無軸輪緣推進器綜述

胡舉喜，吳均云，陳文聘

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

近些年來，隨著各國間航運貿易的壯大，對于船舶的噸位與推進功率的需求也日漸提高，傳統船舶推進器系統的劣勢逐漸顯現。隨著推進功率需求的增大，主機的體積及功率、各部件的尺寸和強度要求也都隨之增大。為了保證推進軸能正常安裝及工作，推進軸系結構設計也較復雜，增加了船舶設計的難度和建造成本，同時降低了船舶的空間利用率，也增大了能量損耗，降低了推進效率[1]。在此背景下，無軸輪緣推進器（Shaftless Rim Driven Propulsion）概念應運而生。它是將電機轉子與槳葉集成為一體，取消了傳統的穿艙推進軸系和密封系統，并采用電能直接傳遞功率，因此幾乎不占用船艙空間。

無軸輪緣推進器是基于集成電機推進器（IMP-Integrated Motor Propulsion）的技術而發展的。由于無軸輪緣推進器對于傳統推進器的優勢非常明顯，近幾年來各國對此進行了大力的開發和研究，已有多個國家研發出不同功率和型式的無軸輪緣推進器樣機，并且在船舶上已有應用。

根據無軸輪緣推進器結構特點，主要分為有槳軸型和無槳軸型。起初發展的是有槳軸型無軸輪緣推進器，將導管、電機、帶導葉和支撐槳轂的螺旋槳高度集成[2]，如圖1所示。其缺點主要是導管內部結構物占據了部分流通面積，因而其系統效率低。隨著技術的不斷發展，在有槳軸型無軸輪緣推進器基礎上又研發出了無槳軸型無軸輪緣推進器，如圖2所示。其總體結構仍與有槳軸型一樣——導管、電機與螺旋槳一體化結構，主要區別在于將槳葉支撐結構放置到導管內，相應地增加了導管內流通面積，推進效率也相應得到提高[3]。

圖1 有槳軸型輪緣推進器Fig. 1 Hub-type shaft rim-driven propeller

圖2 無槳軸型輪緣推進器Fig. 2 Hubless shaft rim-driven propeller

由于無槳軸型輪緣推進器具有更高集成化程度、優異的水動力性能和更高推進效率等特點，因此本文將主要研究介紹無槳軸型輪緣推進器（以下簡稱無軸輪緣推進器）。

1 無軸輪緣推進器結構組成

無軸輪緣推進器主要由槳葉、電機轉子、多磁極定子、水潤滑軸承、導罩外殼等組成[4]，其大致外形可參考圖3。由于槳葉旋轉中心是空的，所以只在推進器兩側安裝2個推力軸承；除此之外還有一種有槳轂無軸輪緣推進器，其結構是在無槳軸無軸輪緣推進器的結構基礎上，在槳葉旋轉中心再多加1個通過導葉與定子相連的槳轂，因此可以在推進器兩側安裝4個推力軸承，2個裝在定子轉子間，2個安裝在中心槳轂上，如圖4所示。

圖3 無軸輪緣推進器主要結構Fig. 3 Structure of shaftless rim-driven propeller

圖4 無槳轂無軸輪緣推進器和有槳轂無軸輪緣推進器的結構型式Fig. 4 Structuring forms of hubless shaftless rim-driven propeller and hub-type shaftless rim-driven propeller

無軸輪緣推進器的徑向/止推一體式水潤滑軸承位于旋轉組件兩側，其主要作用是一方面確定旋轉組件的軸向位置，另一方面傳遞槳葉旋轉產生的推力，而電機的轉子裝在徑向/止推一體式水潤滑橡膠合金軸承上，使得電機轉子和定子之間的氣隙與徑向/止推一體式水潤滑橡膠合金軸承的徑向跳動量息息相關。槳葉與電機轉子相連，成為一個整體構件[5]。

2 無軸輪緣推進系統的特點

無軸輪緣推進器與傳統的螺旋槳推進器相比具有效率高、占用船艙空間少、噪音低和振動小等優點；與現有的導管式推進器相比則具有重量輕、軸向長度短、可放置在更靠近船艏或船艉的地方等優點。由于其集成度高，可模塊化生產，因此在不進入船塢的情況下，就可簡單而直接地更換或安裝。由于廣泛使用水潤滑的復合材料軸承，且無軸輪緣推進器是完全浸沒于海水中，因此推進系統不再需要軸密封件、獨立冷卻系統和充油式的齒輪箱殼體等。

無軸輪緣推進系統與傳統推進系統相比，在總體結構設計、推進效率、加工制造及維護保養等方面有以下特點[1,6]。

1）控制靈活。

無軸輪緣推進器可以360°的旋轉，可使船舶轉彎半徑減小，操縱靈活。

2）功率密度高。

無軸輪緣推進器是通過海水直接冷卻電機，電機散熱效果好，其熱負荷設計更高，因此，其電機功率密度高。

3）可靠性高。

無軸輪緣推進器部套件少，采用一體化結構設計，系統集成度高，其可靠性也得到提高。

4）提高船舶效率。

采用無軸輪緣推進器的船型可以使船舶艉部結構線性得到進一步優化，提高船體流體性能和水動力特性。根據仿真測算，采用無軸輪緣推進器的船型航行阻力比采用傳統推進系統的可減小5%～10%。通過對各類推進系統的推進效率進行統計，采用無軸推進系統的船舶推進效率明顯高于其他傳統推進系統，如表1所示。無軸輪緣推進器還直接使用海水散熱，節約了冷卻系統的能源消耗，提高了全船的能源利用效率。

表1 各類型船舶推進系統的推進效率對比Table 1 Comparison of propulsion efficiency of various ship propulsion systems

5）推進系統總重量低。

由于轉子是直接由電機電磁力驅動，并帶動槳葉旋轉，不需要軸和變速箱等其他軸系設備。因此相比傳統推進系統，其重量輕很多。

6）提高艦船隱蔽性。

相比傳統推進系統，輪緣推進器不需要軸和變速箱，噪聲來源減少，因此該種推進器的振動很低。

7）模塊化程度高。

無軸輪緣推進器集成化程度高，安裝方便，但現階段由于受限于無軸輪緣推進器的功率等級，無軸輪緣推進器在水面艦船上多用于側推裝置，表2對傳統側推和無軸推進型側推進行了對比。

表2 傳統側推裝置和無軸輪緣推進型側推裝置對比Table 2 Comparison of traditional thruster and shaftless rim driven propeller

3 產品現狀與應用

3.1 國外發展與研究現狀

2004年，美國的Schilling Robitics公司開發了輸入電壓 600 V、功率 7.5 kW、輸出轉速1 000 r/min、額定推力200 N的5葉無軸輪緣推進器（如圖5），其功率相對較小[7]。

圖5 5葉無軸輪緣推進器Fig. 5 5-blade shaftless rim driven propeller

挪威Brunvoll公司研制的100 kW大型4葉無軸輪緣推進器（見圖 6），該無軸輪緣推進器通過電機永磁體的旋轉帶動螺旋槳運轉。

2006年，荷蘭的Vander Velden Marine System公司研制出了7葉無輪轂驅動推進器，并形成螺旋槳直徑從0.45～1.05 m，輸出功率從30～295 kW的系列化產品。

圖6 4葉無軸輪緣推進器Fig. 6 4-blade shaftless rim-driven propeller

另外，Rolls-Royce、Schottel等公司都研發出各自的無軸輪緣推進器，美國通用動力公司研制了2100hp無軸輪緣推進器。

3.2 國外主要生產商及其產品介紹

3.2.1 Rolls-Royce公司

2012年，Rolls-Royce公司成功研發出了一種被稱為永磁推進器（見圖7）的TT-PM型無軸輪緣推進器，其功率等級為800 kW、直徑為1 600 mm的永磁推進器已實船應用。

Rolls-Royce公司開發了直徑為 1 600 mm和2 000 mm的永磁隧道推進器，該推進器適用于對功率需求響應快的海工船和商船配套。2015年初，Rolls-Royce公司的永磁隧道推進器應用于挪威郵船公司的“Norwegian Epic”號船。

圖7 TT-PM型推進器Fig. 7 TT-PM type propellers

3.2.2 Brunvoll公司

挪威 Brunvoll公司在無軸輪緣推進器領域處于領先地位，該公司的無軸輪緣推進器（RDT—Rim Driven Thruster）功率覆蓋 200～900 kW[7]，如表3和圖8所示。

表3 RDT系列功率范圍Table 3 Power range of RDT series

圖8 RDT系列外形圖Fig. 8 Outline drawing of RDT series

圖9所示為RDT系列無軸輪緣推進器的實船產品應用，該產品既可作為側推安裝在船艏，又可作為主推進系統安裝在船艉。

圖9 RDT實船產品Fig. 9 Product of RDT

3.2.3 Schottel公司

德國Schottel公司生產的無軸輪緣推進器（SRT系列環驅式推進器）從內徑 800 mm（額定功率200 kW）到1 600 mm（額定功率800 kW）共有4種規格。由于SRT系列環驅式推進器采用電力驅動，因此，不需要齒輪箱和傳動軸。環驅式推進器將電力直接轉換成推進動力，避免了輸電損耗和齒輪產生的噪聲。電動機的定子整合在隧道外面，葉片固定在轉子內部。具有結構緊固、維修方便、噪聲和振動低、效率高、安裝空間省、重量輕等優點。

Schottel公司無軸輪緣推進器產品的功率范圍及外形見表4和圖10所示。

表4 Schottel公司產品功率范圍Table 4 Power range of Schottel products

圖10 Schottel公司產品Fig. 10 Product of Schottel

3.2.4 Voith公司

德國Voith公司的無軸輪緣推進器是相對比較成熟的產品，在市場上應用較多。該公司產品有2個系列，用于側推的VIT系列（如圖11）和用于全回轉艉推的VIP系列（如圖 12），功率均能覆蓋50～1 500 kW。

圖11 VIT系列產品Fig.11 Product of VIT series

圖12 VIP系列產品Fig. 12 Product of VIP series

VIP系列產品還可如圖 13所示，能實現收放功能，為推進器的布置帶來更多的靈活性。

圖13 可收放的VIP產品Fig. 13 Product of retractable VIP

尺寸緊湊的無軸輪緣推進器可安裝在極其狹窄的空間，為船舶的設計帶來極大的便利性，尤其在工作船上發揮了無可比擬的優越性，安裝環境是傳統的側推無法實現的，如圖14-16所示。

圖14 安裝在船艏VITFig. 14 VIT installed at bow

圖15 安裝在船艏的VITFig. 15 VIT installed at bow

圖16 安裝在船艉的VITFig. 16 VIT installed at stern

3.3 國內發展與研究現狀

國內對無軸輪緣推進器的技術研究起步較晚，在工程化應用上尚未成熟，核心關鍵技術沒有完全突破，使得國內前期研制的輪緣推進器產品尺寸大、功率較小，與國外相比差距較大。

在“八五”期間，我國已開始研制20 kW集成推進器原理樣機；2006年，863海洋領域開展了“AUV、ROV集成推進器”課題研究；中船重工七〇二所和哈爾濱工程大學等在水動力性能分析方面對無軸輪緣推進器進行研究；海軍工程大學馬偉明院士團隊、中船重工七〇四所和中船重工七一二所在無軸輪緣推進器樣機研制方面已開展深入研究，取得了一定研究成果；浙江三力士智能裝備制造有限公司研制的小功率樣機已成功應用在潛水器上。

4 關鍵技術研究

無軸輪緣推進器研發技術難點高，在電機、新材料等方面的高難度技術國內并未完全掌握。因此，為實現無軸輪緣推進器工程化應用，需突破以下主要關鍵技術。

1）總體設計技術。

無軸輪緣推進器總體設計包含低噪聲葉片設計、徑向/止推水潤滑軸承優化設計、環形永磁電機優化設計，涉及了復合材料、水動力、噪聲分析等技術，與結構設計相互影響、相互制約，需要全面權衡進行優化設計。

2）環形永磁電機設計技術。

無軸輪緣推進器環形永磁電機相比常規永磁電機，其工作環境、性能要求和結構都有其特殊性：電機帶動葉片轉動，導致其本體直接暴露在惡劣的水環境中；需具有較小的轉矩脈動、較大的機械氣隙，滿足水流環境中頻繁啟動；電機要裝進環形導流管內，必須在滿足功率要求的同時，還具有體積小、重量輕的特點[8]。

3）徑向/止推水潤滑軸承支撐與動力傳遞技術。

連接電機定子和轉子的軸承設計直接影響到整個裝置的性能和可靠性，無軸輪緣推進器采用徑向/止推水潤滑軸承，能夠降低系統的重量和復雜度，更好地體現輪緣推進器的優勢。然而，水的腐蝕性以及泥沙所帶來的磨損會減小軸承壽命，所以必須對軸承的材質進行材料特性研究和優化設計[9-10]，使之具有良好的耐磨性、耐蝕性及抗壓強度。

5 結束語

目前我國有多個科研院所已開展無軸輪緣推進器技術研究，雖取得了一定的研究成果，但仍處于基礎性研究階段。隨著我國在無軸輪緣推進系統方面的大力投入，將會陸續攻克各個關鍵性技術難點以實現工程化應用，必將會對船舶行業的發展帶來巨大改變。