船舶吊舱式推进系统故障分析与排除

马 川,孙小明

(1.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071；2.天津新港船舶重工有限责任公司,天津 300456)

技术交流

船舶吊舱式推进系统故障分析与排除

马 川1,孙小明2

(1.青岛远洋船员职业学院，山东 青岛 266071；2.天津新港船舶重工有限责任公司,天津 300456)

文章针对中铁渤海轮渡Azipod吊舱式推进系统出现的具体故障，分析了该种类型推进系统典型疏排水故障出现的原因，并制定了修理方案排除了故障，对此类新型吊舱式推进系统的维护管理和故障维修提供了参考。

吊舱式推进系统；轴密封；疏排水系统；故障分析

Abstract:Aiming at the actual problem of China Railway ferry,Azipod system is introduced with the typical failure of drainage analyzed and the fault eliminated,which provides the reference of maintenance and repairing of the new type propulsion system.

Keywords：pod propulsion;shaft seal;drainage system;fault analysis

船舶吊舱式推进系统是由推进电机和螺旋桨直接相连，可以360°水平旋转的一种推进系统。该系统可以构成独立的推进模块，吊挂于船体底部。吊舱式推进系统可分为前桨(牵引)式、后桨(推)式、串列式、对转桨、导管桨等多种形式[1]。吊舱式推进系统是一种新式的船用推进装置，因其卓越的工作特性和先进的操控方式逐渐成为豪华邮轮的标准配置，同时也较广泛的应用在半潜船和部分铁路轮渡中，中铁渤海轮渡就是一个成功的应用案例。该轮为客滚船，全长182.6 m,宽24.8 m，满载排水量16 229 t，船上有上下两层纵通甲板，火车甲板可搭载50节火车车厢，汽车甲板可搭载50辆20 t的载重卡车和25辆小型汽车。该轮配置了4台3 000 kW的ABB柴油发电机组，并由ABB提供了先进的Azipod吊舱式推进系统。目前，该轮在航行中出现了推进系统密封和排水装置的故障，该故障表现为吊舱排水模块中的漏水量明显高于正常值且呈断续喷射状。恰逢该轮要到天津新港船舶重工有限责任公司进行航修，因此经和船东商议后决定对该轮吊舱进行拆卸并解决故障。

1 Azipod吊舱式推进系统介绍

20年前，芬兰海事局开始寻求在冰海区航行的高性能破冰船的解决方案，其初步的想法是推进电机应该提供任意方位的推进力。在此背景下，作为世界传动领域的领先者，ABB芬兰分公司提出了Azipod 的原型方案并提交给芬兰Kvaerner Masa 船厂制造，这是最先应用于船舶的吊舱式推进装置，相关的Azipod 推进技术也申请了专利[2]。现在Azipod 吊舱式电力推进系统已经成为大型豪华邮轮的一种标准配置。该类型的推进装置采用空气冷却推进电机，在定子和吊舱之间存在空气可以循环的腔室。大型吊舱推进装置都设有通往吊舱的通道，可以不必在干坞内装卸。另外，轴封和轴承必须由潜水员在舱外面进行更换。

在变频控制方面，Azipod 系统采用交-交变频器和直接转矩控制方法来实现对推进电机的调速。1990年，1 500 kW 的Azipod 推进装置开始应用于“SEILI”号航道服务船，2004年，ABB 公司使用Azipod 推进装置的累计安全运行时间已经超过130 万h，良好工况的概率达到了99.75%。由于该系统具有较高的稳定性，故目前Azipod 推进装置已占据了吊舱推进装置市场一半以上的份额[3]。

2 吊舱内部系统工作原理

Azipod吊舱式推进系统分为2个部分：①支撑模块。支撑模块主要连接船体的舵舱和推进电机，在支撑模块的内部设有专用通道用于铺设动力电缆和其他管路。②推进电机模块。吊舱式推进电机为船用大功率永磁同步电动机，电机的输出轴连接定距螺旋桨。推进电机系统采用的是直接转矩控制(DTC)，操纵性和安全性非常好[4]。电机模块中重要的部件有螺旋桨轴承、密封装置及空气刹车。螺旋桨轴承浸于油底壳的滑油中，对整个推进系统的稳定运行起到了关键作用。在螺旋桨轴承和螺旋桨之间有5道轴封环，其中外面2道起到了防止海水及脏物进入的作用，另外3道为油封。空气刹车能够通过压缩空气实现迅速停车。

为了实现正常稳定运行，装置中除了电机运行所需的三相动力电缆外，还有11条管路。这些管路分别为润滑油管路、疏排冲洗水管路和压缩空气管路。其中润滑油管路主要用于润滑系统加油和油位显示，以保证各个轴承的正常运行。压缩空气管路主要为空气刹车提供动力。疏排冲洗水管路的作用是及时冲洗轴封处的脏物，并排出轴密封舱和电机模块中的残水。本次修理主要针对的是疏排冲洗水管路的故障。

3 疏排冲洗水系统故障分析

船舶吊舱推进系统的轴封长期浸泡在海水中，在经过长时间的运转后密封效果会变差。海水就会进入轴封和电机模块端面构成的密闭空间，该空间被称为轴密封气舱，实际上是一处积水腔。由于在此处机械轴密封要用水作为润滑剂，因此适当的泄漏是正常的。但海水的腐蚀性极强，如果此处的积水量长期超过允许值，则会造成严重腐蚀，甚至还有可能渗入电机模块中，造成推进电机的绝缘性能变差，进而导致电机模块烧毁等严重事故。因此，此处积水腔中的这些漏水要及时排出。

1、2、3、4-疏排水管；5-压缩空气管；6-润滑油管。图1 吊舱疏排水系统示意图

吊舱疏排水系统中有4路疏排水管，如图1所示。管路4将支撑模块中的残水通过水泵排出吊舱，管路2和管路3将轴封处积水腔内的残水排出，管路1将电机模块中的进水排出。以上3处排水管路与一般的疏排水系统不同，此处采用的是压缩空气将要排出的积水从电机模块和轴密封气舱压至排水槽中，而不是通过水泵将积水抽出。压缩空气来自于管路5，以保证轴密封气舱中的气压高于水压，这样残水就能被及时的排出。

与传统的水泵抽吸式排水相比，此种排水方式有着明显的优点。一方面能够节省电能，另一方面也省去了水泵、水分传感器及复杂的控制系统，提高了系统的可靠性。管路1至管路4都连接到一个排水监测系统，以便操作人员能及时了解排水系统出现的问题。管理人员通过监测压缩空气的压力及漏水量来判断排水系统的状态。通过分析可知，该排水监控系统会出现以下5种状态。

1) 压缩空气压力及流量正常，无水流吹出。说明轴封处密封状态良好，基本没有海水渗入。

2)压缩空气流量偏小。出现此种情况，首先要检查气源是否正常，如果不是气源故障则很可能是管路出现破损导致漏气，应酌情调节气源压力及流量或者更换管路。

3) 压缩空气压力及流量正常，有水断续平稳吹出，水量在规定技术参数之内。说明整个系统正常工作，轴封处少量漏水并能及时被排出。这时注意及时调整压缩空气流量即可。

4) 压缩空气压力及流量正常，水持续喷射排出但水量较少，且漏水量在规定参数之内。水量未明显增加说明轴密封部件基本正常，而持续喷射的小股水流则说明水管破损导致密封性变差，积水一直未排干净而新的积水又进入腔室，排水性能降低。

5)与4)类似且漏水量明显超过允许值。说明轴密封装置和疏水管装置均出现问题。应及时更换轴封和水管。

4 解决方案

通过分析中铁渤海轮渡出现的故障现象可知，该轮吊舱式推进系统出现的问题来自于轴封和管路1至管路3的排水管路。在经过长期的运转之后，轴封的密封效果变差，从而导致电机模块和轴密封气舱中的漏水量超标，而同时排水管又出现了破损导致密封性变差，不能及时的将过量的漏水排出。这将严重威胁到吊舱推进电机的正常安全运转，必须要将轴封和水管同时更换。

经过ABB服务工程师和新港船舶重工有限责任公司项目组的共同研究，决定对整个右舷吊舱推进系统进行拆卸并解体，由于吊舱推进系统质量达40 t，必须采用专用运输和拆装工具才能完成该项工作，整个拆装在3天3夜的紧张忙碌中完成。ABB服务工程师在工人的配合下对轴封和排水管路进行整体更换，换新的水管如图2所示。更换后疏排水装置的压缩空气气流和漏水量均恢复正常，系统正常工作。

图2 修理现场图片

5 结束语

本文介绍了吊舱式电力推进系统的组成及工作原理，对吊舱推进系统容易出现的密封及泄漏问题进行了分析，并结合中铁渤海轮渡的一个故障实例，详细的分析了故障产生的原因并制定了解决方案。最后在ABB服务工程师和船厂的配合下，解决了该故障。

随着吊舱式电力推进系统的广泛应用，电力推进船舶占的市场份额也迅速增长。随着电力电子学、半导体、交流电机变频调速等技术日渐成熟，船舶吊舱式电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展，显示出广泛的应用前景[5]。吊舱式电力推进装置在民用船舶中的应用还处于发展时期，与其他传统推进装置相比，吊舱式电力推进系统的结构比较复杂，管理和维护的要求较高，这给船舶维护和修理工作带来了一定的困难，对吊舱式电力推进系统出现的新问题加以研究，对于日后船舶维护修理工作有一定的指导意义。

[1]黄鹏程,聂延生. 吊舱式推进系统密封和轴承油路系统探讨[J]. 世界海运,2005(1):51-52.

[2]高海波,高孝洪,陈辉,等. 吊舱式电力推进装置的发展及应用[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2006(1):77-80.

[3]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.

[4]云峻峰,黄仁和,赵建华. 现代舰船电力推进设计走向[J]. 舰船科学技术,2003(1):3-8.

[5]谢清程,易小冬. 吊舱式电力推进系统的新进展[J]. 机电设备,2007(1):1-2.

兴船报国创新超越

打造精品做强主业

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.001

马川(1984-)，男,山东青岛人,讲师，在读博士研究生，研究方向为船舶自动与智能化。

2017-04-17