全回转吊舱式推进器线型设计

2014-12-04朱东华魏菲菲

船舶设计通讯 2014年2期

关键词：尾鳍吊舱线型

朱东华魏菲菲

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

全回转吊舱式推进器（又称POD推进器，简称吊舱式推进器）是由动力驱动固定在水下船体之外吊舱之内的螺旋桨，吊舱可以绕其纵轴360°旋转，自由地向任何方向推进。

吊舱式推进器的概念是在20世纪80年代末提出的，是一种全新的推进理念。它集推进和操舵装置于一体，极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性。

吊舱式推进器广泛应用在客船（邮轮或渡轮）、大型集装箱船、钻井平台、海洋工程支援船、客滚船、游艇、科学考察船、打捞船和 LNG 船上［1］。

1 吊舱式推进器特点［2-3］

1.1 优点

吊舱式推进器和传统推进器比较有许多优点：

1）节能减排。选用吊舱式推进器可以调节电机（或液压马达）的转速来适应外部变化的载荷，发动机将处在最佳状态运转，提高了能效水平，延长了发动机的寿命，实现节能减排的目的。

2）操纵性能好。推进器可在360°范围内旋转，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。

3）噪声更低、振动更小。与常规桨相比，吊舱式推进器的桨盘面处可得到更均匀的来流，从而明显减少振动、降低噪声。

4）结构简单可靠。

5）提高舱容利用率。采用吊舱式推进器可以重新优化尾部线型，充分利用机舱舱容，使船体设计尤其是船尾和集控室部分的设计具有很大的灵活性。

6）安装维护方便。采用模块化设计、安装，缩短了船舶建造和维修周期。

1.2 缺点

1）一次性投资成本增加。

2）由于船舶安装了多种新型设备，因此需要高素质的高级船员。

3）尽管吊舱维护要求低，但一旦发生故障需要大修时，因维修空间有限，往往更麻烦。

4）吊舱安置于船体外部，易受攻击，抗冲击能力弱。

5）需要采用多种措施来降低水下噪声。

2 优秀的水动力特性

吊舱式推进器较传统推进器有更佳的水动力性能，主要原因是：

1）螺旋桨的来流更加顺畅（见图1），发生空泡的危险性更小，故使螺旋桨的效率可以设计得更高。

图1 吊舱式推进器桨前来流与传统推进器的比较

2）可选择合适的推进器安装位置。

3）螺旋桨后的流线型机体可提升水动力效率。

3 代表性厂商和产品

几大船用设备生产厂商先后推出了不同型号的吊舱式推进器，并在民用船舶上得到了广泛应用［4］。

3.1 ABB公司的Azipod系列推进器

ABB公司于1990年研制的Azipod系统开创了吊舱推进系统的先河，取得了巨大的成功。目前Azipod主要有三种型式：标准型、紧凑型、对转式，单机功率最大可达40 MW，如图2所示。

图2 三种型式的Azipod

3.2 Rolls Royce的Azipull型推进器

Rolls Royce的Azipull型推进器也是市场占有率很好的吊舱推进系统，水动力性能优良（见图3）。

3.3 Mermaid推进器

瑞典Kamewa公司和法国Alstom公司合作开发了以导流罩原理为基础的电力推进装置Mermaid推进器。其实物图与结构示意图如图4所示。

3.4 SSP推进器

SSP吊舱式推进器系统是德国西门子（Siemens）公司与肖特尔（Schottel）公司合作的产品，功率输出范围在5～30 MW之间。其推进装置示意图如图5所示。

3.5 Steerprop ECO系列推进器

Steerprop公司是芬兰一家较新的吊舱推进器公司，其较为代表性的系列为ECO系列，如图6所示。

图3 Ro－Ro的Azipull型推进器

图4 Mermaid吊舱推进器

图5 SSP吊舱推进器

图6 Steerprop ECO吊舱推进器

4 吊舱式推进器线型设计时的注意事项［3］

4.1 尾部线型

根据Steerprop公司提供的设计手册——海洋工程船舶（中文版），装有吊舱推进器的船舶线型设计应该使用纵向引流的尾部，即水流是沿着船体底部纵向，而不是沿着船体两边流向推进器的。船体尾部线型与船体基线的夹角应该尽可能的小。根据实际经验，最合适的夹角为17°～18°（见图7）；如果夹角过大，会导致水流分离，在螺旋桨前端产生乱流，从而严重降低推进器的性能。

图7 尾部线型与基线的夹角

尾部纵剖线不必是S型的，横剖面应该在尾封板处有一个轻微的V型角度，以减少船尾在遇到海浪时产生抨击的风险。

在有些船舶的设计中，推进器可能会超出船体基线以下，这种情况应合理设计尾鳍的大小与其相配，来保护推进器。

尾封板应该设计得尽可能少的浸没在水中，浸没水中会大幅度的增加船体阻力。螺旋桨与船体尾封板不应该安装过于接近，以免倒车和刹车时推进器产生的空泡现象。

在保证航向稳定性的情况下，尾鳍一般尽可能做得小。短小的尾鳍可以使得船舶更加灵活，能够促进船舶向后的航向保持和性能。在推进器任何方向运行时，尾鳍都最好不要超出螺旋桨的位置，尤其是船舶向后航行时，太长的尾鳍将会阻挡螺旋桨带出的水流，使得船的回转能力降低（见图8）。

图8 尾鳍不宜超出螺旋桨的位置

4.2 安装底座距法兰面的高度

安装底座距离法兰面推荐的最小高度为300～500 mm（见图9）。这取决于底座的大小和型式，最小高度是由强度需求和安装工艺来决定的。设计尾部纵剖线时需考虑此最小高度的影响，以免将来影响安装。

图9 最小安装底座高度示意图

4.3 推进器安装间距

为了提高船舶整体性能，尤其是操纵性，两个推进器之间的安装间距应尽可能的远。建议最小的间距为单个推进器回转直径+500 mm。为了防止推进器在船体横倾时触碰到防波堤或相邻船舶的船体，建议推进器安装中心位置至舷侧的距离应大于推进器回转半径+500 mm的距离（见图10）。

图10 安装间距示意图

4.4 推进器倾斜和倾角

推进器不需要完全垂直的安装，如果有必要可以在纵向或横向上有些倾斜（见图11）。纵向小角度倾斜有助于增加螺旋桨叶梢与船体的间隙，对螺旋桨设计及预防空泡、减小振动有积极的意义；另外也可以在压载时增加螺旋桨的浸没深度。如果主机内部布置的问题需要靠船中位置安装的话，就可以通过推进器向舷侧外横向倾斜的方式来保证推进器之间的间距最大化。最大倾斜角度可以视具体情况而定。

图11 推进器倾斜角示意图

4.5 Headboxes的设计

有些船舶的尾部纵剖线是有斜度的，就需要增加一个流线型的过渡来连接主船体和推进器，这就是Headboxes（见图12）。由于它本身需要增加附体阻力，并且对螺旋桨的流场也有一定影响，所以Headboxes的设计应值得重视。笔者就见过一条采用吊舱式推进器的船舶，仅优化推进器和Headboxes的横向安装角度（Thruster and Headbox setting angle），收到功率 Pd就获得了 2.1%的收益。