半潜船舵桨推进器内部密封设计要点

杜鹏 柳德君

摘 要：6000T半潜船是中交三航局开发的新一代半潜船，该船配套的舵桨推进器由本公司设计提供。文章对半潜船特殊作业工况和项目实际情况进行了综合分析，在此基础上对舵桨推进器内部的密封组件进行了特殊设计，并总结了该船型配套舵桨推进器内部密封设计要点，实际证明该设计方案是安全可行的。

关键词：半潜船；舵桨推进器；空气密封装置；内部密封设计要点

1 概述

半潜船[1]是指在装卸作业时船体绝大部分可以潜入水下，而航行时处于正常吃水状态的一种特殊船型。与常规货船相比，半潜船有其独特的货物装载方式，装卸作业时的下潜和上浮均靠打入压载水和排出压载水来完成。舵桨推进器可通过操纵转舵机构使螺旋桨围绕垂直的中间立柱做360°任意方向旋转，是集推进和操舵功能于一体的特种推进器。由于舵桨下部组件及桨叶全部在海水中工作，因此其内部密封组件性能至关重要。6000T半潜船项目配置的舵桨推进器由本公司设计并提供，由于该船作业模式复杂，作业工况与常规船型有所区别，常规密封方案无法满足设计要求，舵桨内部密封方案需特殊优化设计。

2 设计概况

2.1 船体基本参数（如图1）

船长： 65M

型宽： 36.8M

型深： 5.4M

设计吃水： 4.2M

最大沉深： 22M

推进器布置： 双机双桨

原动机类型： 变频电机

功率/转速： 750KW/1000rpm

舵桨型号： NRP100

船级社： CCS

2.2 舵桨内部密封设计工况分析

舵桨内部密封主要包括两种结构形式：O型圈密封和唇口密封，其中O型圈密封形式为压缩静态密封，唇口密封形式则为旋转动态密封。密封件主要作用是在舵桨正常运行过程中防止外部海水进入舵桨推进器内部和防止内部润滑油泄露至外部海水中，起到隔绝海水和润滑油的目的。

半潜船通常配置DP系统（Dynamic Positioning System），用于船舶下潜或上升运行模式下驱动舵桨保证船体定位精度。半潜船在半潜作业时吃水较深，同时由于船舶作业时吃水深度和位置调整频繁，导致舵桨内部动密封装置内的唇口和衬套之间的间隙会频繁发生变化，在此过程中密封由于舵桨桨叶高速推进和频繁转舵的使用工况致使密封唇口变形发热和过度磨损，使得密封使用寿命减少和发生泄漏。该项目在设计时应充分考虑该舵桨推进器两种吃水模式情况：一种在巡航模式，吃水深度为4.2米；另一种为半潜模式，吃水深度为22米。

2.3 舵桨内部密封设计方案

2.3.1 动密封方案

根据项目船舶设计要求及实际舵桨运行工况综合分析，舵桨推进器NRP100最终选用了荷兰IHC公司的Supreme空气密封组件，通过图2、图3可看出常规密封系统和配置空气单元Supreme密封系统中动密封承受压力之间的区别，常规密封系统中动密封两侧压力差在船舶作业中无法有效调节，随船舶吃水深度变化密封两侧压力变化明显，无法长时间保证有效工作状态，而空气单元密封系统中动密封内侧的压力随着吃水的变化时刻进行动态调节，保证密封两侧压力平衡，密封状态安全有效。

图2常规密封系统

图3空气单元密封系统

Supreme密封系统主要包括空气控制单元1、转舵密封组件和艉密封组件2和回收装置3，具体参见图4。

高压空气通过空气控制单元调节减压后进入转舵密封和艉密封组件，然后回至外部放置的回收装置中，系统内部多余空气可通过底部艉密封装置上的单向阀排出至海水中，从而达到整个系统压力平衡，相关工作原理可参见图5。

密封系统中各组件功能介绍如下：空气控制单元1主要功能是将船上的密封装置的进气压力减至与海水压力相同的水平，减压过程是通过控制箱内的元件进行自动控制完成的，原理是将船舶吃水压力变化转化成空气流量信号，根据流量变化来调节单元内部空气控制阀的阀芯位置，從而达到控制密封组件内部压力的目的。空气控制单元通常要求进气压力在7-10bar，根据该项目最大半潜吃水22米设计要求，将控制单元内控制阀组空气出口压力最高设定为2.2bar。

转舵密封和艉密封装置2主要作用是保证舵桨在转舵过程和螺旋桨推进过程起密封作用，隔绝外部海水与舵桨内部润滑油。其中艉密封装置单独配置了Supreme ventus阀组，该阀组为单向阀组，安装在艉密封密封壳体外部，直接接触海水，其主要作用是将部分多余空气排放至海水中，时刻保证密封两端的压力均衡。根据项目要求选用转舵密封装置SE-400，内孔直径370mm；艉密封装置SVA-190，内孔直径170mm。

回收装置3作用是将少量空气从空气密封舱排出，形成一个有效的排水系统，任何进入密封内的海水或油都会被内部空气排入回收装置内，其密封系统工作状态可以通过定期采样进行监测。根据项目要求选用回收装置容积为10L。

2.3.2 静密封方案

常规船型配置的舵桨中上齿轮箱和顶部油箱与机舱大气相通，内部无滑油，因此O型圈承受压力可忽略不计，而舵桨井箱及下部齿轮箱内部充满润滑油，O型圈承受一定的滑油压力和海水压力。因此常规船型配置的舵桨静密封O型圈受压特点是从上至下压力逐渐变大。

半潜船配置的舵桨配置Supreme空气密封组件，该装置要求舵桨上齿轮箱和顶部油箱与机舱大气隔绝密封，并需将控制单元阀组出口处的空气与舵桨顶部油箱联通，因此该项目中舵桨上齿轮箱及顶部油箱内O型圈最高承受压力为2.2bar，与空气控制单元出口处的空气压力相同，而舵桨井箱及下部齿轮箱内部O型圈至承受内部润滑油压力，半潜船型配置的舵桨静密封O型圈受压特点是从上至下压力逐渐减小，因此舵桨上部O型圈在设计时一定要求注意压力分布特点和最高承受压力。

3总结

根据半潜船作业工况的特殊性，配套舵桨推进器内部可采用空气密封组件装置来保证密封的安全与可靠性，设计时应注意空气控制阀调节后的空气压力应与吃水深度产生压力相等。

常规舵桨推进器内部静密封件受压特点是从上至下压力逐渐增大，而半潜船推进器配置空气密封单元后，内部静密封件受压特点变为从上至下压力逐渐减小，在密封设计过程中需充分考虑两者区别。

4 结束语

目前该项目舵桨前期已顺利通过船级社船检和船东验收，在后续试航和实船应用中该舵桨密封系统显示出高效、安全和稳定的良好工作状态，充分证明该舵桨推进器内部密封方案设计是成功的（如图6所示）。文章通过对半潜船舵桨推进器内部密封设计要求分析，结合与常规舵桨密封设计要求对比，总结出相关舵桨推进器内部密封系统设计经验。目前国内相关类似案例较少，有很大的参考意义。

参考文献

[1]黄蓓蓓，于洋.半潜船发展历史与展望[J].中国水运，2010（1）：4-6.

[2]孙化栋.浅析空气式尾轴密封[J].天津航海，2006（4）：16-18.

作者简介：杜鹏（1981，8-），男，南京人，2006年毕业于山西太原科技大学机械设计及自动化专业，研究生。现南京高精船用设备有限公司工作，工程师。

柳德君（1987，9-），男，南京人，2010年毕业于华中科技大学机械设计及自动化专业，本科，现南京高精船用设备有限公司工作，工程师。