吳家鳴

（華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院 船舶與海洋工程系 廣州510640）

0 引 言

隨著船舶與海洋工程事業(yè)的發(fā)展，根據(jù)不同的航行工況與作業(yè)條件，業(yè)界對艦船的推進性能和操縱性能提出了不同的要求。目前常見的艦船推進方式除了常規(guī)的螺旋槳推進器以外，噴水推進器、直翼推進器、吊艙推進器這三種特殊推進器使用也比較廣泛，它們各有特點，適應(yīng)于不同的工作環(huán)境和使用條件。

1 三種特殊推進器的特點分析

1.1 噴水推進器［1-7］

噴水推進是有別于傳統(tǒng)螺旋槳推進的特殊艦船推進方式，主要通過噴流和進流動量的增量來形成推力。噴水推進裝置最早是在1661年由英國人圖古德和海斯發(fā)明，到19世紀(jì)中期才真正成為實用的船舶推進裝置。典型的噴水推進裝置主要由進水流道、推進泵、操舵倒航設(shè)備、液壓系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等部分組成，按照在艦船上不同的布置位置，可分為外懸式和內(nèi)藏式等形式。其主要是通過操舵倒航設(shè)備來實現(xiàn)推進力方向的改變?，F(xiàn)代噴水推進船可以通過操縱舵及倒航設(shè)備分配或改變噴流方向來獲取船舶推進或操縱所需要的推進力。

1.1.1 噴水推進器的優(yōu)點

（1）空泡性能好。傳統(tǒng)螺旋槳在高速運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生空泡，空泡將導(dǎo)致推進效率降低、螺旋槳葉片損壞和噪聲的產(chǎn)生。由于噴水推進器推進水泵的葉輪是在均勻流場中工作，在高速情況下有較大的來流沖壓，可避免空泡的產(chǎn)生，從而實現(xiàn)較低的噪聲水平和較高的推進效率。在航速和空泡性能要求較高的條件下，采用噴水推進器具有獨特優(yōu)勢。

（2）振動小。由于噴水推進器不需要螺旋槳推進器那樣復(fù)雜的傳動結(jié)構(gòu)，而且噴水推進器葉輪在均勻流場中工作，脈動壓力小，由此而產(chǎn)生的噪聲水平較低。因此，由推進器工作所造成的船體振動水平比傳統(tǒng)的螺旋槳推進器低。

（3）低速航行時操縱性能好，可實現(xiàn)矢量推進。噴水推進器可以通過噴管方向的改變來控制推進力方向，也可以通過與操舵裝置或倒車裝置的配合來實現(xiàn)推進力方向的改變，從而實現(xiàn)矢量推進。

（4）保護性能好。推進水泵的葉輪在導(dǎo)管中受到較好保護，空泡和氣蝕對葉輪和葉片產(chǎn)生破壞的可能性也較小。

（5）可以適應(yīng)不同的作業(yè)工況。采用固定螺距螺旋槳推進的艦船在不同負荷工況作業(yè)時，由于航速改變而引起葉切面來流攻角的變化，將導(dǎo)致非設(shè)計工況下推進效率降低。而采用噴水推進器的艦船在航速變化時，對推進水泵中噴水流量的影響并不大，故對推進效率影響也不大。因此，采用噴水推進器的艦船更適用于工況多變的作業(yè)環(huán)境。

（6）適應(yīng)于淺水作業(yè)船。與螺旋槳推進器不同，噴水推進器不受螺旋槳直徑的限制，可以適用于淺水作業(yè)環(huán)境。

1.1.2 噴水推進器的缺點

（1）體積龐大、葉輪拆換復(fù)雜。由于增加了外殼體的保護，推進器的重量和體積都較大，且推進水泵葉輪的拆換比普通螺旋槳復(fù)雜。

（2）由于噴水管道中有水的緣故，導(dǎo)致艦船的排水量增大，整體推進效果受到影響。

（3）在雜物較多的水域航行時，推進器進水口容易堵塞。

（4）航速較低時推進效率比傳統(tǒng)螺旋槳低。（5）價格較螺旋槳推進器高。

噴水推進裝置可應(yīng)用于如下類型的艦船或武備：

（1）高性能船舶

高性能船主要包括水翼艇、側(cè)壁氣墊船、高速雙體船、穿浪型導(dǎo)彈快艇等，它們在高速航行時全部或部分脫離水面。其高航速和非排水量船型的特征給常規(guī)螺旋槳推進器的采用帶來諸多不利因素，如螺旋槳安裝不便、推進效率低等問題。而這類船舶若采用噴水推進裝置，則可充分發(fā)揮噴水推進器在高航速時推進效率高、空泡性能好的特點。

（2）低速條件下具備較好操縱性能的艦船

常規(guī)“螺旋槳+舵”的推進、操縱方式在航速越低時操縱性能越差，航向穩(wěn)定性也越不易保證，而噴水推進方式?jīng)]有這方面的缺陷。因此在挖泥船、漁船、消防船、港作拖船及多用途拖船等作業(yè)船舶使用噴水推進裝置，其操縱性、動力定位性和適應(yīng)變負荷能力都有顯著提升。對于掃雷、獵雷艦艇這類軍用艦船，其作業(yè)特點要求艦船在低速航行的同時具有良好的操縱特性。在這類艦船上采用噴水推進裝置，除了滿足該作業(yè)要求外，還具備低噪聲場的優(yōu)點。

（3）隱蔽性能要求高的艦船

對于作戰(zhàn)艦艇而言，隱蔽性是最為重要的作戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)。噴水推進器的振動噪聲較小，具有良好的空泡性能。由于噴水推進器尾波特征不明顯，艦船的航跡模糊，同時推進水泵泵殼還可以屏蔽葉輪噪聲場的向外輻射，這些特點為提高作戰(zhàn)艦船隱蔽性提供了基礎(chǔ)條件。

（4）兩棲艦船

登陸艇這類兩棲艦船采用噴水推進器后不僅具有吃水淺、淺水效應(yīng)小、沖灘力大以及通過操舵倒航設(shè)備可使登陸艇擺尾退灘，省去尾錨等優(yōu)勢，還可以避免螺旋槳推進器在淺水區(qū)域推進力降低、低速沖灘登陸或倒航離灘條件下推進力急劇降低且操縱不靈活、登陸時螺旋槳槳葉容易受損、對不同工況推進力適應(yīng)能力差等問題，從而提高登陸艦的作戰(zhàn)與生存能力。

（5）在淺吃水航道作業(yè)以及工況多變的船舶

那些在淺吃水航道上航行、推進器直徑受限制的船舶，以及一些工況多變的工程/工作船（如拖船、頂推船、挖泥船、港口消防船等），使用噴水推進器可以有效提高這些類型船舶的的工作效能。

（6）魚雷

采用泵噴射推進器是近期新發(fā)展的一種新型魚雷推進器形式。該推進器不僅可以克服螺旋槳推進器容易產(chǎn)生空泡、削弱魚雷隱身性能的弊端，還可避免螺旋槳推進器噪聲向雷頭自導(dǎo)裝置的輻射。

1.2 直翼推進器［8-14］

直翼推進器也稱為直葉推進器、豎軸推進器、擺線推進器等。它是一種裝有垂直機翼型葉片的圓盤式推進器，葉片采用低阻升比和大展弦比的矩形機翼，葉片之間互相平行，并與圓盤的轉(zhuǎn)動軸平行，葉片繞自身轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)的同時繞圓盤轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生方向一致的推力，見圖 1（a）［14］。 它可在 360°范圍內(nèi)快速改變推力方向及大小，因而具有較好的操縱性和機動性。1925年，奧地利工程師E.Schneider發(fā)明了這種轉(zhuǎn)動圓盤式推進器，德國J.M.Voith公司于1928年試制成功第一臺直翼推進器。因此，此種直翼推進器通常又稱為Voith Schneider推進器（Voith Schneider Propeller，簡稱：VSP）。

圖1 直翼推進器

直翼推進器葉片運動規(guī)律如圖2［8］所示。推進器葉片繞圓盤轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)，而各葉片在公轉(zhuǎn)中保持葉片的弦線與葉片中心至操縱點C的連線相垂直。當(dāng)葉片以某一角速度ω繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，而推進器以速度VA前進時，葉片在空間的運動軌跡是一條擺線（擺線推進器因此而得名），稱OˉCˉ為偏心距、e=OˉCˉ/（D/2）為直翼推進器的偏心率。

圖2 直翼推進器葉片運動規(guī)律

當(dāng)推進器圓盤轉(zhuǎn)動時，葉片按某一規(guī)律和圓盤作相對的搖擺，在不同的位置以不同的方向角迎向水流。選擇相對搖擺的規(guī)律需要使每一葉片在其轉(zhuǎn)動一周的任何位置，都能產(chǎn)生和艦船行進方向或需要產(chǎn)生推力的方向一致的分力。通過改變偏心距OˉCˉ的大小，可以調(diào)整擺角的幅度和初始角，與此同時，直翼推進器推力的大小及方向也會隨之改變。直翼推進器中通過控制葉片在不同的位置以不同的方向角迎向水流而產(chǎn)生升力的原理與螺旋槳推進器中槳葉切面產(chǎn)生升力的原理類似。

在實際推進器機構(gòu)中實現(xiàn)圖2所示的直翼推進器葉片運動的方式很多，這里介紹其中一種最基本的廣義擺線操縱機構(gòu)，以使讀者對直翼推進器機構(gòu)的操縱運動方式有一個大致了解。如圖3［11］所示，圓盤1轉(zhuǎn)動，直翼2隨之轉(zhuǎn)動。圓盤上的滑塊3帶動連桿4（后者安裝在操縱機構(gòu)的偏心輪5上）。連桿4繞偏心輪5的轉(zhuǎn)動角速度與圓盤1的轉(zhuǎn)動角速度不相等，但它們的轉(zhuǎn)動周期相等。連桿4與連桿6的一端鉸接，連桿6的另一端與傳動桿8相連。圓盤轉(zhuǎn)動時，連桿6在滑槽7內(nèi)滑動?；?插在圓盤1上，可以轉(zhuǎn)動但不能移動。連桿6牽引傳動桿8及曲軸9，使葉片攻角改變。

圖3 廣義擺線操縱機構(gòu)

由于直翼推進器既可以產(chǎn)生沿艦船行進方向的推力，又可以根據(jù)需要產(chǎn)生任何其他方向的推力，因此使用此類推進器的船舶無需再安裝舵。一般螺旋槳船舶在停航或以極低航速運動時，舵效往往很差或完全喪失操船能力，而直翼推進器在上述工況下仍具有靈活的操縱力。直翼推進器的另一個重要特性是由于偏心距OˉCˉ的大小可任意調(diào)整，它可以控制葉片以不同的方向角迎向水流，從而改變?nèi)~片的螺距角。這一特性使直翼推進器在不同工況下都可以與主機配合，充分發(fā)揮主機的功率，這對于如拖輪、漁船、破冰船等類型的多工況船是有利的。

綜上所述，直翼推進器作為一種船用推進裝置，其優(yōu)點是操縱性能優(yōu)良、推進效率較高、適應(yīng)于不同工況，并可在淺水中使用。直翼推進器常用于對操縱性有特殊要求的船舶上，例如港口工作船、拖輪、渡輪、起重浮吊以及軍用艦船中的獵雷艦艇。直翼推進器的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價較高，并且由于垂直機翼安裝在船底外部，葉片容易損壞，見圖1（b）。

1.3 吊艙推進器［15-20］

吊艙推進器分為機械傳動的Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進器和電力驅(qū)動的吊艙式電力推進器兩種主要形式，其所驅(qū)動的螺旋槳可以隨吊艙進行360°回轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)集推進裝置與舵裝置于一體的功能。

吊艙推進器的主要優(yōu)點是操縱性能好。由于其可以在360°范圍內(nèi)進行旋轉(zhuǎn)，故可以對船體實施矢量推進、提高船舶操縱的靈活性、縮小船舶的回轉(zhuǎn)半徑。采用吊艙推進器的船舶還可進行常規(guī)推進器艦船無法完成的操縱，如進行原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、急速后退和在微速范圍內(nèi)操舵等。吊艙推進器的主要缺點是：由于吊艙安置于船體外部，抗沖擊能力弱，吊艙易受損壞；由于沒有尾舵，船舶的航向穩(wěn)定性較差，船舶橫搖阻尼也較傳統(tǒng)的船舶小，更易出現(xiàn)大幅度橫搖。

1.3.1 Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進器

Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進器的示意圖見圖4。該推進器由兩套錐齒輪組以機械傳動的方式，通過Z型軸系將主機發(fā)出的轉(zhuǎn)矩傳遞到螺旋槳，螺旋槳可繞豎向立軸軸線作360°回轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生全方位的推力。

1.3.2 吊艙式電力推進器

圖4 Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進器示意圖

吊艙式電力推進器（又稱POD推進器）是近年來發(fā)展起來的新型船舶電力推進系統(tǒng)。其利用發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)變成電能，再通過電動機把電能轉(zhuǎn)換成機械能，從而實現(xiàn)原動機（主機）功率向推進器功率的非機械方式傳遞。

吊艙式電力推進器主要由支架、吊艙和螺旋槳等部件構(gòu)成。其中，吊艙通過支撐結(jié)構(gòu)懸掛于船體尾部或其他需要產(chǎn)生推進力的部位，艙體內(nèi)置電機直接驅(qū)動艙體前端和（或）后端的螺旋槳。與常規(guī)軸系式推進器相比，吊艙式電力推進器由于螺旋槳工作在穩(wěn)流場中，可提高螺旋槳的效率；由于省去了長軸系，故提高了傳動效率；由于取消了螺旋槳支撐等附屬裝置和舵，故提高了推進效率，并且具有布置方便、降低噪聲等優(yōu)點。吊艙式電力推進器典型模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 吊艙式電力推進模塊結(jié)構(gòu)示意圖

電力推進模塊是吊艙式電力推進器的主體部分，它主要由內(nèi)置驅(qū)動電機、螺旋槳、轉(zhuǎn)舵裝置以及冷卻裝置組成。螺旋槳直接連接在推進電機軸上，機、槳同軸省卻了齒輪傳動。螺旋槳產(chǎn)生的推力通過推進電機的軸承傳遞給船體，按照螺旋槳和電機的相對位置或螺旋槳作用力方式的不同可分為拉式和推式。轉(zhuǎn)舵裝置由轉(zhuǎn)動電機和相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)組成。冷卻機構(gòu)負責(zé)對整個吊艙進行冷卻，可分為利用周圍海水對流的水冷卻和在吊艙內(nèi)形成空氣循環(huán)的空氣冷卻兩種方式。吊艙通過法蘭盤與船體相接。電動機由位于船艙內(nèi)的發(fā)電機供電，發(fā)電機的電力和相關(guān)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)電纜和滑環(huán)裝置傳送給電動機。不直接采用電纜而采用滑環(huán)裝置把機艙內(nèi)的動力和控制電纜與吊艙內(nèi)的動力和控制電纜進行連接是為防止吊艙旋轉(zhuǎn)時電纜扭結(jié)在一起，從而使吊艙具在更好的靈活性?；h(huán)裝置由電動機或液壓發(fā)動機來帶動，使吊艙360°回轉(zhuǎn)，從而起到轉(zhuǎn)舵的作用。

吊艙式電力推進器優(yōu)點：

（1）有利于全船優(yōu)化布置。對于傳統(tǒng)螺旋槳推進的艦船，從主機到螺旋槳之間的傳動軸系位置是難以改變的，因此艦船的總體布置在很大程度上取決于傳動軸系和主機的布置，這就使船舶總體設(shè)計的優(yōu)化受到一定程度的制約。若采用吊艙式電力推進系統(tǒng)，由于動力機艙位置不受推進器、軸系限制，可以根據(jù)具體需要進行自由布置，這就為提高艙容、優(yōu)化全船的布置提供條件，從而提高艦船設(shè)計、建造和使用的靈活性。

（2）螺旋槳推進效率高、空泡性能好。由于吊艙式電力推進器的螺旋槳不受艉軸限制，可以工作在均勻伴流流場中，提高船后螺旋槳效率，降低空泡的發(fā)生率；省去長軸系，提高了從原動機到螺旋槳之間的功率傳送效率；取消螺旋槳支撐等附屬裝置和舵，減少了附體阻力；同時螺旋槳布置位置自由度的增加，也為提高船身效率提供了條件。

（3）船體振動、噪聲低。相對于采用常規(guī)推進方式的船舶，采用吊艙式電力推進器的船舶由于螺旋槳工作的流場均勻性得到改善，降低了螺旋槳周期性干擾力；由于動力機艙位置不受限制，可以對動力機艙實施更有效的屏蔽措施，減弱主機周期性干擾力；由于在動力裝置和推進器之間沒有機械連接，軸系干擾力也可以降低。

（4）模塊化程度高，縮短了船舶的建造周期。吊艙式電力推進器實行專業(yè)化生產(chǎn)，在專門工廠整體制造，后期將作為一個整體模塊直接安裝在艦船上。這樣可以有效降低建造費用和建造周期，也有利于推進器的專業(yè)維護。

（5）提高了原動機（主機）的效率。由于推進器與原動機沒有直接的機械功率傳遞關(guān)系，原動機可不受推進負載變化的制約而保持最佳的工作狀態(tài)；也可以根據(jù)負荷需要決定并入電網(wǎng)的發(fā)電機臺數(shù)，使機組運行于理想負荷下，使全電力系統(tǒng)的優(yōu)越性得以充分發(fā)揮。

吊艙式電力推進器的主要缺點：

（1）初始投資相對較大；

（2）吊艙內(nèi)電機本身引起的噪聲較大，需要采取多種措施來降低所產(chǎn)生的水下噪聲；

（3）由于吊艙內(nèi)空間狹窄，發(fā)生故障需要大修較普通推進器麻煩；

（4）大功率吊艙式電力推進器軸承負荷高、發(fā)熱后容易引起機構(gòu)熱變形，從而損壞軸承或破壞槳軸密封的問題目前還沒有得到妥善的解決。

雖然吊艙式電力推進器與Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進器同屬于全回轉(zhuǎn)推進器，且它們的吊艙模塊都可繞垂直軸線作360°回轉(zhuǎn)，將螺旋槳推進力直接作用于所需方向。但是它們的功率傳遞方式不同：前者的推進電機裝在吊艙內(nèi)，螺旋槳軸與電動機的轉(zhuǎn)子成為一體、一起旋轉(zhuǎn)，原動機所發(fā)出的功率通過非機械方式傳遞給螺旋槳；而后者的推進主機（電機或柴油機）設(shè)在船艙內(nèi)，所發(fā)出的功率通過機械方式傳遞給螺旋槳。與Z型全回轉(zhuǎn)舵槳推進器相比，吊艙式電力推進器由于動力裝置和推進器之間沒有機械連接，因此減少了機械損耗、降低了振動和噪聲、改善了船體結(jié)構(gòu)、為尾部線型優(yōu)化創(chuàng)造了條件。

豪華游輪、FPSO、浮式海洋平臺、滾裝船、多用途海洋供應(yīng)船、化學(xué)品船、軍用艦船、科學(xué)考察船、布纜船、海洋調(diào)查船、破冰船、救撈船、大型漁船等對操縱性要求較高的船舶，安裝吊艙推進器較為適宜。

2 結(jié)果與討論

從以上分析可以看到，與傳統(tǒng)螺旋槳推進器比較，噴水推進器、直翼推進器和吊艙推進器具有如下共同優(yōu)點：

（1）空泡性能好。推進器的結(jié)構(gòu)特點決定了這三種推進器的葉輪、葉片或螺旋槳不容易產(chǎn)生空泡。

（2）可以實現(xiàn)矢量推進。直翼推進器、吊艙推進器以及部分類型的噴水推進器不需要安裝舵，推進器同時具備推進與操縱功能。

（3）具備矢量推進的功能，可以對艦船進行靈活操縱，且在低速航行時具有良好的操縱性。

（4）工作時引起的振動較小、噪聲較低。

這三種推進器均有以下缺點：

（1）造價均高于常規(guī)螺旋槳推進器。

（2）都需要在較好的水下環(huán)境工作：噴水推進在水草或雜物較多的水域工作時，進水口容易堵塞；直翼推進器葉片和吊艙推進器的吊艙由于安裝在船底外部，抗沖擊能力比較弱。

3 結(jié) 論

船舶推進方式的選型、設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，需綜合考慮推進系統(tǒng)效率、空泡性能、振動噪聲、安裝、可用性與可維修性等各類因素，所以在設(shè)計與選型時應(yīng)根據(jù)艦船任務(wù)和使命要求選擇最合適的推進器。

［1］王立祥.船舶噴水推進［J］.船舶，1997，（3）：45-52.

［2］劉柱，孟凡立.船舶噴水推進技術(shù)發(fā)展［J］.航海技術(shù)，2004，（4）：42-44.

［3］孔慶福，吳家明，賈野，等.艦船噴水推進技術(shù)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2004，26（3）：28-30.

［4］吳梵，陳昕.噴水推進裝置及其在艦艇上的應(yīng)用［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報，2003，15（6）：44-48.

［5］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（下冊）［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

［6］李曉暉，朱玉泉，聶松林.噴水推進器的發(fā)展研究綜述［J］.液壓與氣動，2007，（7）:1-4.

［7］姜華.噴水推進裝置在船舶上的應(yīng)用發(fā)展［J］.廣東造船，2008，（3）:34-35.

［8］朱典明.擺線推進器的理論計算方法［J］.哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報，1982，（1）：1-27.

［9］王振邦.擺線推進器機構(gòu)的研究一VSP機構(gòu)分析［J］.應(yīng)用科技，1985，（1）：35-43.

［10］鹿素江.豎軸推進器兩種控制機構(gòu)葉片角的探討［J］.中國造船，1985，（4）：14-21.

［11］錢曉南.直翼推進器的性能分析及其理論［J］.中國造船，1963，（51）：9-25.

［12］周行健.平旋推進器槳葉驅(qū)動機構(gòu)的研究［J］.機電設(shè)備，1996，（5）：18-26.

［13］張洪雨，徐玉如，黃薇莉，等.擺線推進器水動力性能研究［J］.海洋工程，1998，16（3）：27-35.

［14］張德孝.船舶概論［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［15］馬騁.吊艙推進技術(shù)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

［16］謝清程，易小冬.吊艙式電力推進器的新進展［J］.機電設(shè)備，2007，24（1）：1-2.

［17］高海波，高孝洪，陳輝，等.吊艙式電力推進裝置的發(fā)展及應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2006，30（1）：77-80.

［18］高宜朋，曾凡明，張曉鋒.吊艙推進器在艦船推進系統(tǒng)中的發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析［J］.中國艦船研究，2011，26（3）：28-30.

［19］王志華.吊艙式電力推進裝置［J］.船電技術(shù)，1999，26（3）：28-30.

［20］黃鵬程，聶延生.吊艙式電力推進評價及其影響［J］.航海技術(shù)，2005，（1）：45-47.