半浸式螺旋槳在高速船上的應用

CCS浙江分社 應 勝

半浸式螺旋槳（Surface Piercing Propeller，SPP，簡稱半浸槳）是指高速船在設計航速航行時，部分槳葉露出水面而能正常運轉的螺旋槳。所以半浸槳也稱部分浸水螺旋槳或表面螺旋槳。半浸槳與常規螺旋槳相比有許多獨特的優點。首先，采用半浸槳推進的船舶，船舶在設計航速航行時，槳轂、軸、液壓支撐附件等露在水面之上，因此減少了這部分附件引起的附加阻力。其次，由于半浸槳布置在船體尾封板的后方，從而避免了船體對螺旋槳直徑的限制，可以使螺旋槳的工作點的選擇更加優化。在高速航行時，與半浸槳相比常規螺旋槳是“全浸”在水中，常規螺旋槳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。而采用半浸槳推進系統則可以避免這個問題。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。此外，半浸槳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。

正是具備了諸多的優點，半浸槳推進系統在高速船上的應用越來越廣泛。高速滑行艇主要應用在需要航速較高的公務快艇方面，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，高速滑行艇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50kn以上船艇的主要推進方式之一。在超過100kn以上的高速船艇上，半浸槳推進裝置更是占有絕對的優勢。目前，半浸槳推進裝置在世界各國最先進的高速船艇上已經得到了廣泛的應用。

半浸槳推進系統結構特點

半浸槳推進裝置其實并不能簡單地理解為一種特殊的螺旋槳。其實半浸槳推進裝置是一個集螺旋槳推進系統、操舵裝置及舵槳操縱和控制系統為一體的一種特殊的舵槳推進系統。半浸槳推進裝置最初的應用是在美國，以二十世紀六十年代美國SES-100氣墊船上進行半浸槳研究和應用為標志。目前，半浸槳推進系統的研究和生產，主要還是集中在歐美等發達國家。半浸槳在高速滑行艇領域的市場也是被這些國家壟斷。我國在半浸槳方面的研究、制造的起步較晚。據了解，近年來一些行業內知名的研究所在半浸槳的研究和應用等方面也取得了突破性的進展。

常見的半浸槳推進系統主要有以下幾個部分組成：螺旋槳、驅動軸（尾軸）、舵葉、操舵油缸、液壓動力單元、齒輪減速器、調節槳軸縱傾角度油缸及傳感器等（如圖1、2、3所示）。一般高速船都是采用雙機雙槳推進的形式。

圖1：半浸槳俯視圖

圖2：半浸槳側視圖

圖3：半浸槳實物照片

半浸槳與常規螺旋槳的區別

半浸槳是一種特殊的螺旋槳，其結構與常規的螺旋槳相比有一些顯著的不同。最明顯的區別就是半浸槳的隨邊與常規螺旋槳不同。常規螺旋槳的隨邊末端連線通常為圓弧形，而半浸槳則為一條直線（如圖4）。另外，由于半浸槳槳葉的剖面通常采用超空泡型剖面，槳葉剖面的最大厚度靠近螺旋槳的隨邊。而常規螺旋槳則一般都是靠近導邊。半浸槳還有一點與常規螺旋槳不同的就是，在大多數半浸槳的隨邊，有一個朝向葉面的附加部分，這一部分叫做“杯形”。這樣的結構除了可以增加槳葉的結構強度之外，還可以在半浸槳隨邊的附近產生額外的升力。此外，半浸槳還采用較大的螺距比P/D(P－螺旋槳螺距，D－螺旋槳直徑)。常規螺旋槳的螺距比一般都小于1，而半浸槳的螺距比通常都大于1。

圖4：半浸槳與常規螺旋槳槳葉輪廓的對比

圖5：半浸槳入水和出水示意圖

半浸槳的通氣現象

當采用半浸槳推進系統的高速滑行艇，在達到高速滑行狀態時，槳葉在運轉時是交替入水的。半浸槳大多數都是采用四到五葉槳。分析半浸槳的運轉周期可以知道，在一個槳葉的旋轉周期內，大約有四分之一的槳葉完全浸沒在水中，四分之一的槳葉露在空氣中，剩下的兩個四分之一周期分別是槳葉的出水和入水的過程（如圖5所示）。半浸槳在高速運轉時，所產生的空泡會被出水和入水時吸入槳葉附近的空氣腔所代替。這種現象也稱為半浸槳的“通氣”現象。所以采用半浸槳可以大大減少螺旋槳表面的“空泡腐蝕”現象，有利于提高螺旋槳的使用壽命。

安裝及注意事項

采用半浸槳推進裝置的船舶與常規螺旋槳推進裝置相比安裝比較方便。半浸槳推進裝置的軸系通常采用萬向軸傳動。由于采用萬向傳動軸連接，所以采用半浸槳推進裝置的船舶的軸系是不承受推力的。半浸槳所產生的推力是通過半浸槳上的推力球軸承傳遞給船體的。所以安裝半浸槳推力軸承球座部分的船體結構（艉封板）的加強需要特別考慮。特別是對于采用玻璃纖維增強塑料（俗稱玻璃鋼）為船體結構的高速船來說，推力軸承座附近的船體結構，需要在玻璃纖維敷設時提前將加強結構（如鋼板、木板等）預埋在船體結構中。在此類船舶的建造檢驗過程中，對于艉部的結構也需要特別關注，以免后期出現返工現象。

圖6：某高速艇半浸槳安裝示意圖

為了達到最佳航速，對于艉部海底門吸水口等的布置位置有嚴格的要求。以前述15米滑行艇半浸槳為例，從半浸槳葉尖大約21cm范圍開始，以及艉封板向前1.83m范圍內盡量不要安裝海底門吸水口及其他傳感器。

此外，半浸槳安裝過程中還需要重點檢查升降、轉舵油缸安裝板與連桿無碰撞，艉軸推力球體與球座之間無碰撞（如圖7）。最后還應關注外部的液壓管與傳感器軟軸線的安裝。在液壓軟管接頭安裝時，既要保證液壓管的密性，又不能將螺紋接頭擰得太緊，導致接頭爆裂。在船舶下水之前對于所有液壓管路都需要進行強度和密性試驗，防止液壓油泄漏導致的海洋污染事故。傳感器軟軸線安裝時要注意，外部不需要留過長，如果留的過長，運轉時容易掛住物體，導致傳感線伸縮不暢。對于傳感線通過船體的貫穿件處，還需要進行有效的封堵，并進行密性試驗（如圖8所示）。

圖7：液壓油缸和推力軸承安裝示意圖

圖8：液壓油管及傳感器軟軸線安裝示意圖

半浸槳推進裝置在高速船上的應用已經有將近半個世紀的歷史，但由于半浸槳推進裝置在普通民用商船上應用非常少。目前國際上各大船級社規范中，對于半浸槳推進系統的研究也非常少。由于半浸槳在高速運轉時，槳葉交替進入水中，半浸槳的水動力問題非常復雜，目前還沒有比較成熟的半浸槳圖譜設計方法。此外，半浸槳在高速運轉時，槳葉交替出入水，槳葉在一個旋轉周期內所承受的推力大小的變化非常大。因此，對于半浸槳及其支撐結構的強度等的要求，比常規螺旋槳要更高。

對于采用半浸槳推進裝置的船舶，螺旋槳和艉軸的檢驗周期和檢驗方式等方面，國際上各大船級社目前的規范中也沒有針對性的要求。如果按照常規螺旋槳的檢驗周期和檢驗方式來進行，顯然是不合適的。由于目前半浸槳推進裝置的核心技術還是被國外的廠商所壟斷，半浸槳推進裝置在安裝、檢查及維護保養等方面的要求，主要還是參照半浸槳制造商的標準。

近年來，我國的海洋維權意識不斷增強。此外，海上的搜救、打擊海上的違法犯罪等活動，都需要我國的執法部門擁有更加先進、高速和快捷的高速船艇。這也給半浸槳推進裝置在我國的研究和應用帶來了極大的機遇。