馬 川,孫小明

(1.青島遠洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；2.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司,天津 300456)

技術(shù)交流

船舶吊艙式推進系統(tǒng)故障分析與排除

馬 川1,孫小明2

(1.青島遠洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071；2.天津新港船舶重工有限責(zé)任公司,天津 300456)

文章針對中鐵渤海輪渡Azipod吊艙式推進系統(tǒng)出現(xiàn)的具體故障，分析了該種類型推進系統(tǒng)典型疏排水故障出現(xiàn)的原因，并制定了修理方案排除了故障，對此類新型吊艙式推進系統(tǒng)的維護管理和故障維修提供了參考。

吊艙式推進系統(tǒng)；軸密封；疏排水系統(tǒng)；故障分析

Abstract:Aiming at the actual problem of China Railway ferry,Azipod system is introduced with the typical failure of drainage analyzed and the fault eliminated,which provides the reference of maintenance and repairing of the new type propulsion system.

Keywords：pod propulsion;shaft seal;drainage system;fault analysis

船舶吊艙式推進系統(tǒng)是由推進電機和螺旋槳直接相連，可以360°水平旋轉(zhuǎn)的一種推進系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以構(gòu)成獨立的推進模塊，吊掛于船體底部。吊艙式推進系統(tǒng)可分為前槳(牽引)式、后槳(推)式、串列式、對轉(zhuǎn)槳、導(dǎo)管槳等多種形式[1]。吊艙式推進系統(tǒng)是一種新式的船用推進裝置，因其卓越的工作特性和先進的操控方式逐漸成為豪華郵輪的標(biāo)準(zhǔn)配置，同時也較廣泛的應(yīng)用在半潛船和部分鐵路輪渡中，中鐵渤海輪渡就是一個成功的應(yīng)用案例。該輪為客滾船，全長182.6 m,寬24.8 m，滿載排水量16 229 t，船上有上下兩層縱通甲板，火車甲板可搭載50節(jié)火車車廂，汽車甲板可搭載50輛20 t的載重卡車和25輛小型汽車。該輪配置了4臺3 000 kW的ABB柴油發(fā)電機組，并由ABB提供了先進的Azipod吊艙式推進系統(tǒng)。目前，該輪在航行中出現(xiàn)了推進系統(tǒng)密封和排水裝置的故障，該故障表現(xiàn)為吊艙排水模塊中的漏水量明顯高于正常值且呈斷續(xù)噴射狀。恰逢該輪要到天津新港船舶重工有限責(zé)任公司進行航修，因此經(jīng)和船東商議后決定對該輪吊艙進行拆卸并解決故障。

1 Azipod吊艙式推進系統(tǒng)介紹

20年前，芬蘭海事局開始尋求在冰海區(qū)航行的高性能破冰船的解決方案，其初步的想法是推進電機應(yīng)該提供任意方位的推進力。在此背景下，作為世界傳動領(lǐng)域的領(lǐng)先者，ABB芬蘭分公司提出了Azipod 的原型方案并提交給芬蘭Kvaerner Masa 船廠制造，這是最先應(yīng)用于船舶的吊艙式推進裝置，相關(guān)的Azipod 推進技術(shù)也申請了專利[2]?，F(xiàn)在Azipod 吊艙式電力推進系統(tǒng)已經(jīng)成為大型豪華郵輪的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。該類型的推進裝置采用空氣冷卻推進電機，在定子和吊艙之間存在空氣可以循環(huán)的腔室。大型吊艙推進裝置都設(shè)有通往吊艙的通道，可以不必在干塢內(nèi)裝卸。另外，軸封和軸承必須由潛水員在艙外面進行更換。

在變頻控制方面，Azipod 系統(tǒng)采用交-交變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制方法來實現(xiàn)對推進電機的調(diào)速。1990年，1 500 kW 的Azipod 推進裝置開始應(yīng)用于“SEILI”號航道服務(wù)船，2004年，ABB 公司使用Azipod 推進裝置的累計安全運行時間已經(jīng)超過130 萬h，良好工況的概率達到了99.75%。由于該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，故目前Azipod 推進裝置已占據(jù)了吊艙推進裝置市場一半以上的份額[3]。

2 吊艙內(nèi)部系統(tǒng)工作原理

Azipod吊艙式推進系統(tǒng)分為2個部分：①支撐模塊。支撐模塊主要連接船體的舵艙和推進電機，在支撐模塊的內(nèi)部設(shè)有專用通道用于鋪設(shè)動力電纜和其他管路。②推進電機模塊。吊艙式推進電機為船用大功率永磁同步電動機，電機的輸出軸連接定距螺旋槳。推進電機系統(tǒng)采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，操縱性和安全性非常好[4]。電機模塊中重要的部件有螺旋槳軸承、密封裝置及空氣剎車。螺旋槳軸承浸于油底殼的滑油中，對整個推進系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起到了關(guān)鍵作用。在螺旋槳軸承和螺旋槳之間有5道軸封環(huán)，其中外面2道起到了防止海水及臟物進入的作用，另外3道為油封。空氣剎車能夠通過壓縮空氣實現(xiàn)迅速停車。

為了實現(xiàn)正常穩(wěn)定運行，裝置中除了電機運行所需的三相動力電纜外，還有11條管路。這些管路分別為潤滑油管路、疏排沖洗水管路和壓縮空氣管路。其中潤滑油管路主要用于潤滑系統(tǒng)加油和油位顯示，以保證各個軸承的正常運行。壓縮空氣管路主要為空氣剎車提供動力。疏排沖洗水管路的作用是及時沖洗軸封處的臟物，并排出軸密封艙和電機模塊中的殘水。本次修理主要針對的是疏排沖洗水管路的故障。

3 疏排沖洗水系統(tǒng)故障分析

船舶吊艙推進系統(tǒng)的軸封長期浸泡在海水中，在經(jīng)過長時間的運轉(zhuǎn)后密封效果會變差。海水就會進入軸封和電機模塊端面構(gòu)成的密閉空間，該空間被稱為軸密封氣艙，實際上是一處積水腔。由于在此處機械軸密封要用水作為潤滑劑，因此適當(dāng)?shù)男孤┦钦５?。但海水的腐蝕性極強，如果此處的積水量長期超過允許值，則會造成嚴(yán)重腐蝕，甚至還有可能滲入電機模塊中，造成推進電機的絕緣性能變差，進而導(dǎo)致電機模塊燒毀等嚴(yán)重事故。因此，此處積水腔中的這些漏水要及時排出。

1、2、3、4-疏排水管；5-壓縮空氣管；6-潤滑油管。圖1 吊艙疏排水系統(tǒng)示意圖

吊艙疏排水系統(tǒng)中有4路疏排水管，如圖1所示。管路4將支撐模塊中的殘水通過水泵排出吊艙，管路2和管路3將軸封處積水腔內(nèi)的殘水排出，管路1將電機模塊中的進水排出。以上3處排水管路與一般的疏排水系統(tǒng)不同，此處采用的是壓縮空氣將要排出的積水從電機模塊和軸密封氣艙壓至排水槽中，而不是通過水泵將積水抽出。壓縮空氣來自于管路5，以保證軸密封氣艙中的氣壓高于水壓，這樣殘水就能被及時的排出。

與傳統(tǒng)的水泵抽吸式排水相比，此種排水方式有著明顯的優(yōu)點。一方面能夠節(jié)省電能，另一方面也省去了水泵、水分傳感器及復(fù)雜的控制系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。管路1至管路4都連接到一個排水監(jiān)測系統(tǒng)，以便操作人員能及時了解排水系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。管理人員通過監(jiān)測壓縮空氣的壓力及漏水量來判斷排水系統(tǒng)的狀態(tài)。通過分析可知，該排水監(jiān)控系統(tǒng)會出現(xiàn)以下5種狀態(tài)。

1) 壓縮空氣壓力及流量正常，無水流吹出。說明軸封處密封狀態(tài)良好，基本沒有海水滲入。

2)壓縮空氣流量偏小。出現(xiàn)此種情況，首先要檢查氣源是否正常，如果不是氣源故障則很可能是管路出現(xiàn)破損導(dǎo)致漏氣，應(yīng)酌情調(diào)節(jié)氣源壓力及流量或者更換管路。

3) 壓縮空氣壓力及流量正常，有水?dāng)嗬m(xù)平穩(wěn)吹出，水量在規(guī)定技術(shù)參數(shù)之內(nèi)。說明整個系統(tǒng)正常工作，軸封處少量漏水并能及時被排出。這時注意及時調(diào)整壓縮空氣流量即可。

4) 壓縮空氣壓力及流量正常，水持續(xù)噴射排出但水量較少，且漏水量在規(guī)定參數(shù)之內(nèi)。水量未明顯增加說明軸密封部件基本正常，而持續(xù)噴射的小股水流則說明水管破損導(dǎo)致密封性變差，積水一直未排干凈而新的積水又進入腔室，排水性能降低。

5)與4)類似且漏水量明顯超過允許值。說明軸密封裝置和疏水管裝置均出現(xiàn)問題。應(yīng)及時更換軸封和水管。

4 解決方案

通過分析中鐵渤海輪渡出現(xiàn)的故障現(xiàn)象可知，該輪吊艙式推進系統(tǒng)出現(xiàn)的問題來自于軸封和管路1至管路3的排水管路。在經(jīng)過長期的運轉(zhuǎn)之后，軸封的密封效果變差，從而導(dǎo)致電機模塊和軸密封氣艙中的漏水量超標(biāo)，而同時排水管又出現(xiàn)了破損導(dǎo)致密封性變差，不能及時的將過量的漏水排出。這將嚴(yán)重威脅到吊艙推進電機的正常安全運轉(zhuǎn)，必須要將軸封和水管同時更換。

經(jīng)過ABB服務(wù)工程師和新港船舶重工有限責(zé)任公司項目組的共同研究，決定對整個右舷吊艙推進系統(tǒng)進行拆卸并解體，由于吊艙推進系統(tǒng)質(zhì)量達40 t，必須采用專用運輸和拆裝工具才能完成該項工作，整個拆裝在3天3夜的緊張忙碌中完成。ABB服務(wù)工程師在工人的配合下對軸封和排水管路進行整體更換，換新的水管如圖2所示。更換后疏排水裝置的壓縮空氣氣流和漏水量均恢復(fù)正常，系統(tǒng)正常工作。

圖2 修理現(xiàn)場圖片

5 結(jié)束語

本文介紹了吊艙式電力推進系統(tǒng)的組成及工作原理，對吊艙推進系統(tǒng)容易出現(xiàn)的密封及泄漏問題進行了分析，并結(jié)合中鐵渤海輪渡的一個故障實例，詳細(xì)的分析了故障產(chǎn)生的原因并制定了解決方案。最后在ABB服務(wù)工程師和船廠的配合下，解決了該故障。

隨著吊艙式電力推進系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電力推進船舶占的市場份額也迅速增長。隨著電力電子學(xué)、半導(dǎo)體、交流電機變頻調(diào)速等技術(shù)日漸成熟，船舶吊艙式電力推進系統(tǒng)在機動性、可靠性、運行效率和推進功率等方面都有了突破性的進展，顯示出廣泛的應(yīng)用前景[5]。吊艙式電力推進裝置在民用船舶中的應(yīng)用還處于發(fā)展時期，與其他傳統(tǒng)推進裝置相比，吊艙式電力推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，管理和維護的要求較高，這給船舶維護和修理工作帶來了一定的困難，對吊艙式電力推進系統(tǒng)出現(xiàn)的新問題加以研究，對于日后船舶維護修理工作有一定的指導(dǎo)意義。

[1]黃鵬程,聶延生. 吊艙式推進系統(tǒng)密封和軸承油路系統(tǒng)探討[J]. 世界海運,2005(1):51-52.

[2]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(1):77-80.

[3]冀路明,汪慶周. 二十一世紀(jì)的Azipod吊艙式電力推進系統(tǒng)[J]. 船舶工程,2002(2):61-64.

[4]云峻峰,黃仁和,趙建華. 現(xiàn)代艦船電力推進設(shè)計走向[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2003(1):3-8.

[5]謝清程,易小冬. 吊艙式電力推進系統(tǒng)的新進展[J]. 機電設(shè)備,2007(1):1-2.

興船報國創(chuàng)新超越

打造精品做強主業(yè)

U673

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.05.001

馬川(1984-)，男,山東青島人,講師，在讀博士研究生，研究方向為船舶自動與智能化。

2017-04-17