能的匹配 吊舱推进器作为电力推进系统的一种，其原动机和推进系统没有直接机械连接，原动机组可以一直处于满负荷下工作，从而避免了推进系统的负载变化对原动机系统的影响［32］，但是吊舱将这种影响加到了船舶的电力系统上，必须深入研究电能匹配分配的问题以有效克服这种影响。

船体优化设计 虽然吊舱的存在使得船体设计的自由度更大。在带来方便的同时还可能带来一系列负面的影响，包括船体水动力特性的改变，必须根据吊舱特性设计出最优的船体结构。

吊舱的安装设计 目前针对大型船舶一般采用2～3个吊舱联合推进。合理有效地确定吊舱的个数、组合方式、安装位置非常重要。

安全备份问题 吊舱推进器的集成度高，技术复杂，设计中也应该考虑到对应其失效的措施。解决突然失效的主要办法可采用多吊舱协同或多种推进方式组合。如吊舱和喷水推进结合以及类似ABB的CRP Azipod系统，它们能为整个动力系统提供更大的可靠性冗余度。

5.2 吊舱推进器的装置设计技术

吊舱推进器的设计制造中，存在着诸多的关键技术，如图7所示。

外形设计 虽然吊舱的基本外形已经确定，但是不同外形设计会带来不同的水动力特性和操控性能，因此如何在已有的条件下得出最优化的外形非常重要。

推进电机 推进电机是吊舱推进器的心脏，而永磁电机很可能是未来的趋势，在Compact Azipod，SSP，RDP中都使用了永磁电机，它更小更安静更稳定。目前经过15年的研究北欧国家对大型永磁同步电机的研究比较充分，其中一个主要原因就是吊舱推进在欧洲的盛行。

螺旋桨设计 螺旋桨性能对整个吊舱推进器的影响非常大。由于吊舱的阻塞作用使得螺旋桨的推力、扭矩、效率均有所增加。相应的螺旋桨的设计必须和吊舱以及船体相适应［33］。

密封问题 吊舱作为一个高度集成的装置被安装在水下，如何更好地解决密封问题将影响到整个吊舱推进器的稳定性和可靠性。

冷却散热和机械问题 曾经为数不多的几起吊舱事故都由电动机散热不充分以及吊舱推力轴承损坏而引起的。目前主流的吊舱有空冷和水冷两种形式，如何更好地进行冷却相当重要。出色的机械结构将使得吊舱的振动更小，故障率更低。

5.3 隐身性

目前多国海军都对吊舱推进器寄予厚望，但吊舱推进器的起点是商业船舶，其在军事舰艇上的应用仍处于研究之中，尚未有主力战舰采用。主要原因是其实用性、可靠性及吊舱本身的电磁辐射和振动直接传向大海，可能会导致隐身性能的下降等［34］。

5.4 安全性、可更换性等问题

虽然数据显示ABB公司的Azipod的故障率很低，但是在设计和制造中，每一艘船舶的设计制造过程的差异可能导致性能的突变。RR公司的Mermaid在Queen Mary使用中，因为设计制造缺陷在运行过程中出现严重问题，并且由此陷入长期的法律纠纷中。所以提高吊舱的安全稳定是保证吊舱发挥其性能的关键。

6 结束语

作为新型推进系统之一，吊舱推进器凭借其特性和出色的表现在商业领域获得了较大的成功，并且逐渐向军事领域拓展。以西方为代表的四大生产厂商不断推出和完善产品，为市场的各种推进需求提供了完整的解决方案。诸多国家和研究机构都集中力量对现有产品性能和吊舱创新设计展开研究，专门针对吊舱的国际会议也逐渐增多。可以相信，经过不断地努力和探索，吊舱推进器的结构和性能将得到不断的完善和提升，使其在推进领域获得更广泛的应用。

［1］曾凡明，陈国钧.现代舰船轮机工程［M］.长沙：国防科技大学出版社，2001.

［2］马骋.吊舱推进技术［M］.上海：上海交通大学出版社，2007.

［3］张庆文.吊舱电力推进装置及其螺旋桨设计研究［D］.大连：大连理工大学，2005.

［4］Final Report and Recommendations to the 25th ITTC［C］//25th ITTC，Tokyo，2008.

［5］CHRISTOPHER M.WAALER.Design and manufacture of a 2100 horsepower electric podded propulsion， ADA399858［R］.USA： General Dynamics Bath Iron Works

［6］Jane＇s Information Group.All systems go as electric solutions power future ships ［EB／OL］.Jane＇s Navy International， 2008－05.

［7］KALSI S S.HTS ship propulsion motor for podded applications［C］//T－POD Conference papers ，2006.

［8］谢清程，易小冬.吊舱式电力推进的新进展［J］.机电技术，2007，24（1）：55-56，80.

［9］PEGO J.Construction of a test facility for the research of ship propulsion system［J］.Emirates Journal for Engineering Research，2005，10（2）：1-8.

［10］ FRISCH J.Cavitation and vibration investigation for podded drives［C］//T－POD Conference papers，2004：387－399.

［11］ Stettler J W.Steady and unsteady dynamics of an azimuthing podded propulsor related to vehicle maneuvering［D］.Massachusetts：Massachusetts Institute of Technology，2004.

［12］ VEITCH I M， B.BOSE N，et al.Numerical study of hub taper angle on podded propeller performance［J］.Journal of Marine Technology，2006，43（1）：1－10.

［13］ H GHASSENMI.Computational hydrodynamics analysis of the propeller－rudder and the azipod system［J］.Ocean Engineering，2008，35：117－130.

［14］ ISLAM M F.Effects of geometry variations on the performance of podded propulsors［J］.SNAME Trans，2007，11.

［15］ BERGH L.Electrical system in pod propulsion［D］.Göteborg， Sweden：Chalmers University of Technology，2007.

［16］马骋，张旭，钱正芳，等.POD推进器技术发展及其应用前景［J］.船舶工程，2007，29（6）：25-29.

［17］冀路明，汪庆周.二十一世纪的Azipod吊舱式电力推进系统［J］.船舶工程，2002（2）：61-64.

［18］陈新刚，冀路明.吊舱推进器可靠性分析［C］//中国造船工程学会修船技术委员会2004年年会，2004.

［19］韩芸，沈兴荣，张峥.吊舱式推进器敞水性能研究［C］//中国船舶水动力学会学术会议暨中国船舶学术界进入ITTC30 周年纪念会，2008：146-153.

［20］沈兴荣，蔡跃进，蔡荣泉，等.吊舱式推进器模型试验方法中的一些问题［J］.船舶，2007（1）：13-16.

［21］熊鹰，叶金铭.吊舱电力推进系统性能评估及设计方法［J］.海军工程大学学报，2002，14（1）：23-27.

［22］ 李巍，汪蕾，杨晨俊，等.吊舱推进器定常水动力性能［J］.上海交通大学学报，2009，43（2）：204-207.

［23］郭春雨，马宁，杨晨俊.吊舱推进器斜航状态下水动力性能研究［C］//中国船舶水动力学会学术会议暨中国船舶学术界进入ITTC30周年纪念会，2008：44-49.

［24］曹梅亮，王根禄，朱鸣.吊舱式推进装置水动力性能试验研究［J］.上海交通大学学报，2003，37（8）：1198-1200.

［25］张晓飞.吊舱推进器的同步电机直接转矩控制的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

［26］王晓三.船舶电力推进中的异步电机直接转矩控制的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

［27］马骋.POD推进器的水动力性能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

［28］黄鹏程.吊舱式电力推进系统原理和管理控制的研究［D］.大连：大连海事大学，2005.

［29］薛式龙.船舶电力推进仿真装置及其关键技术的研究［D］.大连：大连海事大学，2006.

［30］马伟明.舰船动力发展的方向——综合电力系统［J］.海军工程大学学报，2002，14（6）：1-6.

［31］杨秀霞，张晓锋.舰船电力系统的发展趋势［J］.中国修船，2004（3）：12-14.

［32］杨晨俊，钱正芳，马骋.吊舱对螺旋桨水动力性能的影响［J］.上海交通大学学报，2003，37（8）：1229-1234.

［33］马骋，钱正芳，张旭.POD推进器性能和军事应用研究［C］//第十七届全国水动力学研讨会暨第六届全国水动力学学术会议论文集.北京：海洋出版社，2003.

［34］ BATSFORD Cdr M，Pod propulsion：a viable option for the canadian navy［J］.Maritime Engineering Journal，2002，20（2）：6-10.

Recent Research on Podded Propulsor and Analysis of Key Technologies for Naval Vessels

Gao Yi－peng Zeng Fan－ming Zhang Xiao－feng
College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China

Podded propulsor has been adapted for both commercial and naval vessels because of its unique features and excellent performance.Researches of pod propulsion system have been made by many naval sectors worldwide.This paper starts with an elaboration of the podded propulsor in terms of principle， structure， flaws and merits， and summarizes a range of typical products and the characteristics of the podded propulsor，with particular attention to the analysis of recent researches and developments both domestic and abroad.Key technologies for naval application are then discussed， an overview of technical developments trends and future challenges is presented.

podded propulsor； marine propulsion； development status； key technology

U664.3

A

1673－3185（2011）01－90－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.018

2009－05-27

高宜朋（1987－），男，硕士研究生。研究方向：舰船动力装置总体设计、分析与优化。E-mail：gyp04＠ mails.tsinghua.edu.cn