轮缘推进器应用于深潜救生艇的可行性分析

周智勇，孙俊忠，刘 文

轮缘推进器应用于深潜救生艇的可行性分析

周智勇，孙俊忠，刘 文

（海军潜艇学院，山东青岛 266000）

本文简要介绍了无轴轮缘推进器的结构和国内外发展现状，通过总结归纳无轴轮缘推进器优势特点，对比深潜救生艇使用需求，探讨该技术应用于深潜救生艇的可行性，并对应用前景进行分析。

轮缘推进器 深潜救生艇 可行性

0 引言

传统推进系统主要由主机、轴系、推进器等组成，主机功率的增大会带来主机体积的增加和轴系长度的加长，使船舱空间利用率减少[1]。在此背景下，无轴轮缘推进器应运而生。它将电机转子与桨叶集成为一体，取消了传统的穿舱推进轴系和密封系统，采用电能直接传递功率，几乎不占用船舱空间，特点适合于深潜救生艇。

1 无轴轮缘推进器

无轴轮缘推进器（RDT）是基于集成电机推进器的技术而发展的。由于无轴轮缘推进器相对于传统推进器的优势非常明显，近几年来各国对此进行了大力的开发和研究，已有多个国家研发出不同功率和型式的无轴轮缘推进器样机，并且在船舶上已有应用。

早在20 世纪90 年代，美国通用动力电船公司就提出轮缘推进器新概念，设计时仍保留传统推进轴系，故又称作梢部驱动推进器[1]。进入21 世纪后，轮缘推进技术取得了较大发展，取消了传统推进轴系，具有占用空间小、结构布置简单、噪声小等特点。

1.1 结构组成

图1 无轴轮缘推进器结构

无轴轮缘推进器主要由桨叶、电机转子、多磁极定子、水润滑轴承、导罩外壳等组成，从结构上可将其划分为有桨毂型和无桨毂型[2]，外形可参考图1。

有桨毂无轴轮缘推进器的结构是在无桨毂无轴轮缘推进器的结构基础上，为加强结构强度，在桨叶旋转中心再多加1个通过导叶与定子相连的桨毂，其结构对比如图2所示。

图2 无桨毂型与有桨毂型无轴轮缘推进器对比图

1.2 国外研究应用现状

无轴轮缘推进器最早是由美国海军水下作战中心提出来的，并被认为是潜艇发展的重要技术突破点。由于具有噪声低和振动小等优势，无轴轮缘推进器非常适合应用于鱼雷和核潜艇等隐蔽性要求高的军事领域。通用动力电船公司在上世纪90年代设计了一组梢部驱动吊舱推进器，并进行了试验研究，研究表明梢部吊舱推进器的敞水效率要比桨毂驱动的吊舱推进器高5%～10%左右；之后该公司在2002年和宾夕法尼亚州立大学应用研究试验室合作，设计了以巴拿马船为使用对象的轮缘驱动推进器；随后又把美国海军退役的小水线面双体船SES-200(船长48.8米、宽13.l米、吃水5.6米、满载排水量340吨) 作为应用对象，设计了一型轮缘推进器用于辅助推进[1]；2003年美国海军研究办公室与太平洋船舶供应公司和缅因州大学合作，开发了2100马力的无轴轮缘推进器；2012年Rolls-Royce公司开发的永磁RDT（TT-PM1600）交付挪威奥林匹克航运公司使用；2014年，Voith公司的两台VIT 2000-1000型RDT被应用为船艏侧推使用；2015年，由Rolls-Royce公司设计制造的RDT交付安装在挪威科技大学的研究船上（单机额定功率达到500 kW）[3]。此外，国际上的其它船用推进器供应商（如Brunvoll、Schottel等），也都先后开发了无轴轮缘推进器系列产品。

1.3 国内研究与发展现状

国内对无轴轮缘推进器的技术研究起步较晚，与国外相比差距较大。在“八五”期间，我国已开始研制20 kW集成推进器原理样机；2006年，863海洋领域开展了“AUV、ROV集成推进器”课题研究；中国船舶七〇二所和哈尔滨工程大学等在水动力性能分析方面对无轴轮缘推进器进行了研究；海军工程大学马伟明院士团队、七〇四所和七一二所在无轴轮缘推进器样机研制方面已开展深入研究，取得了一定研究成果；浙江三力士智能装备制造有限公司研制的小功率样机已成功应用在潜水器上[2]。

2 深潜救生艇推进装置

LR7推进装置由两个主推进器和四个辅助推进器组成。主推进器安装在艉部左右两舷，可转向。四个辅助推进器有两个装在舯部左右两舷，一个装在艏部，一个装在艉部。主推进器为电动推进器，能够以“差动推进”模式驾驶或者操作，提供向前和向后的动力。辅助推进器由液压驱动，舯部两个辅助推进器可以旋转90°以提供垂向控制。艏部和艉部的辅助推进器可以同时运行，也可以分别运行，以分别控制横向运动和旋转运动。如图3所示。

图3 LR7推进器布置图

主推进器由两个无刷直流电机组成，每个电机经变速箱驱动一个螺旋桨。推进器安装于LR7艇尾部外面，分别位于左右舷两侧。每个推进器安装于一个转向机构上，该机构允许推进器直接连接到左舷或右舷，以实现转向的变化。

主推进器由23 kW无刷直流电机和一个轴承组件组成。在前进方向上，主推可提供约3.85 kN的推力。电机转速为3 000 rpm。采用Brevini公司的齿轮箱，将其安装在电机和螺旋桨轴之间，以降低螺旋桨的转速至额定转速500 rpm。虽然齿轮箱和轴承共用一个补偿器，电机、齿轮箱和螺旋桨轴的轴承之间都彼此各有密封。主推安装在枢轴上，以便可以转向。

图4 LR7主推进器结构

日本川崎公司建造的载人深潜救生艇（DSBV）艇长12.4米，艇宽3.2米，艇重40吨，装有一台22 kW电机作为推进动力装置，航速4节，可载12人。推进装置结构与LR7类似。

3 深潜救生艇推进装置应用无轴轮缘推进器的可行性分析

3.1 推进效率更高

现阶段成熟的无轴轮缘推进器产品的功率一般为100 kW以下，在舰船领域一般作为应急推进或侧推装置。LR7推进电机为23 kW，日本川崎深潜救生艇为22 kW，采用无轴轮缘推进器完全可以满足要求。采用无轴轮缘推进器的船型可以使船舶艉部结构线性得到进一步优化，提高船体流体性能和水动力特性。根据仿真测算，采用无轴轮缘推进器的船型航行阻力比采用传统推进系统的可减小5%～10%。无轴轮缘推进器还直接使用海水散热，节约了冷却系统的能源消耗，提高了全船的能源利用效率，可使深潜救生艇在水下工作更长时间，提高救援效率。

3.2 占用船舱空间少

LR7由3个彼此连接的球形耐压结构组成。前部的球形舱是操纵室，可容纳2名驾驶操纵人员，中部为救生舱，下面连着半球形耐压设闸室。后部为机械和动力舱。如果采用无轴轮缘推进器，则可以省下传动轴、齿轮箱和轴承组件，节约大量的后部空间。无轴轮缘推进器由于使用水润滑的复合材料轴承，且完全浸没于海水中，因此推进系统不再需要轴密封件、独立冷却系统和充油式的齿轮箱壳体等。占用船舱空间少可使深潜救生艇在救生作业时，搭载更多人员。

3.3 布置灵活

LR7装有4个辅助液压推进器，其中两个横向推进器，一个装在艏部，一个装在艉部。两个侧向推进器，分别装在左右舷。

辅助推进器由液压系统驱动。推进器推力与螺旋桨转速成正比，而螺旋桨转速又与螺旋桨轴驱动力矩成正比，螺旋桨轴驱动力矩取决于液压马达的供油压力和排量，所以可以通过控制马达的供油压力和排量这两个因素来控制螺旋桨的转速和推力。

深潜救生艇由于特殊的用途，必须安装有横向推进器和侧向推进器。LR7采用液压推进模式，与电力推进相比，需要安装液压泵、液压油箱、蓄能器和液压马达等，远不如电力推进方便。但如果采用常规电力推进，就需要在艇的艏部、艉部、舯部两舷安装四个方向的传动轴，布置极为不便。采用无轴轮缘推进器，由于没有机械传动轴，只有“电”的联系，安装布置将会非常方便，且由于无轴轮缘推进器可以360°的旋转，可使船舶转弯半径减小，操纵灵活。

4 结论

无轴轮缘推进器由于结构特殊，现阶段应用于舰船主推进系统为时尚早。由于功率能满足深潜救生艇需要，可节约一定的舱内空间（这对于容积非常有限的深潜救生艇难能可贵），有效提高辅助推进器布置效率，在深潜救生艇上应用具有很大的优势。为尽早在深潜救生艇上应用，还需要解决一些关键性技术问题，包括大功率电机-螺旋桨一体化设计原理和方法的研究、无轴轮缘推进智能控制策略的研究、无轴轮缘推进系统-船体的动力学耦合关系的研究和无轴推进装置振动和噪声控制方法的研究等[4]。

[1] 邱鹏, 郑高. 轮缘驱动推进器的研究与应用现状[J].广东造船, 2019(2): 28-30.

[2] 胡举喜, 吴均云, 陈文聘. 无轴轮缘推进器综述[J].数学海洋与水下攻防, 2020, 3(3): 185-191.

[3] Yan X, Liang X, Ouyang W, et al. A review of progress and applications of ship shaft-less rim-driven thrusters[J]. Ocean Engineering, 2017, 144: 142-156.

[4] 谈微中, 严新平, 刘正林等. 无轴轮缘推进器研究现状与展望[J]. 武汉理工大学学报, 2015, 39(3): 601-605.

Feasibility analysis of rim-driven thruster applied to deep submersible lifeboat

Zhou Zhiyong, Sun Junzhong, Liu Wen

(Navy Submarine Academy, Qingdao 266000, Shandong, China)

U664

A

1003-4862（2022）09-0043-03

2022-04-14

周智勇（1972-），男，教授，研究方向：舰船电力系统。E-mail：qd_zzy168@163.com