國產吊艙推進器實船安裝技術研究

摘" " 要：吊艙推進器是一種成熟且先進的電力推進系統。國外的吊艙推進器技術仍然占據主力地位，我國大功率吊艙推進器技術尚未真正實現實船應用。當前，我國受外國技術封鎖日益嚴峻，迫切需要掌握吊艙推進器國產化技術，實船運用國產吊艙推進器。本文結合某智能型無人母船，對國產吊艙推進器首次實船安裝進行技術研究。

關鍵詞：國產吊艙推進器；艙內回轉模塊；水下結構物；密封

中圖分類號：U671.91+1 " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

Research on Installation Technology of Domestic"Podded Propeller on Real Ships

LAI Keyu，" MA Qiang，" ZHUO Ningning，" WU Demei

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuiding Co.， Ltd.，" Guangzhou 510715 ）

Abstract： The podded propeller is a mature and advanced electric propulsion system. The foreign podded propeller technology still occupies main position， the Chinese large power podded propeller technology has not been applied in real ships. Due to the increasingly severe international situation of technical blockade， currently it is urgent to master the domestic technology of podded propeller and utilize the domestic podded propellers on real ships.This paper carries out technical research about installation of the fist domestic podded propeller on an intelligent unmanned mother ship.

Key words： domestic podded propeller;" cabin slewing module;" uderwater structural object;" seal

1" " 前言

與傳統的軸系推進裝置相比，吊艙推進器沒有復雜的傳動機械、主軸與舵機等設備，不僅提高了船艦的艙室利用空間，簡化了系統的復雜度，擺脫了傳統配置對船體設計的各種重大束縛，更能免除這些機械無法避免的噪聲、振動等問題；用吊艙推進器控制船艦行進方向也遠比傳統的船舵靈活，船艦回轉半徑大幅縮小；省去大批復雜機械后，綜合電力推進系統的購置與維修成本、故障率、系統復雜度等皆可大幅降低。基于以上優點，吊艙推進器在民用船舶和軍用艦艇上的應用范圍不斷擴寬。在民用船舶領域，如英國建造的排水量160 000 t的“海洋綠洲”號游輪、我國4 000 t“科學號”海洋科考船等；在軍用領域，如法國兩棲攻擊艦、意大利海軍護衛艦等，均采用了吊艙推進器。

目前，國內外船舶市場上，吊艙推進器基本被ABB、GE、KAMEWA、Siemens等外國公司壟斷，其產品可靠性高：

ABB公司的Azipod推進器，主要有標準式、緊湊式和對轉式三種型式：標準型Azipod輸入功率為5～30 MW，配有風冷電動機和通風系統用來循環及冷卻空氣，采用帶有滑油和條件控制的軸承系統，保證軸承和密封系統的使用壽命和可靠性，推進電動機可采用大功率同步電動機，也可采用小功率的異步電動機；緊湊型Azipod輸入功率為400 kW～5 MW，適用于小功率等級。

KAMEWA公司的吊艙推進器為Mermaid系列，分為牽引式、頂推式和高推力頂推式三種結構形式，功率范圍為5～25 MW；推進電機的定子燒嵌在吊艙壁上，利用周圍海水的對流冷卻電機，減小了結構尺寸，提高了水動力效率；Mermaid系列吊艙推進器的螺旋槳、軸封甚至整個吊艙，都可以在水下進行拆換。

Siemens公司的吊艙推進器為SSP系列，功率范圍為5～30 MW，采用雙螺旋槳形式，分別裝在加長軸的兩頭；電機使用的是永磁電動機，結構緊湊，和傳統的同步電動機相比，直徑減少40%、質量減少15%，使得螺旋槳的支撐軸和螺旋槳直徑之比位于35%～40%之間。

國產吊艙推進器的研制及應用尚處于起步階段，從2007年開始，先后實現了400 kW、2 MW高效緊湊型吊艙推進器的研制和5 MW級高效緊湊型吊艙推進器的系列化工作，但尚未開展10 MW級中大功率吊艙推進器的詳細研究。2022年，2 MW國產吊艙推進器首次安裝于某智能型無人系統母船上。本文結合某智能型無人系統母船，對國產吊艙推進器的實船安裝進行技術研究。

2" " 吊艙推進器組成

國產某智能型無人系統母船，采用中國船舶集團704研究所設計的吊艙推進器，安裝于艉部主推進器艙內，單臺額定功率1 950 kW，額定轉速285 r/min，共兩臺。該吊艙推進器為國內首臺安裝于實船上的大功率吊艙推進器，外形如圖1所示。

借鑒國際上成熟的設計方案，該國產吊艙推進器同樣由艙內回轉模塊、水下結構物兩大部分組成，具有集成度高的優點。其中：艙內回轉模塊尺寸約為2754 mm×2 624 mm×2 278 mm，重量約為9 600 kg；水下結構物尺寸約為4 750 mm×1 900 mm×2 565 mm，重量約為21 000 kg。

2.1" "艙內回轉模塊

艙內回轉模塊，主要集成了船體連接法蘭板、回轉支撐軸承、滑環裝置、回轉機構、舵角反饋裝置、潤滑系統、泄漏回收系統：

1）船體連接法蘭板

法蘭板作為推力傳遞點，其下端與船體基座相連接，上端承載回轉支承機構，并固定了回轉模塊上所有機械部件，屬于高強度部件；

2）回轉支撐軸承

回轉支承軸承為滾動球軸承，由外圈滾槽、內齒圈、滾珠和驅動小齒輪等組成，用來帶動水下結構件實現360°旋轉，同時把槳葉推力傳遞至船體；回轉支承軸承的齒面經過硬化處理，同時采用油脂進行潤滑，可防止齒面磨損；

3）滑環裝置

滑環裝置屬于關鍵部件，主要把船體的動力電源傳遞到水下可360°回轉的同步永磁變頻電機，具有較高的可靠性、耐磨性和散熱特性；滑環裝置可把水下電機和密封的運行狀態信號傳遞至控制監控系統；滑環裝置頂部具有一個配油器，連接船艙內的潤滑管路系統和泄漏回收系統至水下旋轉部件；

4）回轉機構

回轉機構采用2套驅動裝置，均可以獨立運行，一套發生故障，另一套可以降速運行；回轉機構采用行星齒輪驅動內齒圈形式，回轉電機通過行星齒輪箱驅動回轉小齒輪，回轉小齒輪驅動內齒圈帶動水下結構物回轉；

5）舵角反饋裝置

滑環裝置內部動環連接舵角機械反饋指針，刻度板固定在殼體上，可以對舵角的實時位置進行反饋指示；同時動環驅動一個電位計，可把機械舵角信號變成電信號，反饋至舵角控制系統；

6）潤滑系統

潤滑系統包含潤滑箱、閥件和管路等，可對回轉齒輪、回轉支承軸承、回轉密封、水下電機軸承、水下密封系統等補充潤滑介質；潤滑箱內設置有液位報警開關，可對潤滑介質液位進行自動監控；

7）泄漏回收系統

泄漏回收系統包括壓力氣源、管路和傳感器；水下結構物內腔充滿一定氣壓，推進電機殼體底部、艉密封泄漏回收處等受到氣壓作用，將泄漏物壓回艙內至收集瓶中實現回收。

2.2" 水下結構物

水下結構物主包含槳葉、推進電機軸、艉密封裝置、推進電機軸承、推進電機本體、鋅塊、螺旋槳割刀、吊柱組件：

1）槳葉

槳葉為整體鑄造件，槳葉形式為固定螺距，槳葉與槳軸之間為無鍵連接，材料為鎳鋁青銅，并按照ISO484/1 Ⅰ級標準制造，直徑為2 350 mm；

2）推進電機軸

推進電機軸與螺旋槳軸共軸，電機軸材料為鍛造優質合金鋼；

3）艉密封裝置

艉密封裝置為端面密封和橡膠密封的組合結構。此密封結構具有較好的環境適應性和可靠性，同時密封裝置具有泄漏回收系統，滿足驅動電機的可靠性要求；

4）推進電機軸承

推進電機軸通過一對調心推力滾子軸承和1個滾子軸承支撐于電機腔內：推力調心滾子軸承能夠將螺旋槳產生的推力傳遞至船體；滾子軸承能夠支撐槳端產生的徑向載荷，軸承選用合適的潤滑介質，保證軸承的使用壽命；

5）推進電機本體

推進電機為同步永磁變頻電機，電機定子與水下結構件外殼體固定，轉子安裝在螺旋槳軸上直接驅動槳葉，電機靠周圍海水進行冷卻；

6）吊柱組件

吊柱組件一端聯接于回轉模塊，將水下結構物懸掛于船體；另一端聯接于推進模塊，將螺旋槳產生的推力載荷傳遞至船體。

與ABB公司緊湊型Azipod推進器的先進設計相似，國產2 MW拖式吊艙推進器同樣具備獨立推進模塊、結構緊湊、操縱靈活的特點，其操縱性和耐波性優良，對船舶振動噪聲及水下噪聲影響較小，整體性能已達到國外先進水平；同時，國產2 MW拖式吊艙推進器設計過程中緊跟國內船舶智能化、無人化發展方向，結合了船舶操縱中自主航行、遠程遙控的要求，智能化更優于國外吊艙推進器，在智能領域中擁有先發優勢。

3" " 吊艙推進器安裝關鍵技術

吊艙推進器按結構分為兩大組成部分：艙內回轉模塊，安裝于船體內；艙外水下結構物，安裝于船體外，長期運行于水線以下，如圖2所示。其中：艙內回轉模塊，一方面承擔動力電、信號電、氣體、流體等能量與介質傳輸，另一方面承擔轉舵功能；水下結構物，承擔推進功能，將螺旋槳產生的推力傳遞至船體，驅動船體運動。因此，吊艙推進器安裝工作，主要包含艙內回轉模塊安裝、艙外水下結構物與回轉模塊對接。

艙內回轉模塊與水下結構物集成度都很高，與傳統推進系統相比，安裝步驟較少，這是吊艙推進器的優勢所在，但同時需解決艙內回轉模塊進艙路線、精準定位，水下結構物長期浸泡海水帶來的密封問題。

在某智能型無人系統母船的國產吊艙推進器的安裝過程中，船體基座的平面度和船體筒體圓度要求與國外先進吊艙的安裝要求一樣高，面臨的挑戰是國產首臺2 MW功率的吊艙研制時間長且需要大幅縮短船舶建造周期。為此，我們采用了轉階段安裝法，通過工序分解并前移的方式，在控制加工精度的前提下進行安裝；與國外吊艙水下部分定位吊裝不同的是，我們開發了一種特殊導向桿進行定位安裝，極大地減少了吊艙水下部分的安裝周期，與傳統的零位置對中方法不同。本次國產吊艙安裝中，滑環上下動力電纜和管路（潤滑、壓縮及排污）的成功對接是關鍵，也是吊艙正常穩定運行的前提條件。

3.1" "艙內回轉模塊安裝

艙內回轉模塊的精確安裝，決定了吊艙推進器高度及角度，而艙內回轉模塊通過船體連接板安裝于船體基座，因此船體基座不僅船體連接板需進行接口匹配，而且要保證船體基座上平面的精度。

某智能型無人系統母船對于船體基座上平面，要求兩個基座中心位置左右偏差不大于3 mm，上下偏差不大于5 mm，且基座上平面為水平，與水平面夾角不大于0.15 °，同時單個基座上平面要求如圖3所示。

針對艙內回轉模塊尺寸較大，同時船體結構搭載周期緊張等難題，某智能型無人系統母船采用轉階段安裝法：

1）預制作艙內回轉模塊船體基座（包含筒體及法蘭面板）、筒體一次成型，法蘭面板下料厚度為75 mm，處于分段零件制作階段；

2）將船體基座安裝于推進器間內，對法蘭面板進行矯平加工，加工完成后厚度不小于70 mm，同時推進器間頂部預留4 m×4 m（船寬×船長）工藝孔，處于分段組立階段；

3）推進器間所屬分段與相鄰分段搭載完成時，對艙內回轉模塊船體基座上法蘭面板進行精加工，加工后法蘭面板水平度誤差不大于0.25 mm，粗糙度誤差不大于3.2，面板厚度不小于60 mm，處于船臺階段；

4）艙內回轉模塊整體從預留工藝孔內吊入推進器間內，并移位至船體基座上，同時以船體連接法蘭板上艏向螺栓貫穿孔進行定位，保證艙內回轉模塊位于吊艙推進器零位狀態，船體連接法蘭板與船體基座通過M30×60螺栓進行緊固，處于船臺階段。

3.2" "回轉模塊與水下結構物對接

吊艙推進器回轉模塊與水下結構物對接安裝，是所有安裝工作中最重要、最關鍵環節，直接關系吊艙推進器安裝質量和后期使用狀態。本環節主要關鍵點體現在機械本體對接、電纜對接和管路對接。

1）機械本體安裝

水下結構物模塊（含吊柱組件、推進電機、艉密封裝置、螺旋槳、割刀等）呈圓柱狀，重達21000 kg，本體上無吊耳，必須使用工裝架進行固定后吊裝，如圖4所示。安裝時，處于船臺階段，無法使用吊機，故采用船體外板處設置多處臨時工裝吊碼，保證水下結構物模塊可船艏向、垂直向移動。

吊裝水下結構物時，因船體基座筒體底端距艙內回轉模塊下平面較遠，整體無法根據艙內回裝模塊對接螺栓進行定位。針對這個問題，ABB公司緊湊型Azipod推進器設計時，在水下結構物法蘭連接面處設計了零位線，對水下結構物起吊過程要求嚴格，耗費工時較長。

在某智能型無人系統母船上，船廠設計了新的安裝方案，采用了設置參照物的辦法，開發了一種特殊導向桿，如圖5所示。此四根導向桿替換艙內回轉模塊與水下結構物部分對接的其中四個螺柱，并以船艏向及左右舷向對稱分布于艙內回轉模塊下端面，對水下結構物起定位作用；導向桿的下端是錐形，便于水下結構物起吊對接時，沿著導向桿往上垂直移動；導向桿的長度必須滿足在船底外板外可視；為保證水下結構物始終保持于零位狀態，垂直向上吊裝時，將槳葉方向朝向船艏，且吊柱組件上法蘭面螺栓孔與回轉模塊螺栓孔對齊。

吊艙推進器作為集成度高的推進系統，水下結構物安裝于海水中，如何更好地解決密封問題與推進電機的安危息息相關，直接影響整個吊艙推進器的穩定性和可靠性。鑒于此，某智能型無人系統母船針對密封采取了如下措施：

（1）各法蘭密封面均勻涂抹密封膠

在艙內回轉模塊下落于船體基座法蘭面上前，于船體法蘭面上均勻涂抹樂泰518平面密封膠，其全固時間為24小時，同時保證艙內回轉模塊貼合船體基座后，平面密封膠從密封面溢出。

在水下結構物部分起吊與艙內回轉模塊對接前，于水下結構物吊柱頂面法蘭上均勻涂抹樂泰518平面密封膠，其全固時間為24小時，同時保證水下結構物部分與艙內回轉模塊對接后，平面密封膠從密封面溢出。

（2）各安裝螺栓雙重防松

艙內回轉模塊船體連接法蘭板與船體基座連接的緊固螺栓M30，涂抹樂泰277螺紋緊固劑（高強度），30分鐘初步固化，12小時全固；φ1.5不銹鋼鋼絲貫穿防松。

艙內回轉模塊與水下結構物部分連接的緊固螺柱M30，涂抹樂泰277螺紋緊固劑（高強度），30分鐘初步固化，12小時全固；φ5不銹鋼鋼絲焊接防松。

回轉模塊封板與艙內回轉模塊連接的緊固螺柱M12，采用涂抹樂泰243螺紋緊固劑（中等強度），10～20分鐘初步固化，24小時全固；φ1.5不銹鋼鋼絲焊接防松。

（3）關鍵部位設置擋流板

艙內回轉模塊與水下結構物連接處設計圓形封板，封板底端與船體外板線性一致，減緩海水對連接處直接沖擊；推進電機前端艉密封裝置外設計圓筒形擋流板，減緩海水對艉密封直接沖擊。

（4）采用成熟艉密封方案

推進電機前端艉密封形式為兩道唇形密封配合機械端面密封，唇形密封與端面密封之前的腔體設計了2個泄漏通道，該腔體受壓縮空氣作用，長期處于保壓狀態；如該腔體內有浸水，則浸水通過泄漏通道被壓出至回轉模塊內的收集罐中，以此達到密封作用，避免推進電機受浸水影響。

艉密封結構示意圖，如圖6所示。

2）動力電纜連接

吊艙推進器推進電機動力線纜共15根，電機動力電纜與滑環裝置出線端通過銅牌和接線頭連接，如圖7、8、9所示。

機械本體對接完成后，進入艙內回轉模塊中心處，分別將電機U/V/W項的動力電纜通過M12的螺栓連接到滑環裝置的出線端U/V/W銅牌上，每項為5根電纜，銅牌的連接孔見圖10所示（電纜和銅牌連接好后，先用硅橡膠將各電纜之間的縫隙堵好）。

電纜通過螺栓安裝擰緊，檢查無誤后，纏硅橡膠自粘帶，從銅牌下端約8 cm處向上開始纏繞，每圈壓住上一圈的1/2（半迭包），一直纏繞到將銅牌全部包裹，共纏繞8層，然后纏無堿玻璃絲帶；從銅牌下端的橡膠自粘帶處向上開始纏繞，每圈壓住上一圈的1/2（半迭包），一直纏繞到將銅牌全部包裹，共纏繞2層，刷環氧樹脂膠。

3）管路連接

電機動力電纜連接完畢后，方可進行連接潤滑、排污管路。滑環裝置上下管路對接，如圖11所示；管路接口表，如表1所示。

對接前采用樂泰755清洗劑清洗油管和滑環油口接頭，管路接頭涂抹樂泰243螺紋緊固劑；將各油管依次連接到滑環裝置下端對應的油口上并擰緊，即可完成管路連接工作。

3.3" "安裝成果

某智能型無人母船長約 88 m，型寬約 14 m，設計吃水約 3.7 m，設計排水量約 2 100" t。2 臺全回轉吊艙推進器成功安裝于該船，實現了在深水中航行。當海況不大于 2 級、風力不大于蒲氏 3 級、潮流平緩、船體光潔時，在設計排水量下，最大航速不小于 18 kn，經濟航速約 13 kn。

4" " "結束語

目前國內船舶市場上，吊艙推進器仍由外國各大品牌所把持，國產吊艙推進器尚未建立品牌效應，缺少實船運用經驗，無法獲得用戶關于國產吊艙推進器的實船使用反饋。在當前嚴峻的技術封鎖情勢下，掌握國產吊艙推進器技術迫在眉睫，對我國船舶制造業有著極為深遠的意義。

參考文獻

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