半浸式螺旋桨在高速船上的应用

CCS浙江分社 应 胜

半浸式螺旋桨（Surface Piercing Propeller，SPP，简称半浸桨）是指高速船在设计航速航行时，部分桨叶露出水面而能正常运转的螺旋桨。所以半浸桨也称部分浸水螺旋桨或表面螺旋桨。半浸桨与常规螺旋桨相比有许多独特的优点。首先，采用半浸桨推进的船舶，船舶在设计航速航行时，桨毂、轴、液压支撑附件等露在水面之上，因此减少了这部分附件引起的附加阻力。其次，由于半浸桨布置在船体尾封板的后方，从而避免了船体对螺旋桨直径的限制，可以使螺旋桨的工作点的选择更加优化。在高速航行时，与半浸桨相比常规螺旋桨是“全浸”在水中，常规螺旋桨推进装置将不得不面对“空泡”所引起的螺旋桨表面的“剥蚀”现象。而采用半浸桨推进系统则可以避免这个问题。半浸桨在运转时，一半桨叶浸没在水中，一半桨叶露在外面。螺旋桨始终处于“通气”的状态，所以不会产生“空泡腐蚀”的现象。此外，半浸桨推进系统还具有推进效率高、安装灵活、维护保养方便等特点。

正是具备了诸多的优点，半浸桨推进系统在高速船上的应用越来越广泛。高速滑行艇主要应用在需要航速较高的公务快艇方面，如：海关的缉私艇，边防和海警的巡逻艇，海事和渔政的执法艇等。此外，高速滑行艇在军用舰艇方面也有广泛的应用价值。据了解，半浸桨推进系统目前已经成为航速50kn以上船艇的主要推进方式之一。在超过100kn以上的高速船艇上，半浸桨推进装置更是占有绝对的优势。目前，半浸桨推进装置在世界各国最先进的高速船艇上已经得到了广泛的应用。

半浸桨推进系统结构特点

半浸桨推进装置其实并不能简单地理解为一种特殊的螺旋桨。其实半浸桨推进装置是一个集螺旋桨推进系统、操舵装置及舵桨操纵和控制系统为一体的一种特殊的舵桨推进系统。半浸桨推进装置最初的应用是在美国，以二十世纪六十年代美国SES-100气垫船上进行半浸桨研究和应用为标志。目前，半浸桨推进系统的研究和生产，主要还是集中在欧美等发达国家。半浸桨在高速滑行艇领域的市场也是被这些国家垄断。我国在半浸桨方面的研究、制造的起步较晚。据了解，近年来一些行业内知名的研究所在半浸桨的研究和应用等方面也取得了突破性的进展。

常见的半浸桨推进系统主要有以下几个部分组成：螺旋桨、驱动轴（尾轴）、舵叶、操舵油缸、液压动力单元、齿轮减速器、调节桨轴纵倾角度油缸及传感器等（如图1、2、3所示）。一般高速船都是采用双机双桨推进的形式。

图1：半浸桨俯视图

图2：半浸桨侧视图

图3：半浸桨实物照片

半浸桨与常规螺旋桨的区别

半浸桨是一种特殊的螺旋桨，其结构与常规的螺旋桨相比有一些显著的不同。最明显的区别就是半浸桨的随边与常规螺旋桨不同。常规螺旋桨的随边末端连线通常为圆弧形，而半浸桨则为一条直线（如图4）。另外，由于半浸桨桨叶的剖面通常采用超空泡型剖面，桨叶剖面的最大厚度靠近螺旋桨的随边。而常规螺旋桨则一般都是靠近导边。半浸桨还有一点与常规螺旋桨不同的就是，在大多数半浸桨的随边，有一个朝向叶面的附加部分，这一部分叫做“杯形”。这样的结构除了可以增加桨叶的结构强度之外，还可以在半浸桨随边的附近产生额外的升力。此外，半浸桨还采用较大的螺距比P/D(P－螺旋桨螺距，D－螺旋桨直径)。常规螺旋桨的螺距比一般都小于1，而半浸桨的螺距比通常都大于1。

图4：半浸桨与常规螺旋桨桨叶轮廓的对比

图5：半浸桨入水和出水示意图

半浸桨的通气现象

当采用半浸桨推进系统的高速滑行艇，在达到高速滑行状态时，桨叶在运转时是交替入水的。半浸桨大多数都是采用四到五叶桨。分析半浸桨的运转周期可以知道，在一个桨叶的旋转周期内，大约有四分之一的桨叶完全浸没在水中，四分之一的桨叶露在空气中，剩下的两个四分之一周期分别是桨叶的出水和入水的过程（如图5所示）。半浸桨在高速运转时，所产生的空泡会被出水和入水时吸入桨叶附近的空气腔所代替。这种现象也称为半浸桨的“通气”现象。所以采用半浸桨可以大大减少螺旋桨表面的“空泡腐蚀”现象，有利于提高螺旋桨的使用寿命。

安装及注意事项

采用半浸桨推进装置的船舶与常规螺旋桨推进装置相比安装比较方便。半浸桨推进装置的轴系通常采用万向轴传动。由于采用万向传动轴连接，所以采用半浸桨推进装置的船舶的轴系是不承受推力的。半浸桨所产生的推力是通过半浸桨上的推力球轴承传递给船体的。所以安装半浸桨推力轴承球座部分的船体结构（艉封板）的加强需要特别考虑。特别是对于采用玻璃纤维增强塑料（俗称玻璃钢）为船体结构的高速船来说，推力轴承座附近的船体结构，需要在玻璃纤维敷设时提前将加强结构（如钢板、木板等）预埋在船体结构中。在此类船舶的建造检验过程中，对于艉部的结构也需要特别关注，以免后期出现返工现象。

图6：某高速艇半浸桨安装示意图

为了达到最佳航速，对于艉部海底门吸水口等的布置位置有严格的要求。以前述15米滑行艇半浸桨为例，从半浸桨叶尖大约21cm范围开始，以及艉封板向前1.83m范围内尽量不要安装海底门吸水口及其他传感器。

此外，半浸桨安装过程中还需要重点检查升降、转舵油缸安装板与连杆无碰撞，艉轴推力球体与球座之间无碰撞（如图7）。最后还应关注外部的液压管与传感器软轴线的安装。在液压软管接头安装时，既要保证液压管的密性，又不能将螺纹接头拧得太紧，导致接头爆裂。在船舶下水之前对于所有液压管路都需要进行强度和密性试验，防止液压油泄漏导致的海洋污染事故。传感器软轴线安装时要注意，外部不需要留过长，如果留的过长，运转时容易挂住物体，导致传感线伸缩不畅。对于传感线通过船体的贯穿件处，还需要进行有效的封堵，并进行密性试验（如图8所示）。

图7：液压油缸和推力轴承安装示意图

图8：液压油管及传感器软轴线安装示意图

半浸桨推进装置在高速船上的应用已经有将近半个世纪的历史，但由于半浸桨推进装置在普通民用商船上应用非常少。目前国际上各大船级社规范中，对于半浸桨推进系统的研究也非常少。由于半浸桨在高速运转时，桨叶交替进入水中，半浸桨的水动力问题非常复杂，目前还没有比较成熟的半浸桨图谱设计方法。此外，半浸桨在高速运转时，桨叶交替出入水，桨叶在一个旋转周期内所承受的推力大小的变化非常大。因此，对于半浸桨及其支撑结构的强度等的要求，比常规螺旋桨要更高。

对于采用半浸桨推进装置的船舶，螺旋桨和艉轴的检验周期和检验方式等方面，国际上各大船级社目前的规范中也没有针对性的要求。如果按照常规螺旋桨的检验周期和检验方式来进行，显然是不合适的。由于目前半浸桨推进装置的核心技术还是被国外的厂商所垄断，半浸桨推进装置在安装、检查及维护保养等方面的要求，主要还是参照半浸桨制造商的标准。

近年来，我国的海洋维权意识不断增强。此外，海上的搜救、打击海上的违法犯罪等活动，都需要我国的执法部门拥有更加先进、高速和快捷的高速船艇。这也给半浸桨推进装置在我国的研究和应用带来了极大的机遇。