半浸槳推進裝置的產品特點與應用情況

史宗鷹，張金濤，姚明珠

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.武警部隊裝備部軍事代表局五室，北京 100161）

半浸式螺旋槳（Surface Piercing Propeller，SPP，簡稱半浸槳，又稱表面槳），是一種在高速運轉時只有一半槳葉浸入水中而能正常工作的螺旋槳。半浸槳推進裝置是一種集半浸式螺旋槳、驅動裝置本體、操縱油缸及液控系統為一體的高速船用推進裝置，該裝置在高速航行時具有無空泡剝蝕、低阻力、高效率和操控靈活等顯著優點[2,3]，在當今世界的超高速船艇上得到了廣泛的應用。半浸槳推進與常規螺旋槳推進具有顯著的不同，主要表現在半浸槳葉和裝置的結構特征兩方面，這也造成了半浸槳產品在適配船艇上具有典型的應用特點。

1 半浸槳推進裝置的優點

與傳統螺旋槳推進相比，半浸槳推進裝置的顯著優點具體特征如下：

1.1 推進效率高

螺旋槳設計時，螺旋槳的直徑往往和其他影響螺旋槳水動力性能的參數相互制約，動量理論表明相同的螺旋槳推力，槳葉直徑越大，效率越高；但實際槳葉設計時，其直徑往往受船艇吃水、槳軸位置和動力設備條件等諸多因素限制。半浸槳工作于船艇尾部水面附近，可自由選擇較大速比降低槳葉轉速，增大直徑，提高半浸槳推進效率。與此同時，半浸槳工作時只有部分槳葉露出水面，槳葉水下附體尺寸較小，阻力降低，流經半浸槳水流狀態比全浸槳好，半浸槳的推進效率也得以提高。不同類型螺旋槳的推進效率對比圖1如下：

圖1 不同類型螺旋槳的推進效率對比圖

1.2 無空泡剝蝕

半浸槳槳葉的剖面常采用超空泡型剖面，槳葉運轉時交替入水，所產生的空泡會被槳葉出入水時吸入槳葉附近的空氣腔所代替，形成“通氣”狀態，空泡無法順利形成，避免了槳葉表面被空泡剝蝕的現象，減少了槳葉水下振動和噪音，提高了槳葉的使用壽命。半浸槳出入水及通氣狀態示意圖2如下：

圖2 半浸槳出入水及通氣狀態圖

1.3 附體阻力小

半浸槳推進的船舶在高速航行時，水線只穿過其槳葉的槳轂處，僅部分槳葉、舵板和少許本體接觸到水，其本體大部分及其油缸支架等都在水面以上，航行時裝置的附體阻力大大減小。與傳統的全浸沒螺旋槳推進相比，半浸槳推進可以削減約50%的水下附體阻力。

1.4 船機槳特性好

半浸槳推進裝置的船艇在航行時，可以通過縱傾油缸調節槳葉的浸深使其在水面附近運轉半浸槳推進的船艇允許在選擇槳葉時存在一定的范圍，相同型號的半浸槳葉也可適應于多種船艇的不同航行工況。半浸槳推進裝置使用轉舵油缸可直接操作驅動裝置本體，通過改變槳葉的推力與船體運動方向間的夾角，產生矢量推力，替代普通船艇的舵的功能，大大提高了船艇航行的機動性和靈活性。

1.5 淺水適應性強

半浸槳推進裝置的特殊工作形式，使其在航行時槳葉的吃水只到直徑的一半，在淺水域通過調節裝置縱傾油缸，甚至可使裝置本體及槳葉完全脫離水面，這大大提高了半浸槳推進船艇的淺水適應性，使其在較淺吃水的水域可正常航行。

2 半浸槳推進裝置的槳葉特征

半浸槳是一種特殊的螺旋槳，槳葉在高速運轉時是交替出入水的，槳葉大多采用四到六葉槳設計。如前所述，半浸槳工作時會產生“通氣”現象[4]，可大大減少半浸槳表面的空泡剝蝕現象，其結構與常規的螺旋槳相比主要有以下四點顯著不同：

（1）槳葉形狀不同，半浸槳槳葉形狀為凹型楔狀，半浸槳導邊尖銳，隨邊形狀為一條直線，常規螺旋槳的槳葉末端連線通常圓形過渡，導邊隨邊皆為圓弧形。

（2）最大厚度位置不同，半浸槳的剖面通常采用超空泡型剖面（或在此基礎上改進），槳葉剖面的最大厚度靠近隨邊，常規螺旋槳的最大厚度則一般靠近導邊。

（3）存在“杯形”結構，該結構通常位于半浸槳的隨邊，朝向葉面，該結構除可以增加槳葉的結構強度之外，還可以在半浸槳隨邊附近產生額外的升力。

（4）螺距比不同，半浸槳在設計時一般采用較大的螺距比，通常都大于1，而常規螺旋槳的螺距比一般都小于1，而這一點也與槳葉的直徑設計相對自由有較大關系。

圖3 典型的半浸槳設計

此外，半浸槳高速運轉時的反復出入水，屬于典型的槳葉疲勞工作狀態[5]，其槳葉的槳轂和葉根部需能承受較大的偏心和交變載荷，這里對槳葉的設計強度和材料性能提出了新的要求[6]。半浸槳運轉中，槳葉依次與水面成一定角度的楔形狀入水，槳葉與水面形成沖擊，而出水時卻無此沖擊產生[7]；此外，槳葉出入水時的通氣程度不同，槳葉入水時逐漸通氣，而出水時則瞬間通氣，通氣時間不一致[8]；以上兩點造成了半浸槳在運轉中的垂向力的顯著存在，且隨著船艇航速和半浸槳轉速的升高而加大。半浸槳垂向力的存在[9]給推進裝置的縱傾油缸設計帶來了技術難度，同時對船艇的縱向穩定性和快速性產生影響。

3 半浸槳推進裝置的結構特征

半浸槳推進裝置的結構緊湊，主要由驅動裝置本體、半浸槳葉、操縱油缸和液控系統組成。半浸槳推進裝置的結構示意圖如圖4所示：

圖4 半浸槳推進裝置結構示意圖

半浸槳推進裝置結構中，轉舵油缸、縱傾油缸油路分別與液壓單元相連，油缸本體與驅動裝置本體及船艇尾板相連，軸系安裝在本體支架內，軸系的一端與半浸槳葉固定連接，一端與球座內十字萬向節連接；艙內齒輪箱通過萬向傳動軸與輸入軸連接法蘭相連，連接法蘭與輸入軸相連，輸入軸與球座內十字萬向節的另一端相連，舵板安裝在于本體支架的底部，軸系兩端設有推力軸承及密封裝置，液控系統各零部件根據船艇布置安裝。

4 半浸槳推進裝置的產品應用情況

4.1 半浸槳推進裝置產品國外應用情況

半浸槳推進裝置在近三十年間才得以廣泛應用，目前世界上具有成熟半浸槳產品的公司并不多，比較著名的有：美國Twin Disc 公司生產的ASD 系列、法國France Helices 公司生產的SDS 系列、德國ZF 海事集團生產的SeaRex 系列和新西蘭Seafury International公司生產的Seafury 系列產品。其他如德國的Levi Drive 和Trimax Drive 公司、意大利Flexi Drive 和SPEED MARINE 公司、新西蘭Q-SPD 公司、英國Kort Propulsion 公司也推出了相關半浸槳推進裝置產品，但規模較小，產品系列相對不全。

圖5 國外半浸槳推進裝置典型品牌外形圖

4.2 半浸槳推進裝置產品國內應用情況

國內半浸槳推進裝置的研究和應用以中國船舶科學研究中心的BTZ系列產品取得較大進展，形成了比較完整的從BTZ-600 到BTZ-18600 共10 個型號、主機功率覆蓋100kW 到2000kW 范圍的全系列產品。另外，武漢勞雷綠灣公司推出的MSD 系列、珠海和裕豐公司推出的HSD 系列和深圳海斯比公司推出的CSD 系列半浸槳推進裝置也代表了國內半浸槳產品的持續發展力量。

圖6 國產半浸槳推進裝置產品外形圖

5 結語

近年來，伴隨著我國海洋維權意識的不斷深化，特別是新一輪軍改的推進，在面對與周邊鄰國領海與海洋權益爭端愈演愈烈的態勢下，海上護漁、執法、緝私、維權以及發展島際間交通運輸越來越受重視，我國對更加先進、高速和快捷的高速船艇需求也越來越迫切。國內半浸槳產品已在可靠性和耐久性方面進行了工程技術突破，且取得了市場應用，對打破國內半浸槳配套國外產品壟斷具有重要意義。