船舶螺旋槳推進形式研究

李 闖，李 志

（1. 海軍駐武漢712所軍事代表室，武漢 430064；2. 海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣州510715）

船舶螺旋槳推進形式研究

李 闖1，李 志2

（1. 海軍駐武漢712所軍事代表室，武漢 430064；2. 海軍駐廣州427廠軍事代表室，廣州510715）

針對采用螺旋槳推進的船舶，對船舶各種典型的螺旋槳推進系統的工作原理、機槳特性和適應范圍，以及操控系統的特點進行了分析比較。

電力推進 螺旋槳 特征分析 控制模式

0 引言

螺旋槳推進目前是船舶推進的主要形式。隨著船舶動力裝置的大型化、自動化、復雜化程度的提高，對船舶推進裝置的性能提出了更高的要求[1]。首先，基于節能和減排的考慮，船舶營運者要求提高推進性能，進而提高船舶的經濟性能；其次，一些工程船舶、科考船、軍艦等特種船舶，為能適應復雜環境下的工況變化和高機動性能、良好操縱性能的要求，也對船舶推進形式提出了更高的要求。

本文對目前船舶各種典型的螺旋槳推進形式的工作原理、機槳特性和適應范圍，以及操控系統的特點進行了分析比較。針對調速電機和可調距螺旋槳的推進形式的機槳特性進行了重點分析，總結其具備經濟性好、工況適應性好等優點，在拖網漁船、物探科考船、挖泥船等工程船舶上具有良好的應用前景。

1 船舶螺旋槳推進形式

對于采用螺旋槳推進方式的船舶，根據調速方法的不同，主要分為：

1）柴油機-定距螺旋槳推進；

2）柴油機-可調距螺旋槳推進；

3）電動機-定距螺旋槳推進；

4）電動機-可調距螺旋槳推進。

柴油機-定距螺旋槳推進應用廣泛，但其調速性能較差，在柴油機直接推進系統中，為了改善調速性能常采用可調距螺旋槳，它將定螺距調速變推力改成定速螺旋槳調螺距變推力，可彌補柴油機調速范圍有限的缺點；電力推進系統中，由于電動機可無級調速且在低速時可產生較大轉矩，即小功率大轉矩性能，更優于可調距螺旋槳的性能，因此現代船舶電力推進一般都采用調速電動機驅動定距螺旋槳的調速方式；在一些特殊應用的工程船舶中，亦有采用調速電動機驅動可調距螺旋槳的推進型式。

1.1 柴油機-定距螺旋槳推進

柴油機-定距螺旋槳推進的結構圖如圖1所示，主機為中高速柴油機或者低速柴油機，其中中高速柴油機需要經過齒輪箱減速，主機帶動軸系驅動定距螺旋槳轉動，從而產生推力使船體克服水阻力前進。該推進形式是當今民船上最通用的推進裝置形式。

圖1 柴油機-定距螺旋槳推進結構

柴油機-定距螺旋槳推進機槳特性曲線如圖2所示，圖中，曲線1是按照柴油主機額定功率和額定轉速設計的螺旋槳轉矩特性和功率特性。曲線2是超載工況下的螺旋槳特性，曲線3是輕載工況下的螺旋槳特性，曲線4是柴油主機的特征曲線。

圖2 柴油機-定距螺旋槳推進機槳特性曲線

由圖2可知：當船舶在設計的滿載工況下航行時，柴油主機運行在額定轉速和額定轉矩狀態下，能夠發出額定功率，船舶到達額定航速，如圖中的工作點A；當船舶在超載工況下航行時，柴油主機達不到額定轉速和額定轉矩，因此無法輸出額定功率，如圖中的工作點B；當船舶在輕載工況下航行時，由于受到柴油主機額定轉速的限制，達不到額定轉矩，因此也無法輸出額定功率，如圖中的工作點C。綜上所述，采用柴油機-定距螺旋槳的推進形式，在偏離設計工況時，都不能發出柴油主機的全部額定功率。

柴油機-定距螺旋槳推進的優點是結構簡單、成本低，管理、維護方便，在設計工況下效率高。其缺點是當處于非設計工況時，系統效率低，油耗高。

1.2 柴油機-可調距螺旋槳推進

柴油機-可調距螺旋槳推進的結構圖如圖3所示，可調距螺旋槳即是槳葉螺旋面與槳轂可作相對轉動的一種螺旋槳。它借助一套轉葉機轉動槳葉以達到改變螺旋槳螺距的目的。槳葉每轉動到一個位置，都有一個對應的螺距。在螺距調節過程中，每一個螺距變換相當于更換了一只螺旋槳，不同的螺旋槳有著各自不同的特征曲線。船舶推進系統可通過對螺旋的變化，以適應各種航行狀態對螺旋槳工況的不同要求，從而使各種航行工況都趨于最佳的運行狀態，獲得更好的經濟性。

圖3 柴油機-可調距螺旋槳推進結構

柴油機-可調距螺旋槳推進螺旋槳特性曲線如圖4所示，表示在相同的航行條件情況下轉矩、螺距、功率以及航速之間的關系。曲線1～8是一組不同螺距情況下（從大到小）的螺旋槳特征曲線，A～E是一組不同航速情況下螺旋槳速度特征曲線。

由圖4可知：在螺距不變的情況下，增加轉速會使柴油主機功率增加，同時提高了航速；在柴油主機轉速不變的情況下，增加螺距會使柴油主機功率增加，同時提高了航速；若要求航速保持不變，加大螺距會要求轉速降低，減小螺距會要求轉速增加，柴油主機功率根據螺旋槳螺距和轉速而定，存在最小功率的情況，此時柴油機輸出功率最小，同時也存在最佳燃油消耗率的情況，此時柴油機的燃油消耗率最低。

根據可調距螺旋槳的特征曲線可知，可調距螺旋槳的有如下特征：

1）船舶在任何工況下均能吸收主機的全功率，只要外界條件不變，配合一定的螺距比，即能使主機始終運轉在額定功率下，最大限度利用柴油主機的輸出功率，從而具備節能效果。

2）用不同的轉速和螺距比相配合，可得到所需的推力，進而可得到所需的船舶航速。可調距螺旋槳能在柴油主機上限曲線、最大轉速線和最低穩定轉速范圍的區域內任何一點上工作[2]。可見，其工作范圍很大，在該區域內任意搭配轉速和螺距比都能得到給定的航速。而且在低航速情況下，存在最小輸出功率點和最佳燃油消耗率點，可進行船舶推進系統節能優化。

3）當槳葉放在零螺距位置時，可調距螺旋槳推力為零，主機仍以一定的轉速運轉，而船舶在原地不動；槳葉轉到負螺距位置時，可使主機轉向不變而實現倒車。

圖4 可調距螺旋槳特性曲線

可調距螺旋槳的優點如下：

1）船舶航速能適應船舶阻力的變化，充分利用主機功率，部分負荷下的經濟性好。在非設計工況下，可調距螺旋槳效率要比定距螺旋槳的高。對于不能總是運行在設計工況下的船舶而言，采用可調距螺旋槳作為推進器是一種較為經濟的方案。

2）提高了船舶的機動性和操縱性。船舶航速可通過主機轉速和螺距兩個參數的調節來完成船舶的前進、后退。

3）延長了主機壽命。安裝可調距螺旋槳的船舶，主機轉速可以固定在最適當的位置而不改變，減少了主機起、停次數，減少了運動部件的磨損及受熱部件的熱疲勞損壞。全機無需設換向裝置，機構簡化。使發動機的壽命得到延長。

4）有利于推進裝置驅動輔助負載。采用可調距螺旋槳的船舶可以通過調節螺距進行無級調速，船舶航行時主機可以恒速運轉，這樣有利于主機驅動軸帶負荷如軸帶發電機等。

5）便于實現遙控。柴油機的起動遙控機構比可調距螺旋槳機構的轉速遙控和螺距遙控部分要復雜得多，而可調距螺旋槳可在柴油機不停機的情況下進行各種調整，因此船舶操縱系統在采用可調距螺旋槳時更容易實現集控和遙控。對于多槳船舶，由駕駛臺直接操縱螺距，不僅可以達到各槳動作的同步，更提高了機動性能。

可調距螺旋槳的缺點如下：

1）采用可調距螺旋槳的船舶軸系較為復雜，且螺旋槳本體所用材料較好，制造工藝要求高，因此造價和初裝費用較高。而且由于槳縠中轉葉機構的零件較多且精密，因此可靠性不如定距螺旋槳，維修保養成本較高[3]。

2）轂徑比較大，且因配合葉片轉動需要，槳轂不易制成光順的流線型，故在設計情況下，其效率較定距螺旋槳約低3%～4%。

3）因葉片轉動及保證強度的需要，葉根部分切面的厚度比較大，槳葉根部易發生空泡。

1.3 電動機-定距螺旋槳推進

電動機-定距螺旋槳推進的結構圖如圖5所示，主機為中高速推進電動機或者低速推進電動機，其中中高速推進電動機需要經過齒輪箱減速。推進電動機由變頻調速裝置驅動，可實現無極調速。該推進形式為電力推進，由于電動機在低速時可產生較大轉矩等突出的優點在現代船舶中運用越來越廣泛。

圖5 電動機-定距螺旋槳推進結構

電動機-定距螺旋槳推進機槳特性曲線如圖6所示，圖中，曲線1是按照推進電動機額定功率和額定轉速設計的螺旋槳轉矩特性和功率特性。曲線2是超載工況下的螺旋槳特性，曲線3是輕載工況下的螺旋槳特性，曲線4是推進電動機的特征曲線。

由圖6可知：推進電動機在額定轉速以內具備恒轉矩特性，與圖2相比，在超載工況下，可輸出更大的功率。另外，推進電動機在額定轉速以上存在一定的超速區域，超速區內輸出功率恒定，保證推進電動機的全功率輸出，可提高船舶的最大航速。

圖6 電動機-定距螺旋槳推進機槳特性曲線

電動機-定距螺旋槳推進的優點如下：

1）舒適、安靜。采用電力推進形式后，推進電機安裝在船體底部，由于推進電機轉矩平穩，振動噪聲遠小于推進柴油機，可大大降低船舶動力裝置及螺旋槳的噪聲，進而提高船舶的舒適性。

2）經濟性好。電力推進配置有多臺柴油發電機組用于發電，可根據用電負荷選擇投入運行的發電機組臺數，使運行機組始終運行于高效工作區，保持燃油消耗率最低，實現最大的經濟性，提高續航力，降低運行成本。

3）操縱性好。推進電機的轉速易于調節，在正反轉各種轉速下都能提供恒定的轉矩，因此能得到最佳的工作特性。電力推進的調速和倒車等主要由電氣控制實現，因而具有良好的機動性和優良的操作性。

4）安全性高、可靠性高、維修性好。電力推進使用多臺柴油發電機組，個別機組的故障只對船速有一定的影響，不會導致喪失動力。在有更高要求的情況下，可通過變頻器的模塊化和推進電動機的多繞組形式，達到更高的可靠性。傳統的直接推進裝置的原動機經常處于變速工況運行，磨損大、需要定期的進行保養和維護。電力推進裝置的原動機長期定速運行，磨損小；同時電動機、變頻器、動力電池不需要日常的維護，因此采用電力推進裝置的后期維護工作量以及成本也將大大改善。

5）節能環保。當柴油機推進在低速低負荷工作時，滯燃期變長，NOx排放量會急劇增加，難以滿足規定的要求。而采用電力推進更有利于船舶控制環境污染。對同一功率船舶而言，采用電力推進，由于原動機可以采用多臺柴油發電機組的配置，電力推進中的中速柴油機可以始終在最佳工作區工作，燃油的噴射及燃燒質量好，燃燒產物中NOx的含量少，有利于實現節能減排。

6）節省空間。柴油機直接推進船舶的軸系長度往往占到船長的40%左右，采用電力推進的船舶省卻了傳動軸系、代之以電纜。電力推進布置靈活，改善了機艙布置，使動力裝置各種設備的安排更加合理，節省了大量空間。

7）適應船舶自動化的發展趨勢。電力推進的集中操縱方便地實現了遠距離電控，同時還能方便地提供與船舶其他系統（如動力定位系統、全船監測報警系統等）的接口。

電動機-定距螺旋槳推進的缺點如下：

1）電力推進裝置的初始投資成本高。

2）對于一直運行在全額定航速的船舶而言，如貨船，其整體能量效率較低。

3）采用電氣設備可能引來一些需防避的附加危害，如電氣設備中可能的火災，水引起的擾亂（閃絡、短路和接地）、電擊造成的人身傷害等等。

4）電力推進裝置需要受過較好訓練且具有較高技能的操作人員。

5）船舶制動時，為消耗制動能量，需要配置制動回路和制動電阻。

1.4 電動機-可調距螺旋槳推進

電動機-可調距螺旋槳推進的結構圖如圖7所示，主機為中高速推進電動機或者低速推進電動機，其中中高速推進電動機需要經過齒輪箱減速。螺旋槳的轉速和螺距均可以無極調節。電動機-可調距螺旋槳推進即可發揮電力推進系統的優勢，又有可調螺旋槳的優勢，適應于航程較遠且具有多種運行工況的船舶，在物探船、挖泥船、拖網漁船等具有較大的應用前景。

以物探船為例，其利用地震勘探技術從事調查作業[4]。作業時需要在尾部拖帶擴展器、槍陣、電纜等水下設備。其主要運行工況為物探作業和航行工況。

圖7 電動機-可調距螺旋槳推進結構

對于物探作業工況，其主要運行特點是：

1）低航速大拖力。物探船在拖航作業工況時，需保持正確的航向及5 kn穩定航速。如航速太快，拖帶的電纜張力超限，容易將電纜拉斷。

2）拖力可變。物探船在拖航作業工況時，拖帶的電纜數量和長度以及其與之相匹配的槍陣排數、震源容量會不相同。例如一艘12纜物探船，最大拖帶12根電纜，根據不同工作水域海況特性，它有時僅拖8纜、6纜不等。

根據物探船的作業工況，若采取電動機-定距螺旋槳的推進形式，為滿足航行以及物探作業的需求，螺旋槳的額定工作點設置困難，難以實現推進系統的優化運行和經濟效益。而采用電動機-可調螺距槳的推進形式，可通過速度和螺距的調節兼顧低航速大拖力運行工況、推進效率的優化以及系統經濟性。

作業工況下，螺旋槳需要提供一定的作業推力，當作業推力較小時，不同螺距角下螺旋槳的工作點均位于推進電機額定轉矩以下，如圖8中的D1和D2點。當由于作業區風浪的影響或者作業過程中需要增大螺旋槳推力的情況下，可能會出現螺旋槳的負載轉矩超過推進電機的額定轉矩，如圖8中的E1點。但如果減小螺距角，在相同的推力要求下，螺旋槳負載轉矩小于推進電機的額定轉矩，如圖8中的E2點。

通過上述分析可知，對于存在航行過程中需要提供一定作業工況推力的物探船而言，變螺距螺旋槳是有必要的，通過螺距和轉速的聯合調節，不僅能夠使得螺旋槳的推力效率優化，而且在作業工況下，能夠適應各種環境的變化和具備處理應急事情的能力。

2 船舶推進操控系統

針對不同的船舶推進形式，其操控系統的控制模式不同，對于定距螺旋槳，主要通過調節柴油主機或者推進電動機的轉速實現對螺旋槳速度控制，其控制特性基本上是線性的，不同的是推進電動機的調節范圍較寬，理論上是從0～100%額定速度，且具備一定的超速能力，柴油主機的調速范圍從最低穩定轉速范圍到額定速度。而采用可調距螺旋的推進形式，其操控系統的控制模式主要有以下幾種：

1）定速控制模式

在該模式下，柴油主機或推進電動機的轉速設定值維持不變，操縱手柄僅僅控制螺旋槳的螺距。通過改變螺距來改變航速、實現前進和倒航之間的轉換。

2）組合控制模式

在該模式下，控制臺上的操縱桿既控制柴油主機或推進電動機的轉速同時也控制螺旋槳的螺距。柴油主機的轉速和螺距的設定值如圖9所示的曲線進行設定。推進電動機的轉速和螺距的設定值如圖10所示的曲線進行設定，速度設置依靠速度控制手柄，速度值將會在計算后直接發送至推進變頻器進行速度控制。速度輸出的變化率可在推進變頻器中進行設置。

圖8 不同螺距角的螺旋槳負載曲線

3）獨立控制模式

在該模式下，柴油主機或推進電動機的轉速和螺距通過各自的操縱手柄分別進行獨立的控制。雖然其控制系統比較簡單，但要求駕駛臺操縱人員非常了解螺旋槳的性能。因而操縱比較復雜。

4）非跟蹤控制模式

該模式應急操作時的控制方式。當螺距控制系統出現故障時，而電源和螺距液壓驅動系統仍能正常工作，可利用駕駛臺上的應急操縱按鈕通過這種控制模式直接控制可調距螺旋槳的螺距；或者是將可調距螺旋槳的螺距固定在正車某一位置，將它作為定距槳來使用。該模式通常作為上面其它控制模式的備用控制方式。

圖9 組合控制模式下柴油主機轉速和螺距的配合曲線

3 結論

通過對各種典型的螺旋槳推進形式的工作原理、機槳特性、優缺點的比較分析，可針對相應的船舶運行要求進行選取。通過對調速電機和可調距螺旋槳的推進形式的機槳特性的分析，該推進形式適應于低航速下大推力運行工況的工程船舶，在物探船、挖泥船、拖網漁船中具有較好的應用前景。

圖10 組合控制模式下推進電機轉速和螺距的配合曲線

[1] 梁贊通. 調距槳推進裝置機槳優化匹配研究 [D]：[碩士學位論文]. 大連： 大連海事大學, 2009.6.

[2] 黃振華, 李霏, 唐然等. 船舶不同航行工況下船機槳配合特性分析[J]. 船舶標準化工程師, 2015.6.

[3] 龐濤, 何祖軍, 孫明平. 可調螺距螺旋槳推進特性分析及控制系統研究[J]. 計算機測量與控制, 2006, 14 (2).

[4] 王波, 饒廣龍, 李銘, 賈旭東. 高性能物探船推進動力系統配置分析[J]. 船舶, 2016.

圖4 以太網數據接收結果

4 結束語

本文在分析CAN總線、以太網通信要求及協議的基礎上，提出了從CAN數據幀到以太網的轉換的方案。針對設計需求，選用了TMS570作為通信模塊的MCU，該芯片具備較高的安全性及可靠性，并根據設計完成了通信模塊制作。最后對通信模塊底層驅動及應用層軟件進行了設計，成功實現數據通過一路CAN向雙冗余CAN和以太網轉發。

參考文獻：

[1] 狄儀偉. 面向未來智能電網的智能調度研究[D]. 山東大學碩士學位論文, 2010.

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[3] 董小瑞, 喬琨. 中國智能電網發展模式及關鍵技術[J]. 電力學報, 2010, 25(4)： 287-291.

[4] 劉坤明. 基于TMS570的CAN通信接口板設計[D].北京交通大學, 2012.

Reviews on the Ship’s Propeller Form with the Propeller

Li Chuang1, Li Zhi2
(1. Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Naval Representatives Office in No.427 Factory, Guangzhou 510715, China)

For the ship configured with the propeller, the working principle, propeller characteristics and adaptability of the propeller propulsion system and the characteristics of the control system are analyzed and compared in this paper.

electric propulsion; propeller; characteristic analysis; control mode

U664.33

A

1003-4862（2016）12-0068-06

2016-08-19

李闖（1977-）男，碩士，工程師，。研究方向：艦船電氣。