破冰船动力系统及主推进器发展与应用分析

张燕

（上海倍豪船舶科技有限公司，上海 200439）

0 引言

随着科学技术的发展，我国在极地考察、海洋探索等方面取得了重大突破，不断深入的现代化建设促进了船舶的发展。全回转推进器因其简便的操作流程、与船只匹配度高、方便快捷的安装程序、安全可靠的技术保障等优点，成为近几年船舶安装推进系统的首选。全回转推进器的制造技术已经很成熟，如今能从市场上购买到各式各样的全回转推进器。全回转推进器已经在民用运输、海洋科考、极地探索等各个领域得到了广泛的应用。考虑到船只的种类、承受力、结构组成、装置设计都有所不同，全回转推进器的结构类型也有所不同。例如在南北极科考的船只对其破冰能力的要求极高，因此在使用全回转推进器时应充分考虑推进器的性能，只能支持船舶前进的普通推进器已经不再适用于行驶于冰面的船只，所以还需进一步加大对全回转推进器破冰能力的改进。

1 概述

1.1 全回转推进器特点分析

随着全回转推进器技术的不断发展，有效地提升了船舶的操作性能，因此船只对全回转推进器的应用也越来越多。全回转推进器包括全回转舵桨推进器和全回转吊舱式推进器两种类型，其在特定的车间内完成组装任务，若有损坏需要对其进行维修时，操作也是十分方便。舵桨装置结构略微复杂，组成部分包括转动轴、螺旋桨、变速齿轮等，通过伞齿轮传动机构使螺旋桨或导管推进器能够在水平面内完成360的转动，并保障船舶的运行。吊舱作为一个独立的推进板块，直接连接螺旋桨，位于船只底部，使电机能够在水面下完成对船只的推进作用，由于吊舱的电力传动装置组成单一，推进器内部的定距桨结构简单，电力不需要经过机械齿轮，因此工作效率比一般的推进装置更高，360的动力供应可以实现船身任意方向的推力变化，能够快速改变航行方向。但是由于吊舱成本过高，一般在大型破冰船或者邮轮上使用居多。初代的吊舱是专门为破冰船而设计的，它能够让船只实现侧向破冰和倒向破冰，能够开出比自身还宽的航道，经过了技术的革新，吊舱逐渐获得了广泛的应用，随着科学技术的发展，吊舱被改进成紧凑型吊舱，逐步应用于渔业船只和科考船只。但是目前的吊舱依然存在一些问题，例如对于体型较大的船只，传统的全回转吊舱式推进器破冰船无法为其开辟出更宽的航道，因此相关人员还需要进一步加大对船舶全回转推进器的设计和研究。

1.2 推进装置发展现状

传统破冰船一般有四个螺旋桨，均匀分布在船头和船尾。当螺旋桨正方向旋转时，冰面下方的水被抽取出来，冰面变薄出现裂痕，然后螺旋桨将水和冰冲离船头，让船获得一个前进的动力；在螺旋桨反方向旋转时，能够起到帮助船舶后退的作用，使船的机动性增强。

一般而言，螺旋桨无法在结冰超过30cm 厚的水域中很好地运行，因此对如俄罗斯、加拿大等冬季水域结冰厚度能够达到2m 的地方，螺旋桨是无法进行正常工作的。尤其对身处南北极海域的船只来说，由于冰层过于厚实，螺旋桨几乎发挥不了作用，安装在船只尾部的螺旋桨容易出现严重损坏甚至断裂的情况。所以为了便于船舶在冰层较厚的北方地区更好地工作，设计人员除了在船只的头部与尾部安装螺旋桨，往往还会在船身的中部安装螺旋桨。但这种安装方式并不能完全解决问题，例如一些在南北极地区工作的船只，由于船体体积较小，而动力系统过于发达，导致船身在工作时容易出现剧烈晃动。各个国家对于船舶推动系统的研究正在不断深入，为了满足船只不同的工作需求、提高船只的工作效率、保障船舶作业的安全，研究人员设计出Z 形推进器、POD 推进器、固定式推进器等针对不同船只的一系列推进器，满足了大部分船只在不同环境下的工作需求。全回转推进器作为一种新型推进器，满足了船只的破冰要求，提高了船只的工作效率，为船只安全工作提供了保障。

2 船舶全回转推进器的发展现状

如今全球变暖已是不可否认的事实，随着北极冰川的不断融化，越来越多国家将开发北极航线纳入计划清单，各个国家船舶建造行业取得了飞速发展。目前国内外破冰船的推进器主要采用柴油机机械推进系统、柴油机电力推进系统、定距桨、常规全回转推进器等。全回转推进器在竞争中展示了强大的优势，其良好的操作性能够与破冰船较高的操作性要求相匹配，使其成为目前应用最为广泛的推进器之一。但是由于常规全回转推进器的螺旋桨安装在船身的侧边，前方靠近船头的螺旋桨极易受到水流的影响，使螺旋桨的动力性能减低，导致全回转推进器工作效率变低，针对于此，研究人员对常规全回转推进器进行改进，设计了L 形全回转推进器。以下是对破冰船主要动力系统发展现状的介绍。

2.1 柴油机机械推进系统发展现状

柴油机机械推进器是由柴油机作为动力系统的主动机，其内部的组成结构如图1所示，螺旋桨的动力由柴油机提供，作为提供动力的原动机，柴油机能够直接实现能量的转换，或者间接通过齿轮箱内部的变速器，将能量输送至螺旋桨，让螺旋桨高速运转，柴油机机械推进系统的优点在于动力转换的方式单一，能够实现直接的动力转换，不需要太复杂的程序，从而避免了在动力传输过程中太多的动力损失，柴油机机械推动系统的成本低、操作简单，因此受到生产商和使用者的青睐，但柴油机机械推进系统属于较为传统的推进系统，需要较大的使用空间，并且在特殊情况下或突然改变工况时，可能出现主机械无法正常运作的情况，因此在对柴油机机械推进器系统的改良过程中，要把提高船舶机动性作为重点内容。

图1 柴油机机械推进系统

2.2 柴油机电力推进系统发展现状

柴油机电力推进装置类型可以分为传统轴桨推进、全回转推进和吊舱推进。柴油机电力推进系统对柴油机机械推进系统进行了优化，动力转换的过程由柴油发电机来完成，柴油机电力推进器系统内的固态整流器和变频器能够将发电机内产生的动能转化为电能，并为电机供电，主要组成部分包括螺旋桨、推进电动机、变频器、变压器、交流电网、柴油发电机组，具体结构如图2所示，柴油机电力推进系统在操作性能方面得到了极大改善，并且占地小，能够为船只节省使用空间，在工作过程中不会产生很大的噪音，能量消耗低，具有环保性。但是由于柴油机电力推进系统能量转换的流程复杂，转换阶段较多，因此会产生很大一部分的电力损耗，电力的损耗会增加船只航行和工作中的安全隐患；并且其组成十分复杂、电力配件种类繁多，因此操作人员需要具备专业的知识技能。

图2 柴油机电力推进系统

2.3 定距桨发展现状

定距桨通常应用于破冰船。定距桨可以根据需要拆分为四叶型定距桨，每一片桨叶都具备较大的功率，因此工作效率极高，且结构十分简单、价格低廉、安装成本低，世界上大约有10 多种类型的船只都采用了定距桨。定距桨由柴油机直接驱动，能够在破冰方面发挥重要作用，但是在一些特殊工况下，定距桨的工作效率会明显降低，无法达到良好的效果，所以定距桨一般适用于对破冰工作有着严格要求的船只。

2.4 常规全回转推进器发展现状

全回转推进器能够360全方位提供动力支持，还能够实现对船舶空间的合理利用，能够达到船舶工作机动性的要求，能够实现电力利用效果的提升，而且操作简单，若受到损坏时，不用担心会产生过高的维修成本。随着科学技术的进步，为了提高船舶在冰面较厚地区的工作效率，研究人员对常规全回转推进器进行了改造，例如舵叶会对船舶工作产生一定的影响，因此在对全回转推进器进行改良时放弃了舵叶的设计，使推进器在水下工作的动力得到了提升，可以实现船舶在冰面较厚的水域也能完成倒航与转向，有利于船舶在航行时快速躲避障碍物，为船舶的安全航行提供了保障。

2.5 L 形全回转推进器发展现状

L 形全回转推进器是以常规全回转推进器为基础进行改造的产物。其由两部分组成，为安装与维修工作提供了便利。其上部分是永磁电机，占地面积小，能为船舶节省空间。L 形全回转推进器改变了原先的连接形状，将基座的连接处设计为圆弧形，使底部的硬度得到增强，对于推进器的整体支撑结构而言，L形推进器的支撑形式是单底的支撑，图3是单底支撑结构的平面图。

图3 单底支撑结构平面图

L 形全回转推进器与其他类型推进器的不同在于，L 形全回转推机器是安装在船身内部，虽然在一定程度上会影响船只内部的使用面积，但能够大大提高支撑高度，船体结构连接处会为支撑推进器提供安全保障，因此推进器可以获得更大的功率，很多中小型科考船都采用了L 形全回转推进器。

3 全回转推进器主要控制措施及应用现状

3.1 全回转推进器主要控制措施

一是对于安装了舵桨装置的船舶，可以根据实际情况和工作要求安装定距桨，但是不能使用可调桨。

二是若船舶对破冰有要求时，应使用强度高的螺旋桨（如镍铝青铜），而螺旋桨要具有一定厚度，因此为了减轻螺旋桨的重量，又要保障材料的硬度，在螺旋桨的选取上应首先选择组成材料为不锈钢的螺旋桨。

三是不能选用转速过大的桨，转速过大，易导致船舶在航行过程中产生噪声以及机械震荡。

四是在对螺旋桨进行设计时，需要考虑到其工作时是否会产生水下噪音，因此可以与计算机技术相结合，预测螺旋桨的水下工作噪音效果。

五是舵桨装置需要减少齿轮传动副、减小齿轮噪声，建议采用降噪型的推力轴承。

六是优化科考模式，在科考静音模式下，减少回转风险，提高舵效。

七是对于推进电机安装于水下的吊舱，会产生电机水下辐射噪声，需要结合全船振动噪声设计开展评估及采取结构加强等更多针对性的设计。

3.2 全回转推进器的应用现状

全回转推进器在船舶上的应用特点主要表现在以下三个方面。

一是如果齿轮桨转速过快，则容易引发船身振动，在船舶航行过程中产生噪声，所以一般采用吊舱，因为吊舱是无齿轮传动，可以有效改善因为转速而产生的振动和噪声情况。

二是由于吊舱电机安装在水下，电机是主要的水下噪声辐射源，因此需要采取多种措施来降低所产生的水下噪声，技术上更复杂。

三是由于电动机的转矩受到限制，要求较高的轴转速，有些情况下无法实现最优螺旋桨效率。

4 结语

随着科技时代的到来，传统的船只推动装置被现代化的全回转吊舱式推进方式所取代，新型全回转推进器的诞生作为我国船舶设计领域的一大突破，为船只海上作业的发展做出巨大贡献。全回转推进器相比于传统推进器具有更好的机动性能、更简捷的安装操作、更小的占地面积，因其能够实现360的全方位动力供应，可以提高船舶的工作效率，及时躲避障碍物，为船舶的航行提供了安全保障。如今，我国全方位推进器技术不断取得新进展，全回转推进器将是未来船舶行业推进器研发与应用的主要方向。