吊舱推进器水动力分析综述

许汪歆，崔忞慜，田忠殿，郑安宾

（(1.中国船舶集团有限公司 第704研究所，上海 200031；2.海装上海局驻南京第一军事代表室，江苏 南京 210001）

坚持绿色发展的理念是碳达峰和碳中和的要求，同时海洋环境对船舶污染物排放也提出了要求，船舶电力推进方式也引起了人们的关注，逐步成为船舶的主流推进方式之一。相较于传统的机械推进方式而言，吊舱式电力推进在经济性、操纵性和节能性等方面具有一定的优越性。国内在吊舱式电力推进器研究方面才刚刚起步，其关键技术和主要装备还依赖进口。为此，文章主要从总体结构设计的水动力分析方面开展相关研究，总结了吊舱式电力推进的发展以及应用。

1 吊舱推进器特点

吊舱推进器（POD），主要由推进模块和回转模块构成，电动机和螺旋桨直接相连，可以360°水平旋转。吊舱推进器在船舶设计、性能、制造及维护等方面具有诸多特点，归纳起来有如下的优缺点：

1.1 优点

（1）采用电力推进，可以直接使用变频调速，相比于传统的燃气轮机和柴油机推进，机械系统的复杂性降低，不需要设计传统的变速齿轮箱、轴系结构、尾轴对中等；

（2）机动性好。推进装置可在零航速时360°全回转，具有较好的操纵性能，定位能力强，具有船舶紧急停船能力；

（3）空间配置灵活，充分利用了舱室空间，可以根据船舶布置需求机动布置，从而增加了装载舱容，提高了船舶航运的经济性。

1.2 缺点

（1）初装投入较大。吊舱推进器属于电力推进的一种，电力推进成本高，再加上特殊设计的电机、密封，还有轴承需要配套监控系统，这增加了吊舱推进器的成本；

（2）维修困难，维修时间长，维修费用较高。船舶航行需要考虑到推进效率，因此吊舱推进器壳体的设计尽可能地小以获得较高的推进效率，限制了维修人员在推进器内部的维护空间；

（3）技术可靠性不高。Rolls-Royce研发的Mermaid吊舱推进器自从产出以来，轴承就不断发生故障，后来轴承经过重新设计，故障问题依然频繁出现。肖特尔和西门子联合开发吊舱推进器SSP，自安装以来，常发生轴封泄漏问题。

2 吊舱推进器的发展历程

吊舱推进器是由芬兰ABB公司在1990年首次提出，目前占据了主要的市场份额，各类产品也经过了实船的考验。德国SCHOTTEL与SIEMENS公司联合开发的SSP推进器采用前后配对螺旋桨技术和永磁同步电机。Mermaid推进器是法国ALSTOM公司和英国Rolls-Royce联合研发的。荷兰John Crane-Lips与德国SRNATLAS公司联合开发了Dolphin推进器。主要的吊舱推进器厂家和吊舱推进器相关参数见表1。

表1 国外吊舱推进器制造商与特点统计

3 吊舱推进器水动力研究进展

吊舱的水动力性能方面的研究工作，包括试验方法和数值模拟方法，吊舱推进器模型试验，例如船体阻力试验、敞水性能试验和自航试验等，得到了一系列优良线型数据用于改善其阻力与推进性能。水动力性能方面的研究方法归纳如图1所示。

图1 水动力性能研究方法

3.1 仿真研究

从水动力性能研究方面看，有的文献基于吊舱推进器定常水动力性能的计算、数值预报和吊舱推进器螺旋桨尾涡模型研究，讨论非定常性能与吊舱诱导的伴流间的相互关系，研究螺旋桨负荷在伴流场中的非定常性能。有的文献采用CFD方法研究吊舱推进器在粘性流场中的水动力性能，采用滑移网格模拟螺旋桨旋转，对比了非均匀来流下的试验结果。解学参等采用势流理论面元法分析吊舱单元的定常性能，通过迭代分析桨叶和吊舱间的相互干扰，计算了吊舱单元的水动力性能。有的文献讨论了面元法的应用，分析了不同进速系数下尾涡模型的螺距角变化规律。有的文献分析了带有艉舵的吊舱单元的水动力性能，结果表明加上艉舵提高了吊舱单元的推进效率，增加了航向的稳定性。

郭春雨等人采用混合面模型对拖式吊舱单元的水动力性能进行模拟，计算了不同进速系数下的吊舱推进器的推力系数、扭矩系数，采用等四套网格模型预报桨叶的推力系数。陈科等人基于双螺旋桨吊舱推进器定常水动力性能方面的理论计算做了相关研究，研究前桨-后桨-舱体的影响系数，对比了传统计算方法与整体求解双重库塔条件的计算结果，得出采用新方法之后的吊舱推进器水动力性能预报结果大幅提高。

3.2 模型试验研究

有的文献基于模型试验方法研究了CRP推进器的实船推进性能，研究在设计工况下，前后桨的相互影响程度，结果表明前后的影响关系可以忽略。学者杨晨俊介绍了吊舱推进器敞水试验、吊舱推进器单元敞水试验、吊舱推进器船舶自航试验以及实尺度吊舱推进器性能预报规程，分析吊舱与桨叶之间的水动力相互作用。沈兴荣等研究了舵角工况下吊舱推进器的性能，研究结果表明，舵桨工况下螺旋桨产生的操舵力提升了操作性能。王文涛等人介绍了在开展吊舱推进器船舶模块型试验过程中用到的关键设备吊舱动力仪，简述了吊舱推进器单元敞水试验方法、阻力试验方法和自航试验方法等相关试验方法流程。

3.3 空泡研究

在空泡水筒中开展相关物理试验是研究螺旋桨水动力的重要方法之一。第26届ITTC水动力学研究任务与发展方向指出，今后需要开展螺旋桨空泡计算方法、由空泡诱导的船体脉动压力、螺旋桨的空泡剥蚀等相关问题的研究。学者解学参采用数值模拟方法考察吊舱螺旋桨的空泡变化，计算了螺旋桨的定常空泡性能与非定常空泡性能，并结合实验结果探讨了螺旋桨的空泡形状。沈兴荣等人根据实际航行需要，研究了小舵角工况下的空泡性能试验，以0°舵角为基准，研究在±5°舵角小的空泡性能，测量桨叶的脉动压力，分析了吊舱推进器不同部位的脉动压力。有的文献利用实船观测的手段，探究了在非设计工况下，吊舱推进器的水动力性能，发现桨叶空泡与转角变化成正相关。李善成等人研究偏转工况下的吊舱推进器空泡性能，针对1∶25的缩比吊舱体模型，在空泡水筒中开展相关试验，分析桨叶的压力分布情况。黄红波等人在实验室条件下针对船模进行了吊舱空泡性能的试验研究，研究不同偏航角度下的空泡形态和由于空泡愿意引起的脉动压力，并将结果与MARIN的试验结果比对。

4 吊舱推进器关键技术

吊舱推进器在船舶电力推进领域例如：邮轮、破冰船、豪华游轮等已有实船应用，今后还考虑在军用舰船上投入使用。虽然吊舱推进器在20世纪90年代已经投入生产使用，但国内对于吊舱推进器的研发设计还存在以下待突破的关键技术：

（1）随着功率等级的增加，桨叶直径也将增大，这就需要考虑螺旋桨的推进效率以及线型设计，需要考虑电机的功率匹配技术；

（2）轴承的设计与选型技术。大功率等级的吊舱推进器需要匹配与之适应的轴承，对于轴承的外径、装配等问题都需要兼顾，给轴承设计与选型带来挑战；

（3）艉密封的设计与选型技术。艉密封装置的设计需要适应水深变化、水压冲击，需要考虑滑油泄漏、使用寿命等问题。

5 总结

本文综述了吊舱推进器水动力分析研究现状以及吊舱推进器的发展情况。作为新型电力推进系统，吊舱推进器凭借其功能特性在民用船舶领域取得了一定的成果，为市场的各种推进需求提供了较完整的解决方案。

国内对吊舱推进器的研究处于起步发展阶段，相关科研院所在这方面的研究工作已有了实船应用，掌握了中小功率等级吊舱推进器的设计技术。国内从事吊舱推进器水动力相关研究的单位先后开展了水池和空泡水桶试验，利用数值计算方法开展水动力性能研究包括定常水动力性能、不同配置方案下的航行性能、吊舱对螺旋桨水动力性能等，获得了比较满意的结果，积累了试验经验，为后续的研制奠定了基础。