轮缘推进系统特点与应用分析

李志刚+江帆+朱庆太

【摘 要】轮缘推进系统是一种全新的船舶推进方式，其通过整合的方式间电机与推进器集成一体，使其具有空间利用率高、推进效率高、振动和噪音小、不被漂浮物缠绕等优点，使其在军事和民用领域都有极高的应用价值。本文通过轮缘推进系统与传统推进系统比较的方式分析其特点。

【关键词】无轴推进；集成推进；船舶动力

引言

近年来，随着人们对海洋探索和开发的深入，传统推进系统有着空间利用率低、噪音大、螺旋桨常被水中漂浮物（渔网、缆绳、水草等）缠绕等问题，逐渐显现出各种不足，已经无法满足需求，因此许多新技术在船舶领域迅速出现，轮缘推进系统就是其中之一。轮缘推进系统由于其自身的结构特点，从源头处避免了许多传统推进装置无法避免的缺点。

轮缘推进系统最早在DARPA的Tango Bravo计划中出现，这个计划旨在为美军提供更安静高效的潜艇，随着研究的深入，轮缘系统的种种优点使其应用领域逐渐扩大。

1.传统结构分析

传统的推进系统将主机和螺旋桨分离，中间要通过齿轮箱和传动轴传递机械能，而轮缘推进系统间电机与螺旋桨集成一体，使螺旋桨直接与电机中的转子相连，通过改变电机的输入电压与输入电流控制电机的输出转速和输出扭矩，由于其无齿轮箱和无传动轴的设计，使整套系统的空间利用率和能效比到得到了极大的提高。轮缘推进系统极高的空间利用率能使船尾的型线得到改善，提高船尾流场的品质为船体在舱室与流体性能上的优化提供更大的空间。

轴系、齿轮箱等机械传动机构是振动和噪音的主要来源之一，且采用机械传动和密封润滑伴随而来的是能量传递损失与效率损失。轮缘推进系统的无轴、无齿轮箱设计能从源头处避免机械传动过程中所产生的噪音，也避免了在机械传动过程与齿轮箱密封润滑过程产生的能量传递损失和效率损失，使船舶或潜艇在航行过程中更加安静、高效，有利于提高舰艇的隐蔽性，也符合当下绿色船舶的理念。

常规的电力推进系统其轴系虽然较短，但仍与传统推进系统一样，采用机械传动的模式驱动螺旋桨，仍需占用大量的船舱空间。据DARPA报告上的测算数据指出，水面舰艇采用轮缘推进系统可以减少动力系统占用空间的60%～70%，从而大幅度提高整体空间利用率。

2.轮缘推进系统应用分析

2.1喷水推进系统

限制喷水推进系统发展的原因主要有两点：

（1）喷水推进系统的涡轮叶片在船体内部，一旦发生缠绕，故障排除过程会非常困难；

（2）喷水推进系统结构复杂，且原动机机、传动装置、推进水泵、管道系统都在船体内部，这将占用大量的舱室空间。

轮缘推进系统具有以下的特点：

（1）防缠绕；

（2）桨叶布置在电机内侧，当推进系统工作时水流在电机内侧穿过。

将轮缘推进系统应用于喷水推进中，将能避免缠绕，并精简掉传动系统，原动机（电机）与推进水泵集成一体，且成为管道系统的一部分，这将大幅度提其高空间利用率。

2.2 吊舱推进系统

传统的吊舱推进系统通常使用Z型推进的方式，主机布置在船体内部，通过传动轴和齿轮箱将机械能传递至螺旋桨，该系统占用空间较大，机械能损耗较高。

当吊舱采用轮缘推进系统时，区别于传统的Z型推进系统，轮缘推进系统具有电机和螺旋桨集成一体的特点，电机布置在吊舱处，无需采用机械传动装置，在船体内机舱的位置只需布置一台舵机，在提高整套系统的效率、降低振动和噪音的同时，还能使机舱占船体比重大幅度减小，此外还有推进系统维护方便、原动机（电机）散热简单、吊舱的布置灵活等优势。

2.3侧推系统

传统的侧推系统通常将原动机安装与船体内部，通过传动轴将机械能传递至螺旋桨，这会造成以下2个问题：

（1）齿轮箱与等传动装置为刚性构件，当螺旋桨旋转时受到反冲击而产生振动和噪音。为减小冲击通常将原动机布置到更高的甲板上，使用更长的传动轴，并将传动轴分成二级到三级，每一分级都有一对自对准轴承，使各装置重力负荷更均匀，并在最后一级与垂直传动齿轮连接处采用橡胶弹性连轴节进行连接。这种处理方式会降低空间利用率和加大机械能损耗；

（2）传统的侧推系统的螺旋桨桨叶布置方式为离心布置，螺旋桨在工作时其桨叶的叶梢处会产生涡流，且所产生的涡流会直接撞击导筒壁，叶梢涡流的大小会随着叶梢处圆周速度的增大而增大，当涡流较大，冲击侧推装置导筒壁时会发出很大的噪音，叶梢涡流的撞击还会使导筒壁表面材料发生腐蚀。为避免叶梢涡流撞击导筒壁引起噪音和腐蚀，侧推系统的螺旋桨叶梢处圆周速度一般不超过34米/秒，水流速度不超过10米/秒，这极大的限制了侧推系统的功率，已经不能满足超大型船舶的需求。

若在侧推系统中使用轮缘推进，有2个优点：

（1）轮缘推进系统桨机一体化的特点能极大程度的改善侧推系统空间利用率低的缺点；

（2）轮缘推进系统螺旋桨的桨叶布置方式为向心布置，螺旋桨叶梢产生的涡流会在导筒轴心处相互抵消，不会引起导筒壁表面發生腐蚀。

3.结论

轮缘推进系统是一种全新的船舶推进系统，由于其独特的结构，使其从源头处避免了很多缺点，很大程度上解决了传统推进系统结构复杂、空间利用率低、振动和噪声大、维护不方便等缺点，是一种在军事、民用领域都具有极高应用价值和市场前景的推进系统。

参考文献：

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作者简介：

李志刚（1973—），男，研究方向：机械制造及自动化 工作单位：江联重工集团股份有限公司

通讯作者：

江帆 （1985—），男，讲师，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造 工作单位：九江职业技术学院。endprint