張紅兵

（701研究所 上海凌耀船舶工程有限公司，上海 201108）

0 引 言

普通螺旋槳具有推進(jìn)效率高、工藝簡(jiǎn)單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是噪聲振動(dòng)較大和影響船舶的操縱性（較難實(shí)現(xiàn)船舶減搖、轉(zhuǎn)向等功能）等。為彌補(bǔ)這些不足，噴泵推進(jìn)器、直葉推進(jìn)器、吊艙推進(jìn)器和Z形推進(jìn)器等多種推進(jìn)器逐漸被開發(fā)出來(lái)，并得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

直葉推進(jìn)器又稱豎軸推進(jìn)器或平旋輪推進(jìn)器，一般設(shè)有若干葉垂直的葉片（4～8葉），這些葉片在圓盤上均勻分布，圓盤與船體底部齊平。圓盤繞垂直軸旋轉(zhuǎn)各葉片，使其以適當(dāng)?shù)慕嵌扰c水流相遇，從而產(chǎn)生推力[1]。直葉推進(jìn)器主要由動(dòng)力裝置、轉(zhuǎn)輪、葉片和葉片運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)組成（見(jiàn)圖1）。葉片在隨轉(zhuǎn)輪繞轉(zhuǎn)輪圓心轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，繞自身的軸擺動(dòng)。直葉推進(jìn)器的偏心裝置可控制各葉片與水流相遇的角度，進(jìn)而產(chǎn)生任意方向的推力。

直葉推進(jìn)器既可產(chǎn)生正向前進(jìn)作用的推進(jìn)力，又可產(chǎn)生橫向作用的轉(zhuǎn)向力。該推進(jìn)力和轉(zhuǎn)向力的大小和方向均可迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)。推力的迅速變化和大力矩的生成使得直葉推進(jìn)器能用來(lái)有效減小船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)。尤其是當(dāng)船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)或航速不高時(shí)，可有效減小船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)[2]。

對(duì)于安裝一般螺旋槳的船舶而言，其在停航或低速航行時(shí)的舵效往往很差或完全喪失操縱能力，而安裝直葉推進(jìn)器的船舶在這2種工況下仍具有較好的操縱性。因此，直葉槳作為一種船用推進(jìn)裝置，具有良好的操縱性和減搖功能，有較高的應(yīng)用價(jià)值和較大的發(fā)展?jié)摿?。我?guó)第一艘遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源科考船“淞航”號(hào)是我國(guó)第一艘采用直葉槳推進(jìn)的船舶，由于其任務(wù)的特殊性，需滿足操縱性好和噪聲低的要求。

圖1 直葉推進(jìn)器基本結(jié)構(gòu)

1 直葉槳工作原理

1.1 敞水效率

圖2為單槳最大功率為2100kW的直葉槳（型號(hào)為VSP28R5/234，5葉，槳盤直徑為2800mm，葉片長(zhǎng)度為2340mm）的敞水特性曲線，其中ηeta為敞水效率。從圖2中可看出，直葉槳的敞水效率最高可達(dá)到0.70，能達(dá)到優(yōu)秀螺旋槳的敞水效率水平，且最佳敞水效率（0.68～0.71）覆蓋的進(jìn)速系數(shù)取值范圍較大，為0.65～0.80。直葉槳的選型主要由槳收到功率的大小確定，在主機(jī)功率確定的情況下，直葉槳的選型基本確定。在選定槳徑之后，設(shè)計(jì)航速（即螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速）應(yīng)與航速相匹配，使直葉槳的進(jìn)速J=vA/(π ·n·D)盡可能地處于敞水效率較高的區(qū)域。對(duì)于槳徑為2.8m的5葉直葉槳來(lái)說(shuō)，進(jìn)速應(yīng)盡可能地取在0.65～0.80范圍內(nèi)。

圖2 直葉槳敞水特性曲線

式(1)～式(5)中：J為進(jìn)速系數(shù)；ks為推力系數(shù)；kd為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；0η為敞水效率；u為槳葉的圓周速度；n為轉(zhuǎn)速；T為推力；M為扭矩；vA為航速；D為槳葉運(yùn)動(dòng)軌道的直徑；L為槳葉的長(zhǎng)度。在設(shè)計(jì)直葉槳時(shí)，采用類似螺旋槳推進(jìn)器的水動(dòng)力系數(shù)。目前產(chǎn)業(yè)化的直葉槳設(shè)計(jì)的最高敞水效率為73%。

1.2 直葉槳推進(jìn)效率的測(cè)定

在船模上進(jìn)行直葉槳試驗(yàn)時(shí)，槳模是直接安裝在船體底面上的，準(zhǔn)確測(cè)量推力非常困難，只能測(cè)得軸扭矩和軸轉(zhuǎn)速，通過(guò)與有效功率相比較，計(jì)算出整體推進(jìn)效率。該推進(jìn)效率一般包括傘齒輪減速效率、船身效率、相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率和整體推進(jìn)效率。表1為兩型船的推進(jìn)效率試驗(yàn)結(jié)果。從表1中可看出，直葉槳能達(dá)到的整體推進(jìn)效率在0.51～0.63，比常規(guī)螺旋槳的推進(jìn)效率（敞水效率約為0.65，齒輪減速效率為0.98，船身效率為0.98，相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率為0.98，整體推進(jìn)效率約為0.61）略低。

表1 兩型船的推進(jìn)效率試驗(yàn)結(jié)果

1.3 直葉槳推進(jìn)船舶的操縱性

直葉槳推進(jìn)船舶的螺旋槳工作原理與常規(guī)槳軸推進(jìn)船舶不同，其垂直向下的數(shù)片槳葉圍繞同一垂直軸線勻速旋轉(zhuǎn)，各片槳葉分別繞著各自的軸心擺動(dòng)，疊加之后形成擺線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)改變多心的偏心距來(lái)調(diào)節(jié)螺旋槳推力的大小，通過(guò)改變相位角來(lái)調(diào)節(jié)螺旋槳推力的方向，推力的大小和方向無(wú)極可調(diào)。變向范圍為0°～360°，可任意調(diào)節(jié)，沒(méi)有首選方向[3]。推力的大小和方向的變化由同一套伺服機(jī)構(gòu)來(lái)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)槳葉撥水的角度獲得不同的舵效，給船舶一個(gè)側(cè)向的推力，改變船舶的航向。安裝2臺(tái)以上的直葉槳，可使船舶具有良好的水上機(jī)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、原地回轉(zhuǎn)和側(cè)向移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)[3]。

2 直葉槳性能優(yōu)勢(shì)

2.1 直葉槳對(duì)船舶阻力的影響分析

在設(shè)計(jì)直葉槳推進(jìn)的船時(shí)，省卻附體可有效降低船舶附體阻力，從而提高船舶的推進(jìn)效率。表2為附體阻力統(tǒng)計(jì)[2]。

表2 附體阻力統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2，取各類附體阻力取值范圍的中間值，得到這些附體的阻力占裸船總阻力的15%～20%，即直葉槳推進(jìn)的船相比常規(guī)雙槳推進(jìn)的船可減小15%～20%的附體阻力，這對(duì)于減小船舶阻力，提高船舶經(jīng)濟(jì)性而言有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.2 直葉槳減搖性能分析

目前常用的船舶減搖方式是抑制其橫搖運(yùn)動(dòng)，即控制船舶繞中縱軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)動(dòng)是因波浪力的周期性作用而產(chǎn)生的?，F(xiàn)有的減搖方式分為主動(dòng)減搖和被動(dòng)減搖2種[1]。

直葉槳既可產(chǎn)生正向前進(jìn)作用的推進(jìn)力，又可產(chǎn)生橫向作用的轉(zhuǎn)向力。該推進(jìn)力和轉(zhuǎn)向力的大小和方向均可迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)。推力的快速變化和力矩的生成使得直葉槳能用來(lái)有效減小船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)[5]。尤其是當(dāng)船舶處于靜止?fàn)顟B(tài)或航速不高時(shí)，可有效減小船舶的橫搖運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，直葉槳的減搖是自動(dòng)控制的：通過(guò)安裝在船舷兩側(cè)的傳感器探測(cè)橫搖運(yùn)動(dòng)的周期和角度，將該信號(hào)提供給獨(dú)立的減搖控制器單元，控制器對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算之后主動(dòng)控制直葉槳產(chǎn)生相應(yīng)的推力，得到與激波力矩（即橫搖力矩）的作用相反的穩(wěn)定力矩。減搖控制器作為獨(dú)立的功能模塊，可根據(jù)需要隨時(shí)開啟或關(guān)閉。因此，直葉槳船舶的減搖方式也是主動(dòng)式減搖，但與常規(guī)主動(dòng)減搖裝置不同，其減搖效果與航速無(wú)關(guān)，即無(wú)論船舶是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是航行狀態(tài)，只要有足夠的動(dòng)力源可供直葉槳利用，都可有效實(shí)施減搖[6]。

對(duì)于遠(yuǎn)洋科考調(diào)查船來(lái)說(shuō)，抗風(fēng)浪能力至關(guān)重要。下面以某2800t遠(yuǎn)洋調(diào)查船為例進(jìn)行直葉槳減搖效果計(jì)算。該船總長(zhǎng)87m，寬14m，吃水4.8m，主機(jī)功率為1700kW×2，安裝2臺(tái)帶減搖模塊的直葉槳。圖3和圖4分別為該船在2種工況下的減搖計(jì)算結(jié)果。由圖3和圖4可知，在航速為0、波高為2.0m和3.5m情況下，該船的橫搖角均控制在3°以內(nèi)，減搖效果均超過(guò)70%，遠(yuǎn)好于減搖水艙的減搖效果。

圖3 浪高為3.5m，浪向角為90°、135°、180°工況下的減搖計(jì)算結(jié)果（工況1）

圖4 浪高為2m，浪向角為90°、135°、180°工況下的減搖計(jì)算結(jié)果（工況2）

3 直葉槳的應(yīng)用和實(shí)踐

3.1 直葉槳船型設(shè)計(jì)

由于直葉槳的安裝基面要求平直光順，艉部型線的縱傾角和橫傾角均要求控制在比較小的范圍內(nèi)，因此在設(shè)計(jì)直葉槳推進(jìn)船時(shí)通常將艉輪廓線上抬，整個(gè)艉部設(shè)計(jì)得較為平直，以適應(yīng)直葉槳的安裝（見(jiàn)圖5和圖6）。

直葉槳可非常方便地實(shí)現(xiàn)推力轉(zhuǎn)向，具備舵的功能。同時(shí)，直葉槳實(shí)現(xiàn)推力變向的速度較快，可在所有航速下通過(guò)調(diào)節(jié)推力方向?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)減搖，因此直葉槳推進(jìn)船可省卻減搖水艙和減搖鰭。對(duì)機(jī)動(dòng)性和操縱性要求較高的拖船、起重船、工程船和科考船一般還需在艉部設(shè)1～2個(gè)艉側(cè)推，而直葉槳可實(shí)現(xiàn)對(duì)艉側(cè)推的替代。此外，直葉槳是直接安裝在艉部底面上的，在船型設(shè)計(jì)上能省卻常規(guī)螺旋槳的艉鰭、艉軸和軸支架等附體，艉流分布非常均勻。

圖5 直葉槳推進(jìn)船型線圖

圖6 直葉槳推進(jìn)布置圖

3.2 槳葉旋向和進(jìn)流角

直葉槳槳葉的旋向和進(jìn)流角對(duì)螺旋槳推進(jìn)效率的影響較大，根據(jù)船舶傅氏數(shù)和艉部型線、呆木形狀預(yù)估直葉槳推進(jìn)器最佳槳葉進(jìn)流角的范圍，分別在內(nèi)旋向和外旋向的±0°～15°范圍內(nèi)選取3～5個(gè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)定這些點(diǎn)在設(shè)計(jì)航速下的輸入軸扭矩，確定最佳的旋向和進(jìn)流角（見(jiàn)圖7和圖8）。中高速船舶外旋的效率一般略高。為得到較高的推進(jìn)效率，在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)一般要先對(duì)直葉槳進(jìn)行最佳旋向和最佳槳葉進(jìn)流角試驗(yàn)。圖7和圖8分別為某2800t調(diào)查船（傅氏數(shù)約0.27）和某2800t巡視船（傅氏數(shù)約為0.30）的最佳旋向和最佳槳葉進(jìn)流角試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 某2800t調(diào)查船船模試驗(yàn)結(jié)果

圖8 某2800t巡視船船模試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，2條船的最佳狀態(tài)分別在外旋、進(jìn)流角3°和內(nèi)旋、進(jìn)流角4°時(shí)出現(xiàn)，說(shuō)明對(duì)于直葉槳來(lái)說(shuō)，不同船型的最佳旋向和進(jìn)流角差異較大，通過(guò)模型試驗(yàn)確定旋向和進(jìn)流角是非常必要的。

3.3 直葉槳安裝要求

為得到比較好的綜合推進(jìn)效率，對(duì)直葉槳在各剖面的角度都有要求，因此在型線設(shè)計(jì)前期就要考慮直葉槳的安裝位置（見(jiàn)圖9），安裝直葉槳槳盤的橫剖線抬升角需控制在 5°以內(nèi)。對(duì)于雙槳船來(lái)說(shuō)，2個(gè)槳盤中心的間距需大于 1.7倍的槳盤直徑，槳盤中心距舷側(cè)需大于1倍槳盤直徑。槳盤的縱向位置與艉板的間距應(yīng)大于2倍槳盤直徑。此外，艉部槳盤處縱剖線斜升角不能超過(guò)5°，這樣會(huì)引起龍骨抬升點(diǎn)前移，影響船舶的抗搖能力和航向穩(wěn)定性，該問(wèn)題可通過(guò)安裝呆木來(lái)解決。當(dāng)受船舶主尺度的限制時(shí)，可相對(duì)減小兩槳之間的距離，而這可能會(huì)使螺旋槳的推進(jìn)效率下降。

圖9 直葉槳安裝圖

3.4 直葉槳推進(jìn)效率改善

通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)的情況進(jìn)行分析可知，由于直葉槳的安裝位置較高，離水線很近，導(dǎo)致艉流波比較高。借鑒以往高速執(zhí)法船的艉部壓浪板設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)（見(jiàn)圖10），參考以往直葉槳船型的改進(jìn)情況，在船體艉封板下沿往下延伸處設(shè)置壓浪板。壓浪板的長(zhǎng)度D在0.01～0.05m范圍內(nèi)每隔0.01m遞增，通過(guò)測(cè)量其阻力的增加（一般增阻在0.5%以內(nèi)）和推進(jìn)效率的提高來(lái)確定最終的壓浪板尺寸。

對(duì)某2800t調(diào)查船（方艉，傅氏數(shù)約為0.27）進(jìn)行試驗(yàn)，在艉部增加長(zhǎng)度為42mm的壓浪板（船模的壓浪板僅3mm）（見(jiàn)圖11和圖12），艉流波明顯下降，推進(jìn)效率得以大幅提高。設(shè)計(jì)點(diǎn)（航速為15kn，傅氏數(shù)為0.27）處的整體推進(jìn)效率由0.535提高至0.641，達(dá)到了優(yōu)秀螺旋槳的推進(jìn)效率，改進(jìn)效果非常明顯。該船改進(jìn)后的艉流波見(jiàn)圖13。

圖10 某執(zhí)法船艉流波

圖11 壓浪板厚度確定

圖12 某巡視船42mm壓浪板

圖13 2800t調(diào)查船改進(jìn)后的艉流波

表3為某巡邏船（傅氏數(shù)約為0.3）增設(shè)船尾壓浪板后推進(jìn)效率的改善情況。由表3可知，在增設(shè)壓浪板之后，螺旋槳的推進(jìn)效率由0.605提高到0.649，基本上達(dá)到了常規(guī)螺旋槳的推進(jìn)效率，效率提高非常明顯。

表3 改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

此外，直葉槳船的艉板沉深也是一個(gè)重要影響因素。艉板沉深對(duì)常規(guī)螺旋槳船舶的船身效率影響很小，但對(duì)直葉槳船舶的船身效率影響較大，同時(shí)對(duì)船舶的阻力性能有較大影響。對(duì)于中高速船來(lái)說(shuō)，艉板沉深應(yīng)控制在0.10T～0.15T（T為設(shè)計(jì)吃水），此時(shí)直葉槳推進(jìn)效率和船舶的阻力性能均較優(yōu)。但是，對(duì)于采用直葉槳的船舶來(lái)說(shuō)，槳盤處的龍骨抬升角一般會(huì)受限，艉板沉深的大小與龍骨抬升角有關(guān)，若龍骨抬升角很?。?°～2°），會(huì)造成艉板抬升不夠，沉深過(guò)大，甚至超過(guò)0.20T，對(duì)推進(jìn)效率造成不良影響。因此，一般將龍骨抬升角取得稍大一些，以控制艉板沉深的大小。

3.5 直葉槳在實(shí)船上的應(yīng)用結(jié)果

在考慮以上因素的基礎(chǔ)上對(duì)遠(yuǎn)洋漁業(yè)資源調(diào)查船“淞航”號(hào)的型線進(jìn)行優(yōu)化。該船總長(zhǎng)85.0m，設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)81.0m，設(shè)計(jì)水線寬14.96m，設(shè)計(jì)吃水4.8m。在設(shè)計(jì)型線時(shí)考慮直葉槳安裝的特殊需求，將艉輪廓線縱向和橫向均抬升5°，整個(gè)艉部設(shè)計(jì)得較為平直。艉封板沉深0.6m。艉封板距槳盤中心線6.6m。槳盤中心線與外板交點(diǎn)處的水線寬度為12.6m。

直葉槳的直徑為2.8m，葉片頂部寬度為46.88mm，槳型為VP002 型5葉槳，變速齒輪效率為0.97，螺距比為0.8，槳葉長(zhǎng)度為2.318m，螺距方向角為3°。左槳逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。船舶推進(jìn)功率為1650kW×2，航速為15kn。

對(duì)“淞航”號(hào)進(jìn)行海試，測(cè)得：航速為8kn時(shí)，右舵15°回轉(zhuǎn)直徑為179.6m；航速為12kn時(shí)，左舵10°回轉(zhuǎn)直徑為254.1m，右舵10°回轉(zhuǎn)直徑為242.0m；航速為15kn時(shí)，右舵2°回轉(zhuǎn)直徑為539.2m。該船采用直葉槳推進(jìn)，使船舶在零航速至全航速區(qū)間內(nèi)均有明顯的減搖效果，在不同海況下減搖幅度為30%～60%。在船舶航行過(guò)程中，由于槳葉在水平方向旋轉(zhuǎn)，能降低水流對(duì)船體外板的沖擊力，減小艉甲板的振動(dòng)，提高船舶的舒適性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在對(duì)直葉槳進(jìn)行優(yōu)化之后，其推進(jìn)效率能接近或達(dá)到常規(guī)螺旋槳的推進(jìn)效率，且能避免舵、鰭、艉軸、艉軸支架和艉側(cè)推等附體帶來(lái)的阻力，全船總阻力可減小約15%，從而使船舶的快速性能達(dá)到比較理想的水平。

直葉槳改變推力方向的速度非?？?，使得直葉槳推進(jìn)船的操縱性大大優(yōu)于常規(guī)螺旋槳推進(jìn)船，甚至比吊艙推進(jìn)船和Z形推進(jìn)船還要好。在改變推力方向的過(guò)程中，只需通過(guò)控制程序調(diào)整葉片撥水的角度，無(wú)需對(duì)槳盤進(jìn)行轉(zhuǎn)向。因此，直葉槳對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的反應(yīng)能力是目前各種推進(jìn)器中最強(qiáng)的，有著更高的靈敏度和精度，有助于實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位。

通過(guò)對(duì)直葉槳推進(jìn)船的減搖性能進(jìn)行分析可知，直葉槳的減搖功能較好，適用于對(duì)抗風(fēng)浪要求較高的船舶。在“淞航”號(hào)上應(yīng)用的結(jié)果表明，直葉槳的各項(xiàng)性能較好。對(duì)直葉槳推進(jìn)船的快速性、操縱性和減搖性能等各項(xiàng)性能進(jìn)行總結(jié)和分析可知，直葉槳在遠(yuǎn)洋科考調(diào)查船上有較好的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步研究推廣。