半潛船舵槳推進器內部密封設計要點

杜鵬 柳德君

摘 要：6000T半潛船是中交三航局開發的新一代半潛船，該船配套的舵槳推進器由本公司設計提供。文章對半潛船特殊作業工況和項目實際情況進行了綜合分析，在此基礎上對舵槳推進器內部的密封組件進行了特殊設計，并總結了該船型配套舵槳推進器內部密封設計要點，實際證明該設計方案是安全可行的。

關鍵詞：半潛船；舵槳推進器；空氣密封裝置；內部密封設計要點

1 概述

半潛船[1]是指在裝卸作業時船體絕大部分可以潛入水下，而航行時處于正常吃水狀態的一種特殊船型。與常規貨船相比，半潛船有其獨特的貨物裝載方式，裝卸作業時的下潛和上浮均靠打入壓載水和排出壓載水來完成。舵槳推進器可通過操縱轉舵機構使螺旋槳圍繞垂直的中間立柱做360°任意方向旋轉，是集推進和操舵功能于一體的特種推進器。由于舵槳下部組件及槳葉全部在海水中工作，因此其內部密封組件性能至關重要。6000T半潛船項目配置的舵槳推進器由本公司設計并提供，由于該船作業模式復雜，作業工況與常規船型有所區別，常規密封方案無法滿足設計要求，舵槳內部密封方案需特殊優化設計。

2 設計概況

2.1 船體基本參數（如圖1）

船長： 65M

型寬： 36.8M

型深： 5.4M

設計吃水： 4.2M

最大沉深： 22M

推進器布置： 雙機雙槳

原動機類型： 變頻電機

功率/轉速： 750KW/1000rpm

舵槳型號： NRP100

船級社： CCS

2.2 舵槳內部密封設計工況分析

舵槳內部密封主要包括兩種結構形式：O型圈密封和唇口密封，其中O型圈密封形式為壓縮靜態密封，唇口密封形式則為旋轉動態密封。密封件主要作用是在舵槳正常運行過程中防止外部海水進入舵槳推進器內部和防止內部潤滑油泄露至外部海水中，起到隔絕海水和潤滑油的目的。

半潛船通常配置DP系統（Dynamic Positioning System），用于船舶下潛或上升運行模式下驅動舵槳保證船體定位精度。半潛船在半潛作業時吃水較深，同時由于船舶作業時吃水深度和位置調整頻繁，導致舵槳內部動密封裝置內的唇口和襯套之間的間隙會頻繁發生變化，在此過程中密封由于舵槳槳葉高速推進和頻繁轉舵的使用工況致使密封唇口變形發熱和過度磨損，使得密封使用壽命減少和發生泄漏。該項目在設計時應充分考慮該舵槳推進器兩種吃水模式情況：一種在巡航模式，吃水深度為4.2米；另一種為半潛模式，吃水深度為22米。

2.3 舵槳內部密封設計方案

2.3.1 動密封方案

根據項目船舶設計要求及實際舵槳運行工況綜合分析，舵槳推進器NRP100最終選用了荷蘭IHC公司的Supreme空氣密封組件，通過圖2、圖3可看出常規密封系統和配置空氣單元Supreme密封系統中動密封承受壓力之間的區別，常規密封系統中動密封兩側壓力差在船舶作業中無法有效調節，隨船舶吃水深度變化密封兩側壓力變化明顯，無法長時間保證有效工作狀態，而空氣單元密封系統中動密封內側的壓力隨著吃水的變化時刻進行動態調節，保證密封兩側壓力平衡，密封狀態安全有效。

圖2常規密封系統

圖3空氣單元密封系統

Supreme密封系統主要包括空氣控制單元1、轉舵密封組件和艉密封組件2和回收裝置3，具體參見圖4。

高壓空氣通過空氣控制單元調節減壓后進入轉舵密封和艉密封組件，然后回至外部放置的回收裝置中，系統內部多余空氣可通過底部艉密封裝置上的單向閥排出至海水中，從而達到整個系統壓力平衡，相關工作原理可參見圖5。

密封系統中各組件功能介紹如下：空氣控制單元1主要功能是將船上的密封裝置的進氣壓力減至與海水壓力相同的水平，減壓過程是通過控制箱內的元件進行自動控制完成的，原理是將船舶吃水壓力變化轉化成空氣流量信號，根據流量變化來調節單元內部空氣控制閥的閥芯位置，從而達到控制密封組件內部壓力的目的。空氣控制單元通常要求進氣壓力在7-10bar，根據該項目最大半潛吃水22米設計要求，將控制單元內控制閥組空氣出口壓力最高設定為2.2bar。

轉舵密封和艉密封裝置2主要作用是保證舵槳在轉舵過程和螺旋槳推進過程起密封作用，隔絕外部海水與舵槳內部潤滑油。其中艉密封裝置單獨配置了Supreme ventus閥組，該閥組為單向閥組，安裝在艉密封密封殼體外部，直接接觸海水，其主要作用是將部分多余空氣排放至海水中，時刻保證密封兩端的壓力均衡。根據項目要求選用轉舵密封裝置SE-400，內孔直徑370mm；艉密封裝置SVA-190，內孔直徑170mm。

回收裝置3作用是將少量空氣從空氣密封艙排出，形成一個有效的排水系統，任何進入密封內的海水或油都會被內部空氣排入回收裝置內，其密封系統工作狀態可以通過定期采樣進行監測。根據項目要求選用回收裝置容積為10L。

2.3.2 靜密封方案

常規船型配置的舵槳中上齒輪箱和頂部油箱與機艙大氣相通，內部無滑油，因此O型圈承受壓力可忽略不計，而舵槳井箱及下部齒輪箱內部充滿潤滑油，O型圈承受一定的滑油壓力和海水壓力。因此常規船型配置的舵槳靜密封O型圈受壓特點是從上至下壓力逐漸變大。

半潛船配置的舵槳配置Supreme空氣密封組件，該裝置要求舵槳上齒輪箱和頂部油箱與機艙大氣隔絕密封，并需將控制單元閥組出口處的空氣與舵槳頂部油箱聯通，因此該項目中舵槳上齒輪箱及頂部油箱內O型圈最高承受壓力為2.2bar，與空氣控制單元出口處的空氣壓力相同，而舵槳井箱及下部齒輪箱內部O型圈至承受內部潤滑油壓力，半潛船型配置的舵槳靜密封O型圈受壓特點是從上至下壓力逐漸減小，因此舵槳上部O型圈在設計時一定要求注意壓力分布特點和最高承受壓力。

3總結

根據半潛船作業工況的特殊性，配套舵槳推進器內部可采用空氣密封組件裝置來保證密封的安全與可靠性，設計時應注意空氣控制閥調節后的空氣壓力應與吃水深度產生壓力相等。

常規舵槳推進器內部靜密封件受壓特點是從上至下壓力逐漸增大，而半潛船推進器配置空氣密封單元后，內部靜密封件受壓特點變為從上至下壓力逐漸減小，在密封設計過程中需充分考慮兩者區別。

4 結束語

目前該項目舵槳前期已順利通過船級社船檢和船東驗收，在后續試航和實船應用中該舵槳密封系統顯示出高效、安全和穩定的良好工作狀態，充分證明該舵槳推進器內部密封方案設計是成功的（如圖6所示）。文章通過對半潛船舵槳推進器內部密封設計要求分析，結合與常規舵槳密封設計要求對比，總結出相關舵槳推進器內部密封系統設計經驗。目前國內相關類似案例較少，有很大的參考意義。

參考文獻

[1]黃蓓蓓，于洋.半潛船發展歷史與展望[J].中國水運，2010（1）：4-6.

[2]孫化棟.淺析空氣式尾軸密封[J].天津航海，2006（4）：16-18.

作者簡介：杜鵬（1981，8-），男，南京人，2006年畢業于山西太原科技大學機械設計及自動化專業，研究生。現南京高精船用設備有限公司工作，工程師。

柳德君（1987，9-），男，南京人，2010年畢業于華中科技大學機械設計及自動化專業，本科，現南京高精船用設備有限公司工作，工程師。