半浸槳推進(jìn)裝置的產(chǎn)品特點(diǎn)與應(yīng)用情況

史宗鷹，張金濤，姚明珠

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082；2.武警部隊(duì)裝備部軍事代表局五室，北京 100161）

半浸式螺旋槳（Surface Piercing Propeller，SPP，簡稱半浸槳，又稱表面槳），是一種在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只有一半槳葉浸入水中而能正常工作的螺旋槳。半浸槳推進(jìn)裝置是一種集半浸式螺旋槳、驅(qū)動(dòng)裝置本體、操縱油缸及液控系統(tǒng)為一體的高速船用推進(jìn)裝置，該裝置在高速航行時(shí)具有無空泡剝蝕、低阻力、高效率和操控靈活等顯著優(yōu)點(diǎn)[2,3]，在當(dāng)今世界的超高速船艇上得到了廣泛的應(yīng)用。半浸槳推進(jìn)與常規(guī)螺旋槳推進(jìn)具有顯著的不同，主要表現(xiàn)在半浸槳葉和裝置的結(jié)構(gòu)特征兩方面，這也造成了半浸槳產(chǎn)品在適配船艇上具有典型的應(yīng)用特點(diǎn)。

1 半浸槳推進(jìn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)相比，半浸槳推進(jìn)裝置的顯著優(yōu)點(diǎn)具體特征如下：

1.1 推進(jìn)效率高

螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)，螺旋槳的直徑往往和其他影響螺旋槳水動(dòng)力性能的參數(shù)相互制約，動(dòng)量理論表明相同的螺旋槳推力，槳葉直徑越大，效率越高；但實(shí)際槳葉設(shè)計(jì)時(shí)，其直徑往往受船艇吃水、槳軸位置和動(dòng)力設(shè)備條件等諸多因素限制。半浸槳工作于船艇尾部水面附近，可自由選擇較大速比降低槳葉轉(zhuǎn)速，增大直徑，提高半浸槳推進(jìn)效率。與此同時(shí)，半浸槳工作時(shí)只有部分槳葉露出水面，槳葉水下附體尺寸較小，阻力降低，流經(jīng)半浸槳水流狀態(tài)比全浸槳好，半浸槳的推進(jìn)效率也得以提高。不同類型螺旋槳的推進(jìn)效率對(duì)比圖1如下：

圖1 不同類型螺旋槳的推進(jìn)效率對(duì)比圖

1.2 無空泡剝蝕

半浸槳槳葉的剖面常采用超空泡型剖面，槳葉運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)交替入水，所產(chǎn)生的空泡會(huì)被槳葉出入水時(shí)吸入槳葉附近的空氣腔所代替，形成“通氣”狀態(tài)，空泡無法順利形成，避免了槳葉表面被空泡剝蝕的現(xiàn)象，減少了槳葉水下振動(dòng)和噪音，提高了槳葉的使用壽命。半浸槳出入水及通氣狀態(tài)示意圖2如下：

圖2 半浸槳出入水及通氣狀態(tài)圖

1.3 附體阻力小

半浸槳推進(jìn)的船舶在高速航行時(shí)，水線只穿過其槳葉的槳轂處，僅部分槳葉、舵板和少許本體接觸到水，其本體大部分及其油缸支架等都在水面以上，航行時(shí)裝置的附體阻力大大減小。與傳統(tǒng)的全浸沒螺旋槳推進(jìn)相比，半浸槳推進(jìn)可以削減約50%的水下附體阻力。

1.4 船機(jī)槳特性好

半浸槳推進(jìn)裝置的船艇在航行時(shí)，可以通過縱傾油缸調(diào)節(jié)槳葉的浸深使其在水面附近運(yùn)轉(zhuǎn)半浸槳推進(jìn)的船艇允許在選擇槳葉時(shí)存在一定的范圍，相同型號(hào)的半浸槳葉也可適應(yīng)于多種船艇的不同航行工況。半浸槳推進(jìn)裝置使用轉(zhuǎn)舵油缸可直接操作驅(qū)動(dòng)裝置本體，通過改變槳葉的推力與船體運(yùn)動(dòng)方向間的夾角，產(chǎn)生矢量推力，替代普通船艇的舵的功能，大大提高了船艇航行的機(jī)動(dòng)性和靈活性。

1.5 淺水適應(yīng)性強(qiáng)

半浸槳推進(jìn)裝置的特殊工作形式，使其在航行時(shí)槳葉的吃水只到直徑的一半，在淺水域通過調(diào)節(jié)裝置縱傾油缸，甚至可使裝置本體及槳葉完全脫離水面，這大大提高了半浸槳推進(jìn)船艇的淺水適應(yīng)性，使其在較淺吃水的水域可正常航行。

2 半浸槳推進(jìn)裝置的槳葉特征

半浸槳是一種特殊的螺旋槳，槳葉在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是交替出入水的，槳葉大多采用四到六葉槳設(shè)計(jì)。如前所述，半浸槳工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生“通氣”現(xiàn)象[4]，可大大減少半浸槳表面的空泡剝蝕現(xiàn)象，其結(jié)構(gòu)與常規(guī)的螺旋槳相比主要有以下四點(diǎn)顯著不同：

（1）槳葉形狀不同，半浸槳槳葉形狀為凹型楔狀，半浸槳導(dǎo)邊尖銳，隨邊形狀為一條直線，常規(guī)螺旋槳的槳葉末端連線通常圓形過渡，導(dǎo)邊隨邊皆為圓弧形。

（2）最大厚度位置不同，半浸槳的剖面通常采用超空泡型剖面（或在此基礎(chǔ)上改進(jìn)），槳葉剖面的最大厚度靠近隨邊，常規(guī)螺旋槳的最大厚度則一般靠近導(dǎo)邊。

（3）存在“杯形”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通常位于半浸槳的隨邊，朝向葉面，該結(jié)構(gòu)除可以增加槳葉的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之外，還可以在半浸槳隨邊附近產(chǎn)生額外的升力。

（4）螺距比不同，半浸槳在設(shè)計(jì)時(shí)一般采用較大的螺距比，通常都大于1，而常規(guī)螺旋槳的螺距比一般都小于1，而這一點(diǎn)也與槳葉的直徑設(shè)計(jì)相對(duì)自由有較大關(guān)系。

圖3 典型的半浸槳設(shè)計(jì)

此外，半浸槳高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的反復(fù)出入水，屬于典型的槳葉疲勞工作狀態(tài)[5]，其槳葉的槳轂和葉根部需能承受較大的偏心和交變載荷，這里對(duì)槳葉的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和材料性能提出了新的要求[6]。半浸槳運(yùn)轉(zhuǎn)中，槳葉依次與水面成一定角度的楔形狀入水，槳葉與水面形成沖擊，而出水時(shí)卻無此沖擊產(chǎn)生[7]；此外，槳葉出入水時(shí)的通氣程度不同，槳葉入水時(shí)逐漸通氣，而出水時(shí)則瞬間通氣，通氣時(shí)間不一致[8]；以上兩點(diǎn)造成了半浸槳在運(yùn)轉(zhuǎn)中的垂向力的顯著存在，且隨著船艇航速和半浸槳轉(zhuǎn)速的升高而加大。半浸槳垂向力的存在[9]給推進(jìn)裝置的縱傾油缸設(shè)計(jì)帶來了技術(shù)難度，同時(shí)對(duì)船艇的縱向穩(wěn)定性和快速性產(chǎn)生影響。

3 半浸槳推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)特征

半浸槳推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)緊湊，主要由驅(qū)動(dòng)裝置本體、半浸槳葉、操縱油缸和液控系統(tǒng)組成。半浸槳推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示：

圖4 半浸槳推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

半浸槳推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)舵油缸、縱傾油缸油路分別與液壓單元相連，油缸本體與驅(qū)動(dòng)裝置本體及船艇尾板相連，軸系安裝在本體支架內(nèi)，軸系的一端與半浸槳葉固定連接，一端與球座內(nèi)十字萬向節(jié)連接；艙內(nèi)齒輪箱通過萬向傳動(dòng)軸與輸入軸連接法蘭相連，連接法蘭與輸入軸相連，輸入軸與球座內(nèi)十字萬向節(jié)的另一端相連，舵板安裝在于本體支架的底部，軸系兩端設(shè)有推力軸承及密封裝置，液控系統(tǒng)各零部件根據(jù)船艇布置安裝。

4 半浸槳推進(jìn)裝置的產(chǎn)品應(yīng)用情況

4.1 半浸槳推進(jìn)裝置產(chǎn)品國外應(yīng)用情況

半浸槳推進(jìn)裝置在近三十年間才得以廣泛應(yīng)用，目前世界上具有成熟半浸槳產(chǎn)品的公司并不多，比較著名的有：美國Twin Disc 公司生產(chǎn)的ASD 系列、法國France Helices 公司生產(chǎn)的SDS 系列、德國ZF 海事集團(tuán)生產(chǎn)的SeaRex 系列和新西蘭Seafury International公司生產(chǎn)的Seafury 系列產(chǎn)品。其他如德國的Levi Drive 和Trimax Drive 公司、意大利Flexi Drive 和SPEED MARINE 公司、新西蘭Q-SPD 公司、英國Kort Propulsion 公司也推出了相關(guān)半浸槳推進(jìn)裝置產(chǎn)品，但規(guī)模較小，產(chǎn)品系列相對(duì)不全。

圖5 國外半浸槳推進(jìn)裝置典型品牌外形圖

4.2 半浸槳推進(jìn)裝置產(chǎn)品國內(nèi)應(yīng)用情況

國內(nèi)半浸槳推進(jìn)裝置的研究和應(yīng)用以中國船舶科學(xué)研究中心的BTZ系列產(chǎn)品取得較大進(jìn)展，形成了比較完整的從BTZ-600 到BTZ-18600 共10 個(gè)型號(hào)、主機(jī)功率覆蓋100kW 到2000kW 范圍的全系列產(chǎn)品。另外，武漢勞雷綠灣公司推出的MSD 系列、珠海和裕豐公司推出的HSD 系列和深圳海斯比公司推出的CSD 系列半浸槳推進(jìn)裝置也代表了國內(nèi)半浸槳產(chǎn)品的持續(xù)發(fā)展力量。

圖6 國產(chǎn)半浸槳推進(jìn)裝置產(chǎn)品外形圖

5 結(jié)語

近年來，伴隨著我國海洋維權(quán)意識(shí)的不斷深化，特別是新一輪軍改的推進(jìn)，在面對(duì)與周邊鄰國領(lǐng)海與海洋權(quán)益爭端愈演愈烈的態(tài)勢(shì)下，海上護(hù)漁、執(zhí)法、緝私、維權(quán)以及發(fā)展島際間交通運(yùn)輸越來越受重視，我國對(duì)更加先進(jìn)、高速和快捷的高速船艇需求也越來越迫切。國內(nèi)半浸槳產(chǎn)品已在可靠性和耐久性方面進(jìn)行了工程技術(shù)突破，且取得了市場應(yīng)用，對(duì)打破國內(nèi)半浸槳配套國外產(chǎn)品壟斷具有重要意義。