吊舱推进器在海事测绘船舶的应用

胥祺 严明 戴红伟

（東海航海保障中心上海海事测绘中心，上海 200090）

摘要：本文简述了当前海事测绘船舶工作环境、设备条件，对比国内外测绘行业船舶的科技手段，从而阐述吊舱推进器在海事测绘船舶的应用;还归纳了新型船舶在结构布局、操纵性、测量精确性、经济性、环保性等方面的优势，为海事测量船舶的发展及建造提供参考。

关键词：海事测绘;吊舱推进器;发展;建造

0 引言

海事测绘作为海上交通安全的重要技术保障，在整个航运经济中扮演着卜分重要的角色。总体上，我国海事系统的海道测量能力较弱，测量范围主要集中在沿海和部分离岸50n mile以内的沿海水域，尚不能开展近海水域内的航路和专题水域交通测量。作为海道测量的基础作业平台，全国海事系统仅有各类测量船艇17艘，且主要是300t及以下排水量的小型船艇，还没有真正意义上的大型专业测量船，仅有l艘由东海航保中心原大型航标船改造的测量船“海巡166”，该船建成于1977年，至今服役已近42年。

为满足日益增长的沿海水域交通测绘工程需求，交通运输部提出了“专属经济区海事测绘”的发展战略，计划将海事测绘范围由沿海向近海及远洋拓展。在新的发展形势和要求之下，海事测绘面临着良好的发展机遇，也存在着测量船舶和装备能力不足的巨大挑战。

目前，发达国家的测量船舶越发注重测量功能的综合性、测量区域多用性，因此船舶动力推进系统也越来越注重它的设备先进、运行可靠、维护管理简捷、功能优良、振动噪声低等性能。值得一提的是英国的2艘水文地貌考察船（见图1），各配置ABB公司的2xl700 kW的吊舱推进器，全船长90.6m，设计航速为15kn，吨位为3470t。首船“HMS Echo”号荣登当年年度全球最佳船舶榜，促成英国船东选定吊舱推进器系统的主要因素是吊舱推进系统的低维护成本、低噪声和操作简单。

我国目前装备吊舱推进的船舶，如“雪龙2”号破冰考察船、中科院青岛海洋所“科学”号以及中国海洋大学新一代海洋综合科考船“东方红3”号考察船等。吊舱推进船舶的先进性能在各个船型均得到充分的验证。首艘由中国自行设计的采用紧凑型吊舱装置的全电力推进系统船舶“中国海监83”号（见图2），在2005年投入使用至今。该船操纵性极佳，可靠性好，船体振动轻微。此外，该船的吊舱式电力推进系统与常规推进系统相比，燃油可节约10%-15%。功率管理系统可根据负载的要求，智能选择投入运行发电机组的数量，从而到最佳的经济效率。

2 吊舱推进器船舶概述

作为一种新一代的全电力推进器，吊舱式推进器在20世纪90年代早期开始投入应用。在吊舱推进系统中，电动机安装在一个浸没于水中的可旋转吊舱中，螺距螺旋桨（FPP桨）轴直接与电机转轴相连接，发电机组给船舶电站供电，进而带动推进电机旋转，如图3所示。与传统的螺旋桨推进方式相比，吊舱推进器减除了轴系、缩减了艉轴间，船体艉部可优化设计成平缓流线型，进而提高船舶推进效率;省去舵及侧推器并提高船舶操纵和紧急机动能力;降低螺旋桨空泡、船艉振动及水下辐射噪声等。

3 吊舱推进器船舶的操纵性能

得益于吊舱推进器快速回转的特性及优异的横向推力，船舶的快速反应和应付紧急情况下避撞等操纵性能得以大幅提高。

3.1 紧急停船性能

紧急制动时，吊舱推进器采用独特的制动方式，在保持螺旋桨转速的同时进行180°回转，从而改变拉力的方向将船舶制动。

3.2机动性能及DP定位性能

吊舱式电力推进系统有更好的倒车性能，可以采用回转的方式倒车，也可以通过直接反转螺旋桨的方式，尤其是大风浪天作业时，其灵活操纵优势更加明显，即使在8级风的情况下仍能自行靠近目标，增加船舶在恶劣海况下的工作能力。

转舵速度：在操控模式下，吊舱推进器的电力转舵速度为12°/s。

反转速度：DP定位时吊舱推进器可以直接反转螺旋桨迅速改变推（拉）力的方向，达到快速反转效果。而轴系推进器一般先停转螺旋桨，然后再反转。

单台故障影响：因其快速转舵及直接反转的特性，吊舱推进的船舶在单台故障时依靠单台推进器快速改变推力方向，仍能保持较好动态定位能力.

4 吊舱推进器船舶的测量精确性、舒适性

吊舱推进系统因为独特的轴系结构设计、原动机转速固定，对船体的振动噪声大大降低;螺旋桨的针对性设计、防气泡船体一体化多波束导流罩的应用、新型变频器的研发也满足DNV SILENT R的静音要求。振动噪声低的船舶设计提高了测量设备测量数据的精确性，也提高了在船人员生活及工作的舒适度。

4.1 舱室振动噪声

采用吊舱推进的船舶，振动噪声大大降低。体现以下几个方面：

（l）由于吊舱推进船舶没有中间传动的传动轴系和变速齿轮箱，螺旋桨与船体之间也不存在刚性连接，对船体产生的振动噪声得以大幅改善。

（2）轴系或Z推一般采用推式桨，来流流场受艉部构件影响产生紊流，吊舱式电力推进器采用拉式桨，其螺旋桨盘面正对水流，能获得均匀的流畅，从而有效降低螺旋桨的激振力。

4.2水下辐射噪声

测绘是海事测量船舶的主要作业，而水下辐射噪声对测量精确性和高效性有不可忽略的影响。

参照DNV SILENTR的标准，分为：（l） Silent（R）;（2） Silent（F）;（3） Silent（A）; （4） Silent（S）;（5）Silent（E），见图5。

螺旋桨低频和电机的高频电磁噪声是吊舱推进船舶水下辐射噪声主要来源。由于采用拉式螺旋桨，流畅均匀，5叶桨设计，并且螺旋桨负荷非常低，llkn航速时，螺旋桨功率仅600kW左右，螺旋桨的水下噪声将得到最大限度的降低。可专门设计螺旋桨，采用防气泡船体一体化多波束导流罩和最新系列ACS880变频器，优化变频器的控制模式，将吊舱水下电磁噪声控制到最低水平并满足科考船静音DNV SILENTR的要求。

從“向阳红3”号科学考察船看，采用吊舱式推进船舶设计，在经济航速和最大航速工况下全船61个住舱均满足中国船级社舒适度（COMF）2级标准，远远优于通常科考船所能达到的噪声级别，全船噪声最低的舱室噪声实测仅为38.9dB;此外，经挪威船级社水下噪声测量部门的标准测量，本船在O-llkn的全航速段水下辐射噪声均满足挪威DNVGL船级社最高等级SilentR的要求并获得认证。减振降噪设计与建造实施的成功，为船上工作人员提供了更加舒适的生活和工作环境，为船载精密科学仪器提供了精确的测量环境。“东方红3”号船即将成为全球首艘获得DNV GL水下辐射噪声最高等级SilentR证书，这也为海事吊舱推进船舶提供一个很好的参考。

5 吊舱推进器船舶的经济性能

5.1推进效率

吊舱电力推进作为一种新型电力推进器，与常规柴电电力推进和机械推进相比，有着更高的推进效率（见图6），具体体现在以下几个方面：

（l）采用拉式桨设计的吊舱，拉式螺旋桨能够产生非常好且均匀的伴流区，可提高螺旋桨流体动力效率并减少空泡现象。

（2）推进器的螺旋桨直接安装在推进电机的转轴上，无任何中间传动能量损失。

（3）吊舱推进船舶消除了常规艉轴，船体艉部可设计成平缓流线型，从而降低船体阻力。

（4）吊舱推进的船舶不配备减速齿轮箱，中间轴承，艉管轴承等设备，内部也无伞形齿轮等传动机构，相应节约这些设备的润滑及冷却需要的辅助动力能源。

5.2运行成本

（l）燃油消耗

燃油消耗成本取决于运行时电站的负载需求。与其他推进相比，吊舱推进节约燃油消耗，据运行的“中国海监50”及烟大线铁路轮渡反馈，其配备Azipod电力推进系统的运行船舶比同类其他推进方式的船舶节约l5%-25%的燃油。

（2）滑油消耗

滑油消耗成本取决于消耗滑油设备的数量及更换周期，吊舱推进系统不配备减速齿轮箱，中间轴承，艉管轴承等设备，相应的滑油消耗不再需要;无艉轴管滑油泄漏风险，避免因滑油意外泄漏引起的滑油消耗。

（3）运行可靠

吊舱推进系统设计简单，统计的平均可靠性高在99.8%以上，运行时间已经突破700万h，无运行方面的风险。

5.3 维护保养

吊舱推进器仅有一根传动轴，可省却大量轴系推进系统所需设备，设备的维护保养大大简化。日常主要维护是定期更换空气滤芯，定期更换少量的润滑油。5年周期维护原材料费用大概是30万每台，主要维护内容是更换艉轴密封。吊舱维护保养简单方便：检修时间最长可达10年;所有维护工作都可以在干船坞内完成;48h内即可完成密封件和轴承的更换;吊舱推进系统水下安装在24h内完成。

6 吊舱推进器船舶的环保性能

随着海洋资源的开发、深海战略的拓展，人类对海洋的探求力度加大，但也对海洋环境破坏加剧，各种海洋环保公约相继而出。因此，环保性能也是海事测绘船舶发展中不可忽视的一面。

6.1 大气环境

吊舱推进船舶是通过负荷加载使中速柴油机在恒速工况附近运行，较其他推进方式的船舶节能且减少废气的排放量，降低大气污染。

6.2 海洋环境

海洋污染很大一部分与船舶滑油泄漏相关，轴系或Z型推进系统需要高达以吨汁的润滑油，如果轴系艉管及Z型推进器的密封发生泄漏，内部的滑油会泄漏到海水中造成海洋污染。

吊舱式电力推进器仅推力轴承需要约60L左右的润滑油，且采用密闭油壳式自润滑方式，完全与海水隔离，从根源上杜绝推进系统常见的轴系艉管滑油泄漏或机械全回转滑油泄漏问题，避免对日益恶化的海洋环境造成污染。

7 吊舱推进器与机械推进器对比（见表1）

吊舱是无齿轮传动的推进器，同机械推进器（Z型传动或者L型传动，也称为舵桨）有本质区别，见图7。

8 结束语

随着国家提出建设海洋强国战略和“一带一路”倡议等的部署，海洋经济及航运贸易将迎来新的发展机遇。面对新形势和新要求，为保障国家战略实施和经济社会安全发展，有效履行相关国际公约，提升我国海事部门执行深远海测任务的综合能力，满足多海域任务的执行要求，保障国家海洋战略实施。建造新型测量船舶对我国海事发展有着积极的意义，争取早日拥有吊舱式推进船舶，参与测量领域的国际竞争。

参考文献

[1]董涛，王志新.吊舱推进器研究开发与应用新进展.船舶工程，2007，29（1）：1-3.

[2]谢清程，易小东吊舱式电力推进器新进展中国船舶重工集团公司第704研究所（技术篇），2004，32（3）：29-31.

[3] ABB公司.ABB吊舱推选技术[s].2010.

[4] 国际船舶网.江南造船建造全球最大静音科考船“东方红3”船完成试航2019.