高速推進系統選型方法的研究

羅曉園，劉張超，劉亮清

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090;2. 船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 201108)

0 引言

近十年來高速船舶產業出現了爆發式增長，高速船的船型結構、主尺度、總噸位、航行速度等需求也不斷發生變化，隨之而來針對高速推進器的綜合需求也大幅提高1-2]。以舷外機、舷內機、圖譜軸系推進器為代表的傳統高速推進器已經很難全面地滿足高速船舶產業配套的發展需要[3-4]。世界主流的推進器供應商近年來陸續開發出了多款新型的高速推進系統來應對高速船舶的綜合性需求。然而，在高速船舶的設計過程中面對種類繁多的高速推進器系統，往往使船舶設計者無法合理地選擇最佳的推進型式，致使設計出來的船舶快速性、匹配性、經濟性以及環保性上表現差強人意。因此，本文通過梳理不同類型高速推進系統的特性，分析各類推進器型式最適配的船型和航速范圍，總結出一套關于高速船舶通過航速段來進行高速推進系統快速選型的方法。通過此方法能夠有效地幫助船舶設計師和用戶對高速船舶的推進系統的選擇做出快速而正確的決策。

1 新型高速定距推進器系統

1.1 新型定距推進系統的結構特點

高速定距推進系統是傳統高速船舶的首選驅動型式，其結構型式也非常成熟和可靠。新型高速定距推進系統由柴油機、減速齒輪箱、軸系和理論定距槳組成。整套系統的布置結構、基本配置與傳統定距槳推進器系統本質上沒有區別，主要的不同之處在于理論定距槳的設計有了本質性的區別。傳統高速定距槳大部分采用圖譜設計方式進行設計(高恩系列、瑞典SAAP MP系、日本SRI a系列等)，但是隨著螺旋槳的理論設計的不斷提升，現在的高速定距槳已經不再采用圖譜方式進行設計，而是采用理論方法進行定制化設計[5]。因此，新型的高速定距推進系統的綜合性能已經較傳統型式有了大幅度的提升。新型高速定距推進系統的結構見圖1。

圖1 新型高速定距推進系統結構圖

1.2 新型定距推進系統的優缺點

新型定距推進系統的螺旋槳采用大側斜前傾徑向螺距變化型式，能夠有效地控制誘發船體的激振力。螺旋槳的螺距采用徑向變化的分布型式，能夠使螺旋槳更好地適應船艉不均勻伴流場的來流速度，從而有效地提高推進效率。新型螺旋槳通過盤面的控制能夠有效地避免或控制高速運行下的空泡現象，有利于舒適度的提升和延長使用壽命。因此，新型定距推進系統在推進效率、空泡損傷、激振力控制等方面都已經有了大幅度的提升。

但是，新型定距推進系統能夠覆蓋的航速范圍主要集中在中速范圍，超過適配范圍后推進效率會大幅度的降低。因此，這種推進系統只適合中速船舶的配置和使用。

1.3 適配航速范圍

新型高速定距推進系統主要使用在航速范圍為20～35 kn的小型高速船舶，如：小型公務船、小型高速工作船、小型游艇等。

2 高速可調推進系統

2.1 高速調距推進系統簡介

高速調距推進系統是專門針對高速船舶獨特開發的推進型式。根據市場調研發現，在全球高速船舶推進系統的配套市場中高速調距推進系統屬于較為小眾產品，主要使用客戶集中在波羅的海的北歐各國。而隨著高速調距推進系統在高速船舶配套中的成功案例不斷累積和市場推廣力度逐步增加，歐洲以外的市場也開始關注這種新型的高速推進系統。同時，高速調距推進系統覆蓋的航速范圍能夠彌補定距推進系統和噴水推進系統之間的中高速的區間空白。

2.2 高速可調推進系統結構特點

高速可調推進系統由螺旋槳、槳轂機構、配油器、液壓系統及電子遙控系統、導流隧道等六大系統組成，其中，螺旋槳不固定在槳轂上，而是圍繞垂直于槳軸的軸線轉動。利用槳轂內的操縱機構轉動螺旋槳，改變螺距角，從而改變推力的大小和方向，以適應船舶的前進、后退、停止和變速等要求。高速調距槳的螺旋槳和槳轂必須特殊設計，還必須配合獨特設計的導流隧道才能夠滿足高速航行的需求。高速調距推進系統結構見圖2。

圖2 高速調距槳推進系統結構圖

2.3 高速調距推進系統的優缺點

高速調距推進系統相比于高速定距推進系統具有更加良好的加速度。高速調距推進系統的螺距可以隨著船舶速度和負載的一起增減。對于定距推進系統在加速時容易造成槳距過大，并且可造成引擎過載的現象，調距槳能夠通過螺距的變化避免這一現象發生。而且在多變和非預期的條件下操作高速船舶，調距槳遠遠高于固定槳的效率。另外，如果船舶在航行過程中的排量出現變化，調距槳相比于其他推進系統能夠提供更高的總效率。

但是，高速調距槳系統必須要配合船體進行聯合設計，結構特殊，致使高速調距槳的設計難度較大。同時調距槳本身的內部結構較為復雜，維護頻次和成本相對較高。

2.4 高速調距推進系統適配航速段

高速調距推進系統的航速范圍能在30～50 kn這一寬泛的區間，最佳的使用航速為40 kn左右。Servogear公司推出的高速調距推進系統包括：螺旋槳隧道、有效舵、高速調距槳葉、特殊的槳轂結構所組成的一種獨特的調距螺旋槳(CPP)系統，主要適用于高速工作船、快速渡船、近海船舶和游艇等中高速船舶。

3 噴水式推進系統

3.1 噴水推進系統原理和結構特點

噴水推進技術發展至今已經有340年的歷史，大致經歷了液泵式噴水推進、間歇式噴水推進、底板式噴水推進、艉板式噴水推進和舷外噴水推進階段[6]。雖然結構型式隨著時間的推移有所調整和改變，但是工作原理始終如一。以最典型的舷外噴水推進系統為代表，原動機的旋轉機械能量通過傳動軸系傳遞給葉輪，葉輪對從船底進水口吸入的水流作功，葉輪后方靜止不動的導葉對水流進行整流(將周向和徑向分量變成軸向分量)，高速、高壓水流通過噴口高速軸向噴射，水流反作用力即對應為克服船體阻力的推力。因此，可以說噴水推進器本質上是一個能量轉化器，將原動機的旋轉機械能變成船體平動機械能。另外，噴水推進系統還配備轉向輔助結構，并通過調向閥門的閥軸轉動改變出水方向，使艦船或前進，或轉向，或倒退，達到調向目的，從而使噴水推進系統具備提供動力和改變航向的雙重能力[7]。噴水推進系統結構見圖3。

圖3 噴水推進系統結構圖

3.2 噴水推進系的統優缺點

噴水推進系統具備的優點如下：

(1)推進效率高于螺旋槳。通過近年來噴水推進器的大力發展，先進的噴水推進系統在中低高速時噴水推進的效率高于螺旋槳。

(2)航速越高越不容易空化，故非常適合高速推進。水下輻射噪聲遠低于螺旋槳。

(3)集成化程度高，“舵-槳-車”三合一，便于船廠安裝和調試。

(4)噴水推進器具有優異的機動性和操縱性，其回轉半徑和緊急停車距離均遠小于同尺度的螺旋槳推進。

(5)艉板式噴水推進的主機負荷對航速不敏感，故其主機相對壽命高于螺旋槳船主機。

噴水推進系統的缺點如下：

相較于擁有眾多的優勢，噴水推進系統的缺點也相當明顯。由于本體涉及的水力部件多，包括流道的進水口及格柵、進水流道、葉輪、導葉和噴口，整體結構較為復雜，故水力設計難度大，制造成本高，價格昂貴。工作時進水流道和噴水推進器內的水流重量增大了船的排水量，對快速性有負面影響[8]。

3.3 噴水推進系統適配航速段和船型

運行航速超過40 kn的中高速船舶配置噴水推進系統，能夠獲得明顯高于高速定距槳和高速調距槳的推進效率，同時在高速航行狀態下噴水推進系統的機動性和操縱性、噪聲效果等能夠表現得非常出眾，噴水推進系統能夠適應多工況的作業要求，保護主機不易過載。同時，噴水推進系統集成化程度非常高，便于安裝和維護。噴水推進系統最佳的航速范圍為40～70 kn。噴水推進系統適用的船型包括：滑行艇、水翼船、雙體船、小水線面船、三體船等高速船舶。

4 半浸式推進系統

4.1 半浸式推進系統原理和結構特點

半浸式推進系統又稱表面螺旋槳推進系統，是20世紀80年代后出現的一種新型的螺旋槳推進方式，專門針對超高速船舶定制設計而成[9]。空泡是損壞螺旋槳、引起機械振動以及性能惡化的主要根源，而半浸槳是充氣槳，它以充氣現象來代替空泡現象，發生充氣現象的流體壓力要比發生空泡現象的流體壓力高很多，因此充氣總是優于空泡，從而表面槳可有效地避免產生空泡。隨著螺旋槳的每次入水，空氣泡會被帶進那個即將要發生空化的區域，這時所吸進的空氣泡能夠完全遏止將要發生的空泡潰滅的現象。與空泡現象不同，充氣泡不會發生潰滅，此時充氣槳葉是表面饒流狀態與超空泡槳葉的饒流狀態有相似之處，因此表面槳不會產生振動、表面剝蝕以及水下噪聲等現象，對螺旋槳及鄰近船體不會造成損壞。

半浸式推進系統主要有以下幾個部分組成：螺旋槳、驅動軸(艉軸)、舵葉、操舵油缸、液壓動力單元、齒輪減速箱、調節槳軸縱傾角度油缸及傳感器等[10]。半浸式推進系統結構見圖4。

圖4 半浸式推進系統結構圖

4.2 半浸式推進系統優勢

半浸式推進系統較常規推進系統有眾多優勢：

(1)半浸式推進系統的槳轂、軸、液壓支撐附件等露在水面之上，因此有效地減少了附加阻力。

(2)半浸式推進系統布置在船體尾封板的后方，就不必滿足與全浸槳相同的限制直徑，其直徑可以做到全浸槳直徑的2倍。理論上半槳浸的推力截面可以是全浸槳的2倍以上，則此時表面槳的推力負荷系數就會減少一半以上，使其效率提高1.2倍以上，半浸槳的工作點的選擇更加優化。

(3)高速航行時，與半浸槳相比，常規螺旋槳“全浸”在水中，其推進裝置將不得不面對“空泡”所引起的螺旋槳表面的“剝蝕”現象；而半浸槳在運轉時，一半槳葉浸沒在水中，一半槳葉露在外面，螺旋槳始終處于“通氣”的狀態，所以不會產生“空泡腐蝕”的現象。

(4)半浸式推進系統還具有推進效率高、安裝靈活、維護保養方便等特點。

4.3 半浸式推進系統適配航速段和船型

半浸式推進系統主要應用在需要超高速航速要求的公務快艇方面，如：海關的緝私艇，邊防和海警的巡邏艇，海事和漁政的執法艇等。此外，半浸式推進系統在軍用艦艇方面也有廣泛的應用價值。據了解，半浸槳推進系統目前已經成為航速50 kn以上船艇的主要推進方式之一。在60 kn以上的高速船艇上，半浸槳推進裝置更是占有絕對的優勢。因此，半浸式推進系統特別適合航速60～90 kn這一超高速范圍。

5 經驗選型方法

本文通過梳理和匯總市場上

多種高速推進系統的結構特點、優劣勢、適用航速范圍以及適配船型，將高速船舶的航速范圍(20～90 kn)劃分為4個航速段，并為每個航速段選擇了最適配該范圍的推進系統，并且將4種推進系統的推進效率和航速范圍進行關聯，最終總結出一套關于高速船舶通過航速范圍來進行高速推進系統快速選型的經驗方法。該方法能夠直觀和清晰地表述各類推進系統最佳的航速范圍，見圖5。

圖5 不同推進系統的航速與效率對應圖

6 結論

本文總結的關于高速推進系統快速選型的經驗方法如下：

(1)新型定距推進系統最佳適用范圍在20～35 kn這個區間。對于常規的游艇、高速渡船、快速工作船等航速不超過35 kn的船舶采用定距推進系統是最為經濟適用的主推系統。

(2)目標航速超過35 kn以后，定距推進系統的推進效率會大幅度的降低，采用調距推進系統是一種很好的補充。調距推進系統最佳適用范圍在30～50 kn之間。

(3)對于類似水翼船、多體船、軍用艦艇等航速在40～70 kn范圍內的船舶，首選的主推進方案為噴水推進系統。

(4)對超過70 kn以上的超高速船舶，一般建議采用半浸式推進系統作為主動力系統。