吊艙推進器水動力分析綜述

許汪歆，崔忞慜，田忠殿，鄭安賓

（(1.中國船舶集團有限公司 第704研究所，上海 200031；2.海裝上海局駐南京第一軍事代表室，江蘇 南京 210001）

堅持綠色發(fā)展的理念是碳達峰和碳中和的要求，同時海洋環(huán)境對船舶污染物排放也提出了要求，船舶電力推進方式也引起了人們的關注，逐步成為船舶的主流推進方式之一。相較于傳統(tǒng)的機械推進方式而言，吊艙式電力推進在經濟性、操縱性和節(jié)能性等方面具有一定的優(yōu)越性。國內在吊艙式電力推進器研究方面才剛剛起步，其關鍵技術和主要裝備還依賴進口。為此，文章主要從總體結構設計的水動力分析方面開展相關研究，總結了吊艙式電力推進的發(fā)展以及應用。

1 吊艙推進器特點

吊艙推進器（POD），主要由推進模塊和回轉模塊構成，電動機和螺旋槳直接相連，可以360°水平旋轉。吊艙推進器在船舶設計、性能、制造及維護等方面具有諸多特點，歸納起來有如下的優(yōu)缺點：

1.1 優(yōu)點

（1）采用電力推進，可以直接使用變頻調速，相比于傳統(tǒng)的燃氣輪機和柴油機推進，機械系統(tǒng)的復雜性降低，不需要設計傳統(tǒng)的變速齒輪箱、軸系結構、尾軸對中等；

（2）機動性好。推進裝置可在零航速時360°全回轉，具有較好的操縱性能，定位能力強，具有船舶緊急停船能力；

（3）空間配置靈活，充分利用了艙室空間，可以根據船舶布置需求機動布置，從而增加了裝載艙容，提高了船舶航運的經濟性。

1.2 缺點

（1）初裝投入較大。吊艙推進器屬于電力推進的一種，電力推進成本高，再加上特殊設計的電機、密封，還有軸承需要配套監(jiān)控系統(tǒng)，這增加了吊艙推進器的成本；

（2）維修困難，維修時間長，維修費用較高。船舶航行需要考慮到推進效率，因此吊艙推進器殼體的設計盡可能地小以獲得較高的推進效率，限制了維修人員在推進器內部的維護空間；

（3）技術可靠性不高。Rolls-Royce研發(fā)的Mermaid吊艙推進器自從產出以來，軸承就不斷發(fā)生故障，后來軸承經過重新設計，故障問題依然頻繁出現。肖特爾和西門子聯(lián)合開發(fā)吊艙推進器SSP，自安裝以來，常發(fā)生軸封泄漏問題。

2 吊艙推進器的發(fā)展歷程

吊艙推進器是由芬蘭ABB公司在1990年首次提出，目前占據了主要的市場份額，各類產品也經過了實船的考驗。德國SCHOTTEL與SIEMENS公司聯(lián)合開發(fā)的SSP推進器采用前后配對螺旋槳技術和永磁同步電機。Mermaid推進器是法國ALSTOM公司和英國Rolls-Royce聯(lián)合研發(fā)的。荷蘭John Crane-Lips與德國SRNATLAS公司聯(lián)合開發(fā)了Dolphin推進器。主要的吊艙推進器廠家和吊艙推進器相關參數見表1。

表1 國外吊艙推進器制造商與特點統(tǒng)計

3 吊艙推進器水動力研究進展

吊艙的水動力性能方面的研究工作，包括試驗方法和數值模擬方法，吊艙推進器模型試驗，例如船體阻力試驗、敞水性能試驗和自航試驗等，得到了一系列優(yōu)良線型數據用于改善其阻力與推進性能。水動力性能方面的研究方法歸納如圖1所示。

圖1 水動力性能研究方法

3.1 仿真研究

從水動力性能研究方面看，有的文獻基于吊艙推進器定常水動力性能的計算、數值預報和吊艙推進器螺旋槳尾渦模型研究，討論非定常性能與吊艙誘導的伴流間的相互關系，研究螺旋槳負荷在伴流場中的非定常性能。有的文獻采用CFD方法研究吊艙推進器在粘性流場中的水動力性能，采用滑移網格模擬螺旋槳旋轉，對比了非均勻來流下的試驗結果。解學參等采用勢流理論面元法分析吊艙單元的定常性能，通過迭代分析槳葉和吊艙間的相互干擾，計算了吊艙單元的水動力性能。有的文獻討論了面元法的應用，分析了不同進速系數下尾渦模型的螺距角變化規(guī)律。有的文獻分析了帶有艉舵的吊艙單元的水動力性能，結果表明加上艉舵提高了吊艙單元的推進效率，增加了航向的穩(wěn)定性。

郭春雨等人采用混合面模型對拖式吊艙單元的水動力性能進行模擬，計算了不同進速系數下的吊艙推進器的推力系數、扭矩系數，采用等四套網格模型預報槳葉的推力系數。陳科等人基于雙螺旋槳吊艙推進器定常水動力性能方面的理論計算做了相關研究，研究前槳-后槳-艙體的影響系數，對比了傳統(tǒng)計算方法與整體求解雙重庫塔條件的計算結果，得出采用新方法之后的吊艙推進器水動力性能預報結果大幅提高。

3.2 模型試驗研究

有的文獻基于模型試驗方法研究了CRP推進器的實船推進性能，研究在設計工況下，前后槳的相互影響程度，結果表明前后的影響關系可以忽略。學者楊晨俊介紹了吊艙推進器敞水試驗、吊艙推進器單元敞水試驗、吊艙推進器船舶自航試驗以及實尺度吊艙推進器性能預報規(guī)程，分析吊艙與槳葉之間的水動力相互作用。沈興榮等研究了舵角工況下吊艙推進器的性能，研究結果表明，舵槳工況下螺旋槳產生的操舵力提升了操作性能。王文濤等人介紹了在開展吊艙推進器船舶模塊型試驗過程中用到的關鍵設備吊艙動力儀，簡述了吊艙推進器單元敞水試驗方法、阻力試驗方法和自航試驗方法等相關試驗方法流程。

3.3 空泡研究

在空泡水筒中開展相關物理試驗是研究螺旋槳水動力的重要方法之一。第26屆ITTC水動力學研究任務與發(fā)展方向指出，今后需要開展螺旋槳空泡計算方法、由空泡誘導的船體脈動壓力、螺旋槳的空泡剝蝕等相關問題的研究。學者解學參采用數值模擬方法考察吊艙螺旋槳的空泡變化，計算了螺旋槳的定常空泡性能與非定常空泡性能，并結合實驗結果探討了螺旋槳的空泡形狀。沈興榮等人根據實際航行需要，研究了小舵角工況下的空泡性能試驗，以0°舵角為基準，研究在±5°舵角小的空泡性能，測量槳葉的脈動壓力，分析了吊艙推進器不同部位的脈動壓力。有的文獻利用實船觀測的手段，探究了在非設計工況下，吊艙推進器的水動力性能，發(fā)現槳葉空泡與轉角變化成正相關。李善成等人研究偏轉工況下的吊艙推進器空泡性能，針對1∶25的縮比吊艙體模型，在空泡水筒中開展相關試驗，分析槳葉的壓力分布情況。黃紅波等人在實驗室條件下針對船模進行了吊艙空泡性能的試驗研究，研究不同偏航角度下的空泡形態(tài)和由于空泡愿意引起的脈動壓力，并將結果與MARIN的試驗結果比對。

4 吊艙推進器關鍵技術

吊艙推進器在船舶電力推進領域例如：郵輪、破冰船、豪華游輪等已有實船應用，今后還考慮在軍用艦船上投入使用。雖然吊艙推進器在20世紀90年代已經投入生產使用，但國內對于吊艙推進器的研發(fā)設計還存在以下待突破的關鍵技術：

（1）隨著功率等級的增加，槳葉直徑也將增大，這就需要考慮螺旋槳的推進效率以及線型設計，需要考慮電機的功率匹配技術；

（2）軸承的設計與選型技術。大功率等級的吊艙推進器需要匹配與之適應的軸承，對于軸承的外徑、裝配等問題都需要兼顧，給軸承設計與選型帶來挑戰(zhàn)；

（3）艉密封的設計與選型技術。艉密封裝置的設計需要適應水深變化、水壓沖擊，需要考慮滑油泄漏、使用壽命等問題。

5 總結

本文綜述了吊艙推進器水動力分析研究現狀以及吊艙推進器的發(fā)展情況。作為新型電力推進系統(tǒng)，吊艙推進器憑借其功能特性在民用船舶領域取得了一定的成果，為市場的各種推進需求提供了較完整的解決方案。

國內對吊艙推進器的研究處于起步發(fā)展階段，相關科研院所在這方面的研究工作已有了實船應用，掌握了中小功率等級吊艙推進器的設計技術。國內從事吊艙推進器水動力相關研究的單位先后開展了水池和空泡水桶試驗，利用數值計算方法開展水動力性能研究包括定常水動力性能、不同配置方案下的航行性能、吊艙對螺旋槳水動力性能等，獲得了比較滿意的結果，積累了試驗經驗，為后續(xù)的研制奠定了基礎。