福伊特直翼桨在潜水支持船上的应用及安装

罗益根

(福建省马尾造船股份有限公司，福建 福州350501)

福伊特直翼桨在潜水支持船上的应用及安装

罗益根

(福建省马尾造船股份有限公司，福建 福州350501)

基于深海海况对船舶整体性能的要求较高，根据福伊特直翼桨的特性，以300 m水深的饱和潜水支持船为研究对象，分析福伊特直翼桨在潜水支持船上的应用前景，并对福伊特直翼桨安装工艺进行总结，为后续类似船舶的设计和建造提供参考。

福伊特直翼桨;潜水支持船;设备安装;造船工艺

0 引言

海上资源开发、打捞、科学考察、勘探、救助等领域正逐步扩展到深水领域，但是深水领域的海况条件要复杂得多，对在深水作业的海洋工程船尤其是潜水支持船的整体性能有着更高的要求。

饱和潜水系统作为海上大深度作业的主要方式，需要完成300 m以内的诸多复杂水下作业。福伊特直翼桨以其独特的性能特点能更好地满足潜水支持船深水作业时对推进系统的要求，极大地提高潜水支持船在深水作业时的安全可靠性和动力定位性能。

本文研究的福伊特直翼桨叶片数量5个，叶片轨道直径3.2 m,推进器形式采用电子控制。在分析福伊特直翼桨工作原理基础上,制定有效合理的安装工艺,为潜水支持船深水作业提供安全可靠的动力定位性能。

1 福伊特直翼桨在潜水支持船上的应用

1.1福伊特直翼桨的工作原理

福伊特直翼桨主要由桨叶、连杆机构、旋转箱体、控制杆、桨壳、伞齿轮、输入轴、液压伺服马达等组成。其工作原理可以看成两个运动的合成：旋转箱体沿垂直轴方向旋转的同时，单独每片桨叶围绕自身的轴进行往复摆动。这种往复摆动是通过1套连杆机构来实现的，其摆动产生的推力在旋转箱体上实现叠加。福伊特直翼桨的水力剖面面积为矩形[1]，而螺旋桨的为圆形。福伊特直翼桨的结构图如图1所示。

1.2福伊特直翼桨的主要特性

1.2.1快速转变舵向

福伊特直翼桨推力的大小和方向是通过2台垂直布置的伺服电动机驱动连杆机构进行控制的，不需要改变旋转箱体的旋转方向，因此反应时间极短。福伊特直翼桨从全速正车到全速倒车的时间仅需要3 s，而全回转转舵桨通常需要12～15 s。

1.2.2无通气现象

因为福伊特直翼桨独特的水动力原理，其垂直桨叶弦长上的压力分布均匀，因此不会出现普通螺旋桨的浅吃水通气现象。福伊特直翼桨的桨叶只要浸没在水中就会产生推力。随着桨叶逐渐露出水面，其推力平缓下降。全回转福伊特直翼桨接近水面时会有通气现象产生，越接近水面越敏感，产生的空泡会导致额外的振动噪声和桨叶的剥蚀损伤。

1.2.3减摇性能

福伊特直翼桨推力的大小和方向可以无极、快速调节，可以在减小船舶横摇运动中发挥作用。在其控制系统中只需要加装1套加速传感器模块来反馈船舶横摇的方向和角度，系统经过一定的计算将信号反馈到螺距控制系统，通过调节推力的大小和方向来抵消船舶横摇方向的力矩以减小船舶横摇运动。福伊特直翼桨为主动式减摇，在船舶动力定位(DP)和航行过程中都可减摇。在优先保证船舶动力定位的前提下，利用额外的有效功率来进行减摇。另外，还可以替代减摇鳍和减摇水舱，而且减摇效果好于此类常规减摇装置。相反地，也具有增摇的功能，比如做波浪补偿海上功能试验时，如果海况较好波浪不大，甲板吊的波浪补偿功能不明显，就可以利用它的增摇功能使船舶摇晃起来。福伊特直翼桨减摇功能示意图如图2所示。

1.2.4动力定位性能

福伊特直翼桨具有良好的动力定位性能，可以极为快速和精确地控制推力。其螺距无极可调，调节速度快，从正向最大螺距到反向最大螺距仅需要3 s，能够快速适应风、浪、流的变化，不会在未预期的方向上产生任何推力。

1.2.5无齿轮疲劳失效可能

福伊特直翼桨具有较好的抗抨击性能，转动惯量大，即使在极其恶劣的海况下桨叶全部出水时也不会对传动齿轮造成冲击负荷，传动齿轮不会出现齿轮内部疲劳失效现象。而全回转舵桨由于通气和抨击产生的交变负荷的作用会导致传动齿轮内部疲劳失效。

1.3潜水支持船上的应用前景

福伊特直翼桨在国外早有使用，但在国内船舶应用还不是很普遍。相比较全回转舵桨，虽然福伊特直翼桨初期投资成本较高，但是综合其性能特点，在潜水支持船等高附加值船上的应用还是有很大优势的，应用前景很广阔。

饱和潜水系统作为海上大深度作业的主要方式，能够完成300 m以内的诸多复杂水下作业。饱和潜水系统主要包括生命支持系统、潜水钟收放系统、居住舱、饱和潜水控制室和潜水控制室等[2]。在大深度水域工作往往具有复杂多变的海况，尤其在潜水钟收放系统运行期间，对船舶的DP动力定位能力要求非常高。 根据潜水钟和转换舱对接方向，可把潜水钟收放系统分为水平式和垂直式，本文以水平式潜水钟收放系统为例介绍潜水钟释放回收操作。

(1)释放：潜水员进入潜水钟，潜水钟脱离转换舱；潜水钟滑车将潜水钟移到导轨中，潜水钟提升绞车将潜水钟拉起并和导向罩对接；打开导向罩限位装置，下放潜水钟与配重架对接，然后潜水钟下潜到水下作业地点。

(2)回收：潜水钟提升绞车将潜水钟从作业点提起，使潜水钟与配重架对接；潜水钟托起配重架提升至导轨顶部，限位装置将导向罩锁住；潜水钟滑车移入潜水钟下方，将潜水钟移至转换舱接口处；潜水钟和转化舱对接，潜水员回到居装舱。

潜水支持船必须在DP状态下完成整个海上作业，因而需要最大程度地减少船体摇晃对潜水作业的影响。尤其在海况不好的情况下，船上除了配置减摇舱外，福伊特直翼桨将发挥其减摇和定位的作用。福伊特直翼桨与全回转舵桨动力定位性能比较如图3所示。

考虑潜水员长时间居住在加减压舱里，与外界隔离并保持高压，生理和心理的负担都特别大，福伊特直翼桨也可以提高船舶的舒适度。结合潜水支持船的工作特性，将福伊特直翼桨作为潜水支持船的主推进系统是一个较好的选择，能够提高潜水支持船在深海作业时的安全可靠性和动力定位性能。

2 福伊特直翼桨的安装工艺

本文以VSP 32 RS EC型号的福伊特直翼桨为例，介绍其安装工艺。

2.1福伊特直翼桨的安装

2.1.1福伊特直翼桨基座安装要求

(1)要求福伊特直翼桨基座安装面与船体外板相互平行以保证福伊特直翼桨本体底板与船体外板平顺，允许公差为±5 mm。基座安装法兰中心与外板开孔中心尽可能对齐。福伊特直翼桨安装后尽量确保其旋转箱体中心与外板开孔中心匹配，允许的中心偏移公差为±3 mm。

(2)基座围井的支撑结构原则上要求布置在基座安装面的2个螺栓孔中间。螺栓的定位孔是基于旋转齿轮轴来定位的，采用双眼布置方式。基座安装接触面区域的加工粗糙度级别为12.5～25 μm。

(3)福伊特直翼桨基座在船上安装到位前需要进行平面加工。平面加工精度要求为：福伊特直翼桨本体有3处支撑腿用于支撑内部轴承，支撑面积为内部轴承的1.5倍宽度；基座对应的区域平面度要求不大于±0.1 mm以保证各支撑腿在螺栓锁紧时不产生超应力；其余区域的平面度要求不大于0.3 mm。福伊特直翼桨密封面安装区域都需要进行加工。

2.1.2福伊特直翼桨基座的密封

(1)福伊特直翼桨基座密封垫片厚度为2 mm，具有防海水和防油功能，可以承受的挤压力为30 MPa。每个连接处采用鸽尾式对接。

(2)安装螺栓锁紧时预先锁紧至0.7倍的屈服极限应力。

(3)需要注意的是，确保螺栓扭矩报检在福伊特直翼桨安装后1～2 d再进行。因为可压缩式的密封垫片有可能导致螺栓的扭矩减小。

2.1.3福伊特直翼桨的安装

(1)福伊特直翼桨安装前，需要再次检查船体基座安装平面，基座面的宽度约为福伊特直翼桨支撑脚宽度的1.5倍，在基座支撑脚范围内的平面度偏差允许值为±0.1 mm。福伊特直翼桨支撑脚之间区域的基座平面度要求不大于0.3 mm。

(2)如果大倾斜角度安装福伊特直翼桨，需要增加1个或者数个侧面支撑块以保证均匀的下滑至基座安装面。

(3)福伊特直翼桨安放到基座上时，应根据预先在围井上做好的4个方向的标记，与自身的4个标记对齐为止。

(4)福伊特直翼桨安装到位后需要在支撑臂与基座法兰间加3个锥度销。

2.1.4福伊特直翼桨叶片的安装

(1)安装过程中需要保证周围环境清洁。

(2)福伊特直翼桨叶片的安装需要厂家服务工程师在场。如果安装叶片时油箱已经注入滑油，这些滑油可以通过干净合适的泵转移到桨本体的大油箱内。安装叶片时需要考虑坞底与直翼桨底板之间有足够空间用于安装叶片。

推进电机-中间轴-福伊特直翼桨组装图如图4所示。

2.2轴系的对中和安装

核实对中公差，电机与福伊特直翼桨的轴端之间的距离满足900 mm，最大距离为910 mm，最小距离为880 mm，径向中心偏移公差不大于±0.2 mm，角度公差为0.1 mm/100 mm(直径)。轴系组装图如图5所示。轴系的对中和安装步骤如下：

(1)福伊特直翼桨输入轴和电机输入轴需要预先做好去除油脂等清洁工作，并进行干燥处理。从轴向方向推进桨端联轴节、电机端联轴节。 桨端联轴节在4×90°处各有用于盘车用的孔。

(2)预先将联轴节放在轴上的位置，2个联轴节距离轴端的距离要保持一致。电机端联轴节在电机驱动轴上将要安装位置预先做好永久性标记。

(3)联轴节与轴匹配区域需要确保与轴全面接触，如果这个区域没有与轴全部接触会导致联轴节损坏以及轴功率传递扭矩减小。

(4)开始锁在电机驱动轴上的联轴节的轴向螺栓，初次扭矩锁至预计扭矩的一半，这样联轴节就初步固定在电机的驱动轴上。拆除电机端联轴节上的限位装置。

(5)将桨端联轴节安装到福伊特直翼桨驱动轴上，调整到距离轴端10～15 mm处。拆除桨端联轴节上的限位装置。

(6)用16个M27 mm×60 mm六角螺栓将中间轴与电机端联轴节进行固定，用于临时支撑中间轴。锁紧扭矩为预计扭矩的一半。

(7)电机端联轴节法兰装入到中间轴端部的槽内，桨端联轴节和电机端联轴节的“0”位需要对齐。

(8)沿轴向方向移动桨端联轴节，推向中间轴直至与中间轴的凹槽相互匹配。

(9)桨端联轴节法兰需要装入到中间轴端部的槽内。桨端联轴节和电机端联轴节轴向方向的螺栓不能锁紧。此时可以测量检查联轴节法兰之间的间隙。福伊特直翼桨和电机之间的热膨胀量可以通过轴向的拉长或者预压缩来调整。

(10)桨端联轴节与中间轴用16个M27 mm×60 mm六角螺栓进行固定，锁紧扭矩为预计扭矩的一半。

(11)锁紧桨端联轴节和在电机驱动轴上联轴节上的轴向螺栓。同时锁紧所有六角螺栓达到预定扭矩。

按以上步骤完成后需要重新检查对中，联轴节对中越好(对中偏差值越小)，设备运行会更加顺畅，使用寿命也会更长。

3 结语

通过对福伊特直翼桨特性的分析，对于潜水支持船来说，选择福伊特直翼桨作为主推进系统，能够大大提高其在深水作业时的安全可靠性。结合潜水支持船的工作特性，福伊特直翼桨安装在潜水支持船上是一个非常完美的配置。通过福伊特直翼桨安装工艺的总结为将来相关船舶设计建造提供了参考经验。

[1] 劳克斯，宋新新.特种船舶用低噪声直翼推进器[J].机电设备,1990(3):33-34,16.

[2] 宋海鹰.饱和潜水专家系统的研究与开发[D].大连：大连海事大学，2015.

U664.31

A

2017-05-10

罗益根(1979—)，男，工程师，主要从事船舶设计与建造工作。