船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用

陶如豪

摘 要：船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)是用于推進(jìn)和操縱船舶的主要控制系統(tǒng)。隨著發(fā)展這項技術(shù)在船舶操縱控制領(lǐng)域運(yùn)用越來越廣泛。本文根據(jù)目前船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展情況，介紹了全回轉(zhuǎn)舵槳船舶推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理，主要特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：船舶;全回轉(zhuǎn)舵槳;工作原理;優(yōu)缺點(diǎn)

中圖分類號：U66? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0086-02

船舶傳統(tǒng)推進(jìn)方式主要是通過主機(jī)、齒輪箱、尾軸向螺旋槳輸出推進(jìn)動力，推動船舶航行;通過齒輪箱來實現(xiàn)換向功能;通過舵系來實現(xiàn)控制船舶的航向。在八十年代出現(xiàn)了一種全新船舶推進(jìn)系統(tǒng)，這就是船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)又稱為全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器或“Z形推進(jìn)器”它集推進(jìn)和轉(zhuǎn)舵功能于一體，完全可以替代由船舶主機(jī)、齒輪箱和尾軸、螺旋槳等組合的傳統(tǒng)船舶推進(jìn)方式。從而徹底改變了傳統(tǒng)船舶操縱方式。全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的出現(xiàn)是船舶推進(jìn)方式的一次革命。經(jīng)過二十多年的發(fā)展和應(yīng)用，船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，并且在各種類型的船舶上得了的廣泛應(yīng)用，引起世界各國船舶行業(yè)的極大關(guān)注。

1 全回轉(zhuǎn)舵槳船舶推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理

船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)又稱“Z形推進(jìn)器”。 因其吊艙內(nèi)的軸系布置方式呈Z字形而得名。全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器是固定在船體水下，船舶螺旋槳的相關(guān)傳動系統(tǒng)是布置在吊艙之內(nèi)，它由電力或機(jī)械動力驅(qū)動。該推進(jìn)器是集船舶推進(jìn)和船舶操控兩種功能于一體。可以通過吊艙內(nèi)傘形齒輪裝置、蝸輪蝸桿裝置傳動，使船舶螺旋槳圍繞吊艙內(nèi)豎軸作360°轉(zhuǎn)動，該種推進(jìn)器可以根據(jù)船舶位置變化隨意變換推力的方向，可實現(xiàn)向任意方向推進(jìn)。也可實現(xiàn)船舶原地掉頭，進(jìn)退靈活自如。船舶的機(jī)動性能和操縱性能都得到極大改善。可完全實現(xiàn)同時操縱推進(jìn)船舶的功能。

船舶全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)工作原理是船舶通過主機(jī)或電動機(jī)等輸出功率通過吊艙頂部橫向一級傘齒輪傳動至豎軸，豎軸將輸出功率傳輸至吊艙底部橫向二級傘齒輪通過齒輪上的橫軸傳遞給螺旋槳，最終形成一個Z字形傳動系統(tǒng)。推進(jìn)裝置實現(xiàn)360°水平回轉(zhuǎn)功能是通過油壓泵來驅(qū)動蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)的。推進(jìn)器Z形軸系與導(dǎo)流管螺旋槳是全部安裝在一個近似橢圓筒形吊艙上，整個裝置可由船體水下整體吊出至艙面便于維修和安裝。安裝在全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器上的螺旋槳比傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)單位馬力推力要大，對船舶的操縱性也比傳統(tǒng)船舶更為優(yōu)良。安裝了雙全向推進(jìn)系統(tǒng)的船舶還具有原地回轉(zhuǎn)、平移、倒退等功能。而且船舶后退推力與前進(jìn)推力大致相等，能夠?qū)崿F(xiàn)駕機(jī)合一遙控操作。一般情況此類推進(jìn)器的導(dǎo)管前均安裝有防護(hù)網(wǎng)可起到保護(hù)螺旋槳的作用。安裝此種推進(jìn)器的船舶常見于港口作業(yè)拖輪和小型船舶上。

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的螺旋槳工作狀態(tài)包括固定螺距和可變螺距兩種工作狀態(tài)。全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的固定螺距工作狀態(tài)，是指螺旋槳在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，螺旋槳葉片的螺距角不改變，此時螺旋槳只產(chǎn)生軸向推力。可變螺距工作狀態(tài)，指螺旋槳槳葉旋轉(zhuǎn)一周時，葉片的螺距角會發(fā)生周期性地變化，這樣葉片上的環(huán)量不僅隨徑向改變，而且也會隨葉片的轉(zhuǎn)動而發(fā)生橫向改變。因此，在船舶尾流中不但存在自由渦流，而且還會有徑向渦流。由于螺旋槳葉片螺距角在葉片旋轉(zhuǎn)的過程中會出現(xiàn)周期性變化。因此當(dāng)葉片處于不同位置角時，螺旋槳葉片的攻角也會隨位置角的變化而變化，從而使得螺旋槳各葉片對應(yīng)葉元體上的切向力也會隨位置角的變化而變化，這樣船舶就可以根據(jù)需要產(chǎn)生軸向力和橫向力，從而實現(xiàn)對船舶的推進(jìn)和操縱。

2 全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)在現(xiàn)實中應(yīng)用非常廣泛。廣泛應(yīng)用于客船、渡輪、集裝箱船、拖輪、海洋工程船、海事執(zhí)法船、客滾船、航標(biāo)船、游艇、科學(xué)考察船、電動船、打撈清漂船和LNG船上。全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器之所以應(yīng)用如此廣泛，主要是因為全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器和傳統(tǒng)推進(jìn)器相比有許多優(yōu)點(diǎn)：

2.1可以提高船舶的操縱性和靈活性

船舶傳統(tǒng)推進(jìn)器推進(jìn)力的方向是固定的，推進(jìn)力的大小取決于發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。船舶的航向，主要依靠舵來實現(xiàn)，當(dāng)船舶航速較低時，船的舵效會明顯降低，船舶操縱性能也會明顯降低。并且傳統(tǒng)推進(jìn)器還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不便維護(hù)維修等問題;全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器結(jié)構(gòu)簡單，不用舵，可以使螺旋槳的推力全部轉(zhuǎn)換成相當(dāng)于舵力的作用，操控性好，轉(zhuǎn)向靈活。全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器通過渦輪蝸桿，驅(qū)動吊艙繞縱軸回轉(zhuǎn)，可以使螺旋槳做360度運(yùn)動，任意改變推進(jìn)力的方向，可使船舶做橫向平移、原地掉頭、倒退等常規(guī)推進(jìn)器難以做到的動作。且不受船速高低的影響。

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的變頻電機(jī)或變量液壓馬達(dá)，具備無級變速的功能，具備優(yōu)良操控性能，該推進(jìn)系統(tǒng)單位功率推力要明顯大于傳統(tǒng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)，而且全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的后退推力和前進(jìn)推力基本相同，可精準(zhǔn)完成控制船舶航行速度、倒車、掉頭等動作。使船舶的操控性和靈活性得到了極大提升。

2.2全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)在減震降噪方面性能更優(yōu)越

傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)是由船舶主機(jī)、齒輪箱、中間軸、尾軸、多個支撐軸承、推力軸承、穿過水密封系統(tǒng)再將力傳遞到螺旋槳上，帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。由于該傳動系統(tǒng)距離長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造和安裝精度要求高，在施工過程中制造和安裝精度誤差很難避免，因此產(chǎn)生的震動和噪音在所難免。

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)是由變頻電機(jī)或液壓馬達(dá)直接驅(qū)動螺旋槳，結(jié)構(gòu)緊湊，制造安裝精度高、而且推進(jìn)系統(tǒng)安裝位置在船體的艙外，明顯減低了船舶的振動和噪聲。與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)相比，全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的槳盤面處可得到更均勻的來流，也明顯減少船舶振動、降低噪聲。

2.3全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠

船舶傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)大部分是由機(jī)械傳動的，主要由船舶主機(jī)、齒輪箱、軸系等復(fù)雜機(jī)構(gòu)組成，這些機(jī)構(gòu)還只能實現(xiàn)船舶推進(jìn)功能，要實現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向功能，還需另外設(shè)置舵和推舵機(jī)構(gòu)。 而全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)是集船舶推進(jìn)功能與轉(zhuǎn)向功能于一體結(jié)構(gòu)更為緊湊、簡單。無需另外設(shè)置舵及相應(yīng)的推舵機(jī)構(gòu)，即可實現(xiàn)船舶推進(jìn)和轉(zhuǎn)向功能。極大地簡化了傳統(tǒng)船舶復(fù)雜的機(jī)械傳動裝置取消了舵和推舵裝置，使船舶可靠性得到極大提高。

2.4市場應(yīng)用前景廣闊

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)適用性強(qiáng)，市場應(yīng)用前景廣闊、在軍事領(lǐng)域也有積極意義。適合于各種工程船舶，拖輪、公務(wù)船、航標(biāo)艇、浮動起重船、挖泥船、輪渡、作業(yè)用平底船、純電動船、氫燃料動力船、傳統(tǒng)柴油機(jī)動力等多種動力推進(jìn)船舶。

2.5維修方便、維護(hù)成本低

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)可在車間中進(jìn)行整體組裝，無需水下作業(yè)，安裝及維修十分方便。在推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生故障時可以將整機(jī)從船體吊出至艙面進(jìn)行維修施工，船舶不需要上塢，使維修工作極為便利，維修成本顯著降低。

2.6有利于節(jié)能減排，減少碳排放

隨著環(huán)保意識越來越深入人心，節(jié)能減排已成為一項基本國策，國家減少碳排放與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾越來越突出，壓力也越來越大。各行各業(yè)開展的節(jié)能減排工作都在持續(xù)推進(jìn)，船舶在節(jié)能減排方面比其他行業(yè)起步較晚，全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)在船舶節(jié)能減排方面也具有積極作用。特別是我國內(nèi)河航道，由于其航道曲折，彎多流急，航道狀況復(fù)雜，運(yùn)行模式多變、船舶螺旋槳負(fù)荷變換頻繁，容易導(dǎo)致大量能源損耗。如何在保證推進(jìn)需求的前提下有效降低船舶能耗是目前船舶行業(yè)迫切需要面對的問題。

傳統(tǒng)大型船舶推進(jìn)系統(tǒng)通常需要多個橫向和縱向推進(jìn)器產(chǎn)生橫向和縱向推力，實現(xiàn)船舶操縱，多個推進(jìn)系統(tǒng)的安裝會使得船舶船體結(jié)構(gòu)連續(xù)性受到破壞，船體的強(qiáng)度也會被削弱，多個推進(jìn)系統(tǒng)的安裝也增加了船體的重量，會消耗更多能量，不利于節(jié)能減排。其次是傳統(tǒng)船舶在航行中，推進(jìn)負(fù)載受風(fēng)浪和水流的影響非常大，傳統(tǒng)船舶主要靠調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)，經(jīng)常會造成發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，能耗高;而全回轉(zhuǎn)舵槳式推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)外部推進(jìn)負(fù)荷變化是靠調(diào)節(jié)電機(jī)（或液壓馬達(dá)）的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。船舶發(fā)動機(jī)始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，工況平穩(wěn)，排放均衡，可有效減少排放。