杜鵬 柳德君

摘 要：6000T半潛船是中交三航局開發(fā)的新一代半潛船，該船配套的舵槳推進器由本公司設(shè)計提供。文章對半潛船特殊作業(yè)工況和項目實際情況進行了綜合分析，在此基礎(chǔ)上對舵槳推進器內(nèi)部的密封組件進行了特殊設(shè)計，并總結(jié)了該船型配套舵槳推進器內(nèi)部密封設(shè)計要點，實際證明該設(shè)計方案是安全可行的。

關(guān)鍵詞：半潛船；舵槳推進器；空氣密封裝置；內(nèi)部密封設(shè)計要點

1 概述

半潛船[1]是指在裝卸作業(yè)時船體絕大部分可以潛入水下，而航行時處于正常吃水狀態(tài)的一種特殊船型。與常規(guī)貨船相比，半潛船有其獨特的貨物裝載方式，裝卸作業(yè)時的下潛和上浮均靠打入壓載水和排出壓載水來完成。舵槳推進器可通過操縱轉(zhuǎn)舵機構(gòu)使螺旋槳圍繞垂直的中間立柱做360°任意方向旋轉(zhuǎn)，是集推進和操舵功能于一體的特種推進器。由于舵槳下部組件及槳葉全部在海水中工作，因此其內(nèi)部密封組件性能至關(guān)重要。6000T半潛船項目配置的舵槳推進器由本公司設(shè)計并提供，由于該船作業(yè)模式復雜，作業(yè)工況與常規(guī)船型有所區(qū)別，常規(guī)密封方案無法滿足設(shè)計要求，舵槳內(nèi)部密封方案需特殊優(yōu)化設(shè)計。

2 設(shè)計概況

2.1 船體基本參數(shù)（如圖1）

船長： 65M

型寬： 36.8M

型深： 5.4M

設(shè)計吃水： 4.2M

最大沉深： 22M

推進器布置： 雙機雙槳

原動機類型： 變頻電機

功率/轉(zhuǎn)速： 750KW/1000rpm

舵槳型號： NRP100

船級社： CCS

2.2 舵槳內(nèi)部密封設(shè)計工況分析

舵槳內(nèi)部密封主要包括兩種結(jié)構(gòu)形式：O型圈密封和唇口密封，其中O型圈密封形式為壓縮靜態(tài)密封，唇口密封形式則為旋轉(zhuǎn)動態(tài)密封。密封件主要作用是在舵槳正常運行過程中防止外部海水進入舵槳推進器內(nèi)部和防止內(nèi)部潤滑油泄露至外部海水中，起到隔絕海水和潤滑油的目的。

半潛船通常配置DP系統(tǒng)（Dynamic Positioning System），用于船舶下潛或上升運行模式下驅(qū)動舵槳保證船體定位精度。半潛船在半潛作業(yè)時吃水較深，同時由于船舶作業(yè)時吃水深度和位置調(diào)整頻繁，導致舵槳內(nèi)部動密封裝置內(nèi)的唇口和襯套之間的間隙會頻繁發(fā)生變化，在此過程中密封由于舵槳槳葉高速推進和頻繁轉(zhuǎn)舵的使用工況致使密封唇口變形發(fā)熱和過度磨損，使得密封使用壽命減少和發(fā)生泄漏。該項目在設(shè)計時應(yīng)充分考慮該舵槳推進器兩種吃水模式情況：一種在巡航模式，吃水深度為4.2米；另一種為半潛模式，吃水深度為22米。

2.3 舵槳內(nèi)部密封設(shè)計方案

2.3.1 動密封方案

根據(jù)項目船舶設(shè)計要求及實際舵槳運行工況綜合分析，舵槳推進器NRP100最終選用了荷蘭IHC公司的Supreme空氣密封組件，通過圖2、圖3可看出常規(guī)密封系統(tǒng)和配置空氣單元Supreme密封系統(tǒng)中動密封承受壓力之間的區(qū)別，常規(guī)密封系統(tǒng)中動密封兩側(cè)壓力差在船舶作業(yè)中無法有效調(diào)節(jié)，隨船舶吃水深度變化密封兩側(cè)壓力變化明顯，無法長時間保證有效工作狀態(tài)，而空氣單元密封系統(tǒng)中動密封內(nèi)側(cè)的壓力隨著吃水的變化時刻進行動態(tài)調(diào)節(jié)，保證密封兩側(cè)壓力平衡，密封狀態(tài)安全有效。

圖2常規(guī)密封系統(tǒng)

圖3空氣單元密封系統(tǒng)

Supreme密封系統(tǒng)主要包括空氣控制單元1、轉(zhuǎn)舵密封組件和艉密封組件2和回收裝置3，具體參見圖4。

高壓空氣通過空氣控制單元調(diào)節(jié)減壓后進入轉(zhuǎn)舵密封和艉密封組件，然后回至外部放置的回收裝置中，系統(tǒng)內(nèi)部多余空氣可通過底部艉密封裝置上的單向閥排出至海水中，從而達到整個系統(tǒng)壓力平衡，相關(guān)工作原理可參見圖5。

密封系統(tǒng)中各組件功能介紹如下：空氣控制單元1主要功能是將船上的密封裝置的進氣壓力減至與海水壓力相同的水平，減壓過程是通過控制箱內(nèi)的元件進行自動控制完成的，原理是將船舶吃水壓力變化轉(zhuǎn)化成空氣流量信號，根據(jù)流量變化來調(diào)節(jié)單元內(nèi)部空氣控制閥的閥芯位置，從而達到控制密封組件內(nèi)部壓力的目的。空氣控制單元通常要求進氣壓力在7-10bar，根據(jù)該項目最大半潛吃水22米設(shè)計要求，將控制單元內(nèi)控制閥組空氣出口壓力最高設(shè)定為2.2bar。

轉(zhuǎn)舵密封和艉密封裝置2主要作用是保證舵槳在轉(zhuǎn)舵過程和螺旋槳推進過程起密封作用，隔絕外部海水與舵槳內(nèi)部潤滑油。其中艉密封裝置單獨配置了Supreme ventus閥組，該閥組為單向閥組，安裝在艉密封密封殼體外部，直接接觸海水，其主要作用是將部分多余空氣排放至海水中，時刻保證密封兩端的壓力均衡。根據(jù)項目要求選用轉(zhuǎn)舵密封裝置SE-400，內(nèi)孔直徑370mm；艉密封裝置SVA-190，內(nèi)孔直徑170mm。

回收裝置3作用是將少量空氣從空氣密封艙排出，形成一個有效的排水系統(tǒng)，任何進入密封內(nèi)的海水或油都會被內(nèi)部空氣排入回收裝置內(nèi)，其密封系統(tǒng)工作狀態(tài)可以通過定期采樣進行監(jiān)測。根據(jù)項目要求選用回收裝置容積為10L。

2.3.2 靜密封方案

常規(guī)船型配置的舵槳中上齒輪箱和頂部油箱與機艙大氣相通，內(nèi)部無滑油，因此O型圈承受壓力可忽略不計，而舵槳井箱及下部齒輪箱內(nèi)部充滿潤滑油，O型圈承受一定的滑油壓力和海水壓力。因此常規(guī)船型配置的舵槳靜密封O型圈受壓特點是從上至下壓力逐漸變大。

半潛船配置的舵槳配置Supreme空氣密封組件，該裝置要求舵槳上齒輪箱和頂部油箱與機艙大氣隔絕密封，并需將控制單元閥組出口處的空氣與舵槳頂部油箱聯(lián)通，因此該項目中舵槳上齒輪箱及頂部油箱內(nèi)O型圈最高承受壓力為2.2bar，與空氣控制單元出口處的空氣壓力相同，而舵槳井箱及下部齒輪箱內(nèi)部O型圈至承受內(nèi)部潤滑油壓力，半潛船型配置的舵槳靜密封O型圈受壓特點是從上至下壓力逐漸減小，因此舵槳上部O型圈在設(shè)計時一定要求注意壓力分布特點和最高承受壓力。

3總結(jié)

根據(jù)半潛船作業(yè)工況的特殊性，配套舵槳推進器內(nèi)部可采用空氣密封組件裝置來保證密封的安全與可靠性，設(shè)計時應(yīng)注意空氣控制閥調(diào)節(jié)后的空氣壓力應(yīng)與吃水深度產(chǎn)生壓力相等。

常規(guī)舵槳推進器內(nèi)部靜密封件受壓特點是從上至下壓力逐漸增大，而半潛船推進器配置空氣密封單元后，內(nèi)部靜密封件受壓特點變?yōu)閺纳现料聣毫χ饾u減小，在密封設(shè)計過程中需充分考慮兩者區(qū)別。

4 結(jié)束語

目前該項目舵槳前期已順利通過船級社船檢和船東驗收，在后續(xù)試航和實船應(yīng)用中該舵槳密封系統(tǒng)顯示出高效、安全和穩(wěn)定的良好工作狀態(tài)，充分證明該舵槳推進器內(nèi)部密封方案設(shè)計是成功的（如圖6所示）。文章通過對半潛船舵槳推進器內(nèi)部密封設(shè)計要求分析，結(jié)合與常規(guī)舵槳密封設(shè)計要求對比，總結(jié)出相關(guān)舵槳推進器內(nèi)部密封系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗。目前國內(nèi)相關(guān)類似案例較少，有很大的參考意義。

參考文獻

[1]黃蓓蓓，于洋.半潛船發(fā)展歷史與展望[J].中國水運，2010（1）：4-6.

[2]孫化棟.淺析空氣式尾軸密封[J].天津航海，2006（4）：16-18.

作者簡介：杜鵬（1981，8-），男，南京人，2006年畢業(yè)于山西太原科技大學機械設(shè)計及自動化專業(yè)，研究生?，F(xiàn)南京高精船用設(shè)備有限公司工作，工程師。

柳德君（1987，9-），男，南京人，2010年畢業(yè)于華中科技大學機械設(shè)計及自動化專業(yè)，本科，現(xiàn)南京高精船用設(shè)備有限公司工作，工程師。