某海洋綜合調查船直葉槳推進器操縱性分析

馬強　陸小科　姜本儉

摘? ? 要：福伊特施耐德推進器（簡稱VSP），又名直翼舵槳裝置、擺線推進器、直葉槳推進器等。由于其在國內應用較少，對其操縱性不甚了解。本文對某海洋綜合調查船安裝的VSP推進器的結構、原理、推進等進行介紹，并對其操縱性進行分析和實船驗證，得出其具有矢量特性、舵槳合一性、控制模式多樣性。對國內后續安裝該類型推進器的船舶提供借鑒和參考。

關鍵詞：直葉槳推進器;VSP;操縱性

中圖分類號：U661.31 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The Voith Schneider Propeller （VSP）， is also known as cycloidal propeller. Because of its less application in China， the maneuvering performance of VSP is not well understood. This paper introduces the structure， principle and propulsion of the VSP installed on the oceanic resource research vessel， analyzes and verifies its maneuvering performance. It is concluded that it has the vector property， rudder-propeller unity and control mode diversity.

Key words： Voith-Schneider propeller; VSP; Maneuvering performance

1? ? ?前言

隨著科考船等海上作業船舶對船舶操縱性能要求越來越高，直葉槳推進器（簡稱VSP）因其獨一無二的將推力和轉向結合在一個裝置中，可精確快速地在各方向產生無級推力，操縱精確靈活，使其在高端船舶領域占有一席之地。但由于VSP價格相對高昂，在國內裝船數量較少，目前僅南通中遠船務公司2012年交付的“海上安裝者”風電安裝船、天津新港船舶重工2017年交付的“淞航”遠洋漁業調查船、馬尾造船股份有限公司2017年交付的Southern Star潛水支持船、以及我司2019年交付的海洋綜合資源調查船裝有該種推進器。

本文從實船安裝的VSP入手，對其結構、原理、推力和方向調節等方面進行介紹，對其操縱性進行分析和實船驗證。

2? ? VSP基本結構和原理

我司建造的海洋綜合資源調查船安裝的VSP，其內部結構由靜止部件、旋轉部件、控制部件三部分組成，如圖1所示。

圖1中輸入軸通過減速齒輪（6）減速后，再通過傘齒輪（7）減速后帶動旋轉箱體（1）轉動，從而使槳葉（2）繞控制桿中心轉動。當控制桿下控制點S與旋轉箱體中心O重合時，槳葉繞推進器旋轉中心作切線圓周運動，此時不產生任何推力（如圖2所示），真正做到了零螺距零推力;當控制桿下控制點S與旋轉箱體中心O成一定的偏心時，槳葉將不位于切線位置而與切線成一定夾角，由此產生對水推力。水反作用于船舶使船舶產生運動，如圖3所示。

VSP垂直向下的數片槳葉圍繞同一垂直軸線勻速旋轉，每片槳葉分別繞著各自的軸心做擺動，經疊加后形成擺線運動，如圖4所示。

3? ? VSP推力和方向調節

VSP的推力和方向兩者的變化，均由同一套伺服機構來控制，如圖5所示：伺服機構主要由兩臺成90°夾角的伺服馬達（1）組成，通過集成在本體上的液壓系統改變伺服馬達的行程，即可改變控制桿上控制點S相對中心O 的位置，從而使控制桿下控制點S沿相反方向改變，并通過槳葉執行裝置（3）改變槳葉的轉角，隨之產生推力，且偏心距越大推力越大。

由于其推力方向與控制桿成90°夾角，故控制桿上控制點S與船體橫向的夾角，即為其推力與船體首向的夾角，此角度可以從本地指示面板（見圖6）看到。為了與船舶航行描述一致，圖6中將此面板旋轉了90°。此指示板是安裝在外殼蓋內，從外部可以看到指針;指示面板上分布有刻度線，沿徑向等分的幾個同心圓為螺距大小刻度。最大刻度為100%，即螺距邊界線（3）;最外圓為控制桿邊界線（2），即控制桿的機械限位。

理論上指示板上的指針可以指示在螺距邊界線內的任意位置，但考慮到船舶航行的安全性，即在縱向分量大時（高速狀態）如果橫向分量過大，則存在船體傾覆的風險。故推進器廠家根據不同船的型號、任務和速度，對每艘船都設置了不同的控制圖譜曲線（1），以限制橫向分量的大小，船舶在正常航行時都不會超出該限制曲線;只有在DP模式下，由于船舶航速很低即懸停狀態，控制桿可超出該限制曲線但不超過螺距邊界線。

本船的控制圖譜曲線，如圖6中（1）曲線所示。從圖中可以看出，控制圖譜曲線為一條由上下兩部分的拋物線和中間部分的直段線組成的函數曲線。當本船在100%指令航行時，控制桿上控制點S將在這條紅色曲線上運行;當指令為90%時，控制點將在等比例縮小的紅色曲線上運行。因此，只有在首向不變時即橫向螺距為0時縱向螺距可以達到最大值;而隨著橫向螺距的加大，縱向螺距隨之減小，當達到本船的橫向螺距限制點（約73%），縱向螺距減小到0～20%之間。

由此可知，VSP最終是通過改變舵心的偏心距OS來調節推力大小、通過改變舵心的相位角來調節推力方向;此外，在偏心距一定的情況下，隨著輸入轉速的增加，推力也會隨著加大。與全回轉推進器相比，由于其方向改變無需轉動大齒輪盤，使得其轉向更迅速快捷，但同時也限制了轉向推力的輸出，而不是像全回轉推進器一樣推力的大小與方向無關。

4? ? VSP操縱性分析

VSP遙控手柄為矢量手柄，手柄方向即為推力方向，手柄推進大小即為指令大小。VSP通過接受到這兩個信號，根據預先設定的函數曲線，最終分解為縱向螺距和橫向螺距，并反饋給液壓執行機構使控制點達到所需位置，在手柄矢量方向產生相應的推力。

由于手柄的矢量特性，船舶的操縱性就與推進器的所屬位置密切相關，（如圖8所示）;當推進器位于船舶尾部時，由于推力對尾部作用，故船舶前進中轉向右舷，手柄應設定為左向前（如圖7所示）;而當船舶倒車中轉向右舷，手柄應設定為右向后;如果推進器位于船舶首部時，則操作方向與之相反。因此，港作拖輪為了與常規操舵方向一致，通常將推進器安裝于靠首部位置。

由于兩個推進器手柄并不聯鎖，故當左側推進器手柄位于右下角45°方向、右側推進器手柄位于右上角45°方向時，船體可以實現向右舷橫移，如圖9所示。

對于控制模式，由于推進電機由變頻器控制，使得其輸入轉速是可變的。VSP的推力大小受到螺距和轉速兩方面的影響，故VSP操縱模式可分為定轉速模式和聯控模式：

（1）定轉速模式是在轉速不變的情況下，通過改變螺距來改變推力大小。本船設有三檔轉速，分別為650、800、1 000 r/min，此三檔轉速共用一條螺距調節曲線，如圖10所示;

（2）聯控模式是既改變轉速又改變螺距來改變推力大小。在低轉速時先調節螺距，當螺距達到100%時再提高轉速直至額定轉速，如圖11所示。

從圖10、圖11可以看出：聯控模式下能充分發揮VSP的舵效，經濟性高，故航行狀態下推薦使用該模式;而在靠碼頭或繁忙航道內航行時，為提高響應速度、保證船舶安全，推薦采用1 000 r/min定轉速模式。

此外，由于VSP的推力方向可以360°可調，故在配置2臺及以上VSP時就具有了動力定位（DP）能力。在DP模式下，也可分為定轉速和聯控模式兩類，其特性與上述相同，不再復述;該模式下唯一的區別，就是其控制圖譜曲線是螺距邊界線的外圓，這樣可使任何方向力的最大值是相等的，使得其能在任何方向發揮最大的動力定位能力。

最后，由于VSP的推力可任意方向，且響應速度快，使得配置2臺VSP時能產生與波浪相反的扭矩，實現減搖功能。此減搖功能能覆蓋船舶從0到全速范圍，不過由于減搖的實現需預留一定的功率，故低速下減搖效果好于高速階段。

5? ? 實船驗證

通過海上航行試驗，對其操縱性進行了相應驗證：

推進器裝于尾部，其轉向方式與上述描述一致，其響應速度相當靈敏，基本做到舵角指令到則舵角方向同時到位;實船全速時從左舵15°到右舵15°僅用7.4 s，約4°/ s，遠高于規范要求的2.3°/ s;在回轉試驗中，回轉直徑在3倍船長以內，優于規范要求的不超過5倍長。

必須指出，在做上述試驗前存在一個操舵角度的問題。因其操縱手柄是矢量手柄，操縱桿上并無角度標注，因此如果用矢量手柄做上述試驗，對于舵角指令的下達存在反復修正的情況。由于本船自動舵模塊配置了隨動舵手輪，此手輪上有電子顯示角度。為此，在做上述試驗時，先通過矢量手柄控制好航速，再選用自動舵模式下的隨動模式，通過隨動舵手輪控制方向，從而解決了舵角指令的精確下達問題。因此，其他船在選用此類推進器的控制模塊時，需考慮操舵指令問題。

6? ? 結束語

通過以上對VSP的實船應用介紹和操縱性分析與驗證可以看出，VSP的操縱具有矢量特性，且與安裝位置有關，操縱反饋迅速靈敏，舵槳合一。同時其具有多種控制模式，不同船型可以根據操作習慣設定幾種控制模式，以實現最大經濟效益。

參考文獻

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