鄭安賓，許汪歆，梁金雄，田忠殿，鄭 建

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

吊艙式電力推進(jìn)器（POD），簡稱“吊艙推進(jìn)器”，是近年來發(fā)展起來的一種新型的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。2 0 世紀(jì)80 年代，芬蘭K vaer n er Masa-Yards（KMY）船廠和ABB公司聯(lián)合開發(fā)了世界上第1臺吊艙推進(jìn)器（Azipod）。該型式的推進(jìn)器是一個(gè)延伸在船體后半部下面的裝于一個(gè)類似吊艙結(jié)構(gòu)中的電力推進(jìn)單元，能進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。電力推進(jìn)單元包含1臺推進(jìn)電機(jī)，直接驅(qū)動（定距）螺旋槳。推進(jìn)電機(jī)由變頻器控制，使電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行速度范圍內(nèi)達(dá)到滿轉(zhuǎn)矩。20世紀(jì)90年代初，安裝Azipod推進(jìn)器的近海船“Selli”號和破冰油輪“Uikku”號在試航過程中取得令人滿意的效果后，吊艙推進(jìn)器開始引起人們的關(guān)注，并迅速發(fā)展起來。

吊艙推進(jìn)器從提出概念發(fā)展到目前，已有多種結(jié)構(gòu)布置形式。本文根據(jù)相關(guān)資料和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將吊艙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)劃分為以下幾部分：回轉(zhuǎn)模塊、吊柱模塊和推進(jìn)模塊，其結(jié)構(gòu)組成見圖1[1]。目前，國外吊艙推進(jìn)器生產(chǎn)商主要有ABB、Kongsberg、Siemens和GE等公司，推進(jìn)功率已達(dá)到30 MW級，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于海工平臺、豪華郵輪、液化石油氣船、科考船及破冰船等高技術(shù)含量船舶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010—2020年，在建造交付的船舶中，吊艙推進(jìn)器裝船總功率超過了3 000 MW。

圖1 吊艙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)組成示意圖

1 吊艙推進(jìn)器的特點(diǎn)

吊艙式電力推進(jìn)器突破了原動機(jī)加開放式的傳動軸系形式，因此與傳統(tǒng)的推進(jìn)方式相比，在船舶設(shè)計(jì)、性能、制造及維護(hù)等方面具有諸多特點(diǎn)，現(xiàn)將其優(yōu)點(diǎn)[2-4]和缺點(diǎn)[5-6]歸納如下。

1）空間配置靈活，節(jié)省艙容

吊艙推進(jìn)器與軸系推進(jìn)裝置相比，取消了艙內(nèi)軸系及其傳動附件，發(fā)電機(jī)組通過配電板、變壓器以及變頻器等為推進(jìn)電機(jī)提供動力。因此，動力裝置可在機(jī)艙整個(gè)空間內(nèi)立體布置，既方便靈活，又充分利用了機(jī)艙艙容，為船體設(shè)計(jì)，尤其是船艉和集控室部分的設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

吊艙推進(jìn)器與Z型全回轉(zhuǎn)舵槳相比，推進(jìn)電機(jī)置于水下的吊艙內(nèi)，艙內(nèi)部分只有轉(zhuǎn)舵裝置、滑環(huán)以及冷卻潤滑系統(tǒng)，因此所需艙容更小。以某4 000 t科考船為例，采用吊艙推進(jìn)器與采用常規(guī)軸系推進(jìn)方案對比，艙容提高了約27%。

2）提高船舶操縱性能

吊艙推進(jìn)器可360°回轉(zhuǎn)，能在任何方向獲得最大推力，實(shí)現(xiàn)船舶原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、急速后退和微速操舵等特殊駕駛操作。

吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的幾十分之一，驅(qū)動時(shí)螺旋槳從全速正轉(zhuǎn)到全速反轉(zhuǎn)最少只需15 s左右時(shí)間。因此，采用吊艙推進(jìn)器相對于常規(guī)推進(jìn)器大約可減少20%的反應(yīng)時(shí)間，全速時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑相對于常規(guī)推進(jìn)器可減少30%左右。經(jīng)實(shí)船測試，某裝備吊艙推進(jìn)器的科考船能夠在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)原地360°回轉(zhuǎn)，在130 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)船速由15 kn降至0。

此外，吊艙推進(jìn)器容易獲得理想的拖動特性，如恒轉(zhuǎn)矩特性、恒功率特性、堵轉(zhuǎn)特性等。

3）提高水動力性能，節(jié)省燃料，經(jīng)濟(jì)性好

目前，吊艙推進(jìn)器從結(jié)構(gòu)形式上分為“L”型和“T”型，從進(jìn)流方向上分為“拖式”和“推式”，從螺旋槳配置上分為“單槳”和“對轉(zhuǎn)槳”。無論吊艙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)形式和配置如何，其水下吊柱橫截面采用“機(jī)翼型”剖面，最大限度的減小附體阻力。通過CFD和水池試驗(yàn)表明，優(yōu)化后的吊艙推進(jìn)器水動力性能比常規(guī)軸系槳提高4%左右。采用吊艙推進(jìn)器，船舶艉部線型可以得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小船體阻力。據(jù)測算，經(jīng)過優(yōu)化后的船型效率比使用常規(guī)軸槳可提高10%～15%。

在非設(shè)計(jì)工況時(shí)，可以根據(jù)負(fù)載的需求量決定并入船舶電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組數(shù)量，使每臺發(fā)電機(jī)都能以較高的效率運(yùn)行，從而減少燃油的消耗。

4）降低噪聲和振動

吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)布置在水下吊艙內(nèi)，不與船體直接連接，更容易滿足螺旋槳與船底間隙的要求。因此，其產(chǎn)生的噪聲和振動比采用常規(guī)推進(jìn)器小。此外，采用“拖式”吊艙推進(jìn)器與常規(guī)推進(jìn)器相比，其進(jìn)流更加均勻，可以減小空泡效應(yīng)，從而降低螺旋槳作用在船底的脈動壓力，降低水下輻射噪聲和船體振動。

目前，采用吊艙推進(jìn)器的科考船，水下輻射噪聲等級可以達(dá)到挪威船級社的SILENT A+S級要求，經(jīng)過優(yōu)化甚至可以達(dá)到F級要求。

5）模塊化程度高，便于安裝和維護(hù)

吊艙推進(jìn)器可以分為3個(gè)模塊：回轉(zhuǎn)模塊、吊柱模塊和推進(jìn)模塊，每個(gè)模塊均可獨(dú)立加工、組裝，然后在船廠完成吊艙推進(jìn)器的總裝。為加快船舶建造進(jìn)度，可先將吊艙推進(jìn)器的回轉(zhuǎn)模塊預(yù)裝于船艙中，當(dāng)船舶下水后將吊艙推進(jìn)器水下部分直接在船外完成安裝。

吊艙推進(jìn)器可以潛水維修，更換艉軸密封、螺旋槳等。對于大功率的“T型”吊艙推進(jìn)器，甚至可以實(shí)現(xiàn)在內(nèi)部進(jìn)行軸承和密封部件的維修與更換。

6）初始成本高

吊艙推進(jìn)器是新型的船舶電力推進(jìn)裝置，為保證吊艙推進(jìn)器的使用性，需對其使用的推進(jìn)電機(jī)、密封裝置、滑環(huán)裝置進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，這大大增加了吊艙推進(jìn)器的投入成本。此外，由于吊艙推進(jìn)系統(tǒng)需要較多的電氣元件，因此相比常規(guī)推進(jìn)其成本也會增加20%～30%左右。

2 吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品及應(yīng)用開發(fā)

自第一臺吊艙推進(jìn)器應(yīng)用以來，經(jīng)過近30年的發(fā)展，吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品已逐漸成熟，廣泛應(yīng)用于各種船舶。目前具有代表性的廠家和產(chǎn)品主要有以下5個(gè)。

2.1 Azipod 推進(jìn)器

ABB公司開發(fā)的吊艙推進(jìn)器為Azipod，目前Azipod推進(jìn)器有緊湊型（Compact Azipod）、標(biāo)準(zhǔn)型（Standard Azipod）、對轉(zhuǎn)型（CRP Azipod）和冰區(qū)加強(qiáng)型4種型式。

緊湊型Azipod包括C系列和D系列（見圖2和圖3），均采用永磁同步電機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)，功率范圍為0.4 MW～7.5 MW。C系列為“L型”結(jié)構(gòu)，推進(jìn)電機(jī)完全依靠外部海水冷卻，而D系列為“T型”結(jié)構(gòu)，推進(jìn)電機(jī)采用混合冷卻技術(shù)，并且結(jié)合了C系列和大功率XO系列的最佳功能，因此能夠?yàn)橛屋?、渡輪等提供?jīng)濟(jì)高效的動力。目前，ABB公司中小功率吊艙推進(jìn)器主要為Azipod D系列。另外，針對高推力要求，ABB公司開發(fā)了一種帶導(dǎo)管的推式吊艙推進(jìn)器，稱為DZ系列，功率范圍2.1 MW～7.5 MW。

圖2 Azipod C系列

圖3 Azipod D系列

標(biāo)準(zhǔn)型Azipod包括MO系列和XO系列（見圖4和圖5），屬于中、大功率吊艙推進(jìn)器。MO系列采用了ABB第四代高效永磁電機(jī)，功率范圍為7.6 MW～14.5 MW，適用于渡輪、客滾船、大型海工平臺、中型游輪和穿梭油輪等。XO系列是針對大功率、開放水域開發(fā)的一款吊艙推進(jìn)器，功率范圍14 MW～22 MW，具有高效、出色的機(jī)動性能和乘客舒適度等特點(diǎn)，適用于渡輪、豪華郵輪等。

圖4 Azipod MO系列

圖5 Azipod XO 系列

對轉(zhuǎn)型Azipod（見圖6）功率范圍為22 MW～90 MW，其形式為在常規(guī)推進(jìn)器的后面同軸布置Azipod推進(jìn)器，這樣可以減小氣穴現(xiàn)象，改進(jìn)推進(jìn)器的水動力性能。對轉(zhuǎn)式Azipod推進(jìn)器主要用于大型貨船和集裝箱船，推進(jìn)效率提高10%～15%。

圖6 對轉(zhuǎn)型 Azipod

冰區(qū)加強(qiáng)型Azipod（見圖7）包括ICE系列和VI系列。ICE系列采用永磁電機(jī)和定距槳，功率范圍2 MW～5 MW，具有出色的破冰性能。VI系列裝置高效交流同步電機(jī)，功率范圍6 MW～17 MW。冰區(qū)加強(qiáng)型Azipod適用于極地科考船、郵輪以及破冰船等，可使裝機(jī)功率減少50%。

圖7 Azipod VI 系列

2.2 Kongsberg 吊艙推進(jìn)器

Kongsberg公司的吊艙推進(jìn)器有4種型式：優(yōu)雅型（Elegance pod）、美人魚（Mermaid pod）、高推力頂推式（High Thrust Pushing Mermaid）和冰區(qū)加強(qiáng)型（Mermaid ICE/HICE pod）。

優(yōu)雅型吊艙推進(jìn)器（見圖8）功率范圍為2 MW～7.5 MW，內(nèi)置高效永磁電機(jī)，經(jīng)CFD和模型水池試驗(yàn)得到了優(yōu)良的水動力性能，并結(jié)合Kongsberg公司的驅(qū)動變頻器和控制系統(tǒng)，可以為客戶提供出色的推進(jìn)和操縱性能。美人魚系列吊艙推進(jìn)器（見圖9）內(nèi)置交流異步或無刷同步電動機(jī)，功率范圍為5 MW～27 MW，螺旋槳為大側(cè)斜式，降低了噪聲和振動。螺旋槳、軸封等部件可以在水下進(jìn)行拆換，因此便于安裝和維修。高推力頂推式吊艙推進(jìn)器（見圖10）內(nèi)置交流異步或同步電動機(jī)，功率范圍為4 MW～11 MW，可實(shí)現(xiàn)水下安裝。

圖8 Elegance pod

圖9 Mermaid pod

圖10 PUSH pod

冰區(qū)加強(qiáng)型吊艙推進(jìn)器針對極地環(huán)境開發(fā)，功率范圍4 MW～18 MW。電機(jī)定子直接燒嵌到殼體上以便于利用周圍海水冷卻，電機(jī)采用PWM控制技術(shù)保證了低速大扭矩穩(wěn)定性能，ICE系列破冰等級達(dá)到了PC4級，并且具有優(yōu)秀的敞水性能，HICE系列破冰等級達(dá)到了PC1級。

2.3 SSP 推進(jìn)器

西門子（Siemens）和肖特爾公司（Schottel）開發(fā)的SSP吊艙推進(jìn)器（見圖11）功率范圍為5 MW～30 MW。SSP推進(jìn)器采用了雙螺旋槳形式，即在同一根軸的兩端都裝有螺旋槳，并且使用了Siemens公司研發(fā)的永磁電動機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)，其優(yōu)勢在于相比傳統(tǒng)的同步電動機(jī)，該永磁電動機(jī)的直徑減少了40%，質(zhì)量減少了15%。SSP推進(jìn)器適用于所有海船。

圖11 SSP 系列

2.4 GE 推進(jìn)器

GE公司開發(fā)的SEAJET吊艙推進(jìn)器（見圖12）配置交流異步電動機(jī)，功率范圍為2.5 MW～22 MW。其特點(diǎn)包括：采用電動轉(zhuǎn)舵、先進(jìn)的軸承技術(shù)，延長使用壽命、采用環(huán)境友好型密封系統(tǒng)，防污染、模塊化設(shè)計(jì)、滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 SEAJET 系列

2.5 S-POD 推進(jìn)器

中國船舶集團(tuán)有限公司第七〇四研究所自2007年開始從事吊艙式電力推進(jìn)器的研發(fā)工作，先后突破了吊艙推進(jìn)器水下密封設(shè)計(jì)、水動力性能及負(fù)載分析、回轉(zhuǎn)高精度控制等關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了“L型”拖式吊艙推進(jìn)器（見圖13），推擠電機(jī)采用永磁電機(jī)，4葉或5葉螺旋槳，推進(jìn)效率達(dá)到了0.62。目前七〇四研究所S-POD系列吊艙推進(jìn)器功率范圍覆蓋0.4 MW～5 MW。

圖13 S-POD 系列

3 結(jié)論

與常規(guī)推進(jìn)相比，雖然吊艙式電力推力具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但仍出現(xiàn)了各種技術(shù)問題。作者對吊艙推進(jìn)器關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向從以下幾個(gè)方面提出了3點(diǎn)意見[7-8]。

1）水下密封技術(shù)。吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)布置在水下的吊艙內(nèi)，為保證推進(jìn)電機(jī)的安全運(yùn)行，水下密封必須可靠。目前國內(nèi)外吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品采用的艉軸密封形式主要有2種：（1）機(jī)械端面密封+唇形密封的形式；（2）采用多道唇形密封的形式。在水下密封設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮冗余度、泄漏回收、應(yīng)急密封以及艙內(nèi)維修。因此，具有自動調(diào)節(jié)內(nèi)外壓差空氣密封系統(tǒng)是今后發(fā)展方向之一。

2）軸承布置及絕緣設(shè)計(jì)。推進(jìn)電機(jī)兩端布置推力軸承和支撐軸承，在軸承布置時(shí)不僅需要考慮外負(fù)載的作用，而且還要考慮電機(jī)發(fā)熱所造成的槳軸膨脹。目前，吊艙推進(jìn)器驅(qū)動端軸承大部分采用SKF公司的圓環(huán)滾子軸承，具有更好的自動調(diào)心和軸向位移補(bǔ)償能力。為防止電機(jī)軸電流對軸承造成損傷，一般在非驅(qū)動端軸承部位做絕緣處理，在驅(qū)動端布置接地裝置。為實(shí)現(xiàn)推力軸承艙內(nèi)維護(hù)，在大功率吊艙推進(jìn)器設(shè)計(jì)時(shí)，考慮采用滑動式推力軸承代替滾動推力軸承。

3）超大功率推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)。目前市場上的吊艙推進(jìn)器推進(jìn)電機(jī)有交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)和永磁電機(jī)3種形式。超大功率推進(jìn)電機(jī)一般采用3.3 kV或6.6 kV電壓，為了增加電機(jī)冗余度，可以采用多相電動機(jī)，由多個(gè)變頻裝置供電，可以有效的消除諧波，減小轉(zhuǎn)矩脈動。近年由于高溫超導(dǎo)材料的商品化，采用高溫超導(dǎo)電機(jī)作為吊艙推進(jìn)推進(jìn)電機(jī)已能為可能。相同功率的超導(dǎo)電機(jī)與常規(guī)電機(jī)相比，體積可減小50%，重量可減小80%，即使在30%額定航速下，其效率也能超過90%。因此高溫超導(dǎo)電機(jī)是超大功率推進(jìn)電機(jī)的發(fā)展方向之一。