吊舱式电力推进应用及发展

郑安宾，许汪歆，梁金雄，田忠殿，郑 建

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

吊舱式电力推进器（POD），简称“吊舱推进器”，是近年来发展起来的一种新型的船舶电力推进系统。2 0 世纪80 年代，芬兰K vaer n er Masa-Yards（KMY）船厂和ABB公司联合开发了世界上第1台吊舱推进器（Azipod）。该型式的推进器是一个延伸在船体后半部下面的装于一个类似吊舱结构中的电力推进单元，能进行360°旋转。电力推进单元包含1台推进电机，直接驱动（定距）螺旋桨。推进电机由变频器控制，使电机在整个运行速度范围内达到满转矩。20世纪90年代初，安装Azipod推进器的近海船“Selli”号和破冰油轮“Uikku”号在试航过程中取得令人满意的效果后，吊舱推进器开始引起人们的关注，并迅速发展起来。

吊舱推进器从提出概念发展到目前，已有多种结构布置形式。本文根据相关资料和设计经验，将吊舱推进器结构划分为以下几部分：回转模块、吊柱模块和推进模块，其结构组成见图1[1]。目前，国外吊舱推进器生产商主要有ABB、Kongsberg、Siemens和GE等公司，推进功率已达到30 MW级，产品广泛应用于海工平台、豪华邮轮、液化石油气船、科考船及破冰船等高技术含量船舶。据统计，2010—2020年，在建造交付的船舶中，吊舱推进器装船总功率超过了3 000 MW。

图1 吊舱推进器结构组成示意图

1 吊舱推进器的特点

吊舱式电力推进器突破了原动机加开放式的传动轴系形式，因此与传统的推进方式相比，在船舶设计、性能、制造及维护等方面具有诸多特点，现将其优点[2-4]和缺点[5-6]归纳如下。

1）空间配置灵活，节省舱容

吊舱推进器与轴系推进装置相比，取消了舱内轴系及其传动附件，发电机组通过配电板、变压器以及变频器等为推进电机提供动力。因此，动力装置可在机舱整个空间内立体布置，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容，为船体设计，尤其是船艉和集控室部分的设计提供了极大的灵活性。

吊舱推进器与Z型全回转舵桨相比，推进电机置于水下的吊舱内，舱内部分只有转舵装置、滑环以及冷却润滑系统，因此所需舱容更小。以某4 000 t科考船为例，采用吊舱推进器与采用常规轴系推进方案对比，舱容提高了约27%。

2）提高船舶操纵性能

吊舱推进器可360°回转，能在任何方向获得最大推力，实现船舶原地回转、横向移动、急速后退和微速操舵等特殊驾驶操作。

吊舱推进器推进电机的最低稳定转速可以达到额定转速的几十分之一，驱动时螺旋桨从全速正转到全速反转最少只需15 s左右时间。因此，采用吊舱推进器相对于常规推进器大约可减少20%的反应时间，全速时的转弯半径相对于常规推进器可减少30%左右。经实船测试，某装备吊舱推进器的科考船能够在5 min内实现原地360°回转，在130 s内实现船速由15 kn降至0。

此外，吊舱推进器容易获得理想的拖动特性，如恒转矩特性、恒功率特性、堵转特性等。

3）提高水动力性能，节省燃料，经济性好

目前，吊舱推进器从结构形式上分为“L”型和“T”型，从进流方向上分为“拖式”和“推式”，从螺旋桨配置上分为“单桨”和“对转桨”。无论吊舱推进器结构形式和配置如何，其水下吊柱横截面采用“机翼型”剖面，最大限度的减小附体阻力。通过CFD和水池试验表明，优化后的吊舱推进器水动力性能比常规轴系桨提高4%左右。采用吊舱推进器，船舶艉部线型可以得到最优化设计，减小船体阻力。据测算，经过优化后的船型效率比使用常规轴桨可提高10%～15%。

在非设计工况时，可以根据负载的需求量决定并入船舶电网的发电机组数量，使每台发电机都能以较高的效率运行，从而减少燃油的消耗。

4）降低噪声和振动

吊舱推进器的推进电机布置在水下吊舱内，不与船体直接连接，更容易满足螺旋桨与船底间隙的要求。因此，其产生的噪声和振动比采用常规推进器小。此外，采用“拖式”吊舱推进器与常规推进器相比，其进流更加均匀，可以减小空泡效应，从而降低螺旋桨作用在船底的脉动压力，降低水下辐射噪声和船体振动。

目前，采用吊舱推进器的科考船，水下辐射噪声等级可以达到挪威船级社的SILENT A+S级要求，经过优化甚至可以达到F级要求。

5）模块化程度高，便于安装和维护

吊舱推进器可以分为3个模块：回转模块、吊柱模块和推进模块，每个模块均可独立加工、组装，然后在船厂完成吊舱推进器的总装。为加快船舶建造进度，可先将吊舱推进器的回转模块预装于船舱中，当船舶下水后将吊舱推进器水下部分直接在船外完成安装。

吊舱推进器可以潜水维修，更换艉轴密封、螺旋桨等。对于大功率的“T型”吊舱推进器，甚至可以实现在内部进行轴承和密封部件的维修与更换。

6）初始成本高

吊舱推进器是新型的船舶电力推进装置，为保证吊舱推进器的使用性，需对其使用的推进电机、密封装置、滑环装置进行专门设计，这大大增加了吊舱推进器的投入成本。此外，由于吊舱推进系统需要较多的电气元件，因此相比常规推进其成本也会增加20%～30%左右。

2 吊舱推进器产品及应用开发

自第一台吊舱推进器应用以来，经过近30年的发展，吊舱推进器产品已逐渐成熟，广泛应用于各种船舶。目前具有代表性的厂家和产品主要有以下5个。

2.1 Azipod 推进器

ABB公司开发的吊舱推进器为Azipod，目前Azipod推进器有紧凑型（Compact Azipod）、标准型（Standard Azipod）、对转型（CRP Azipod）和冰区加强型4种型式。

紧凑型Azipod包括C系列和D系列（见图2和图3），均采用永磁同步电机作为推进电机，功率范围为0.4 MW～7.5 MW。C系列为“L型”结构，推进电机完全依靠外部海水冷却，而D系列为“T型”结构，推进电机采用混合冷却技术，并且结合了C系列和大功率XO系列的最佳功能，因此能够为游轮、渡轮等提供经济高效的动力。目前，ABB公司中小功率吊舱推进器主要为Azipod D系列。另外，针对高推力要求，ABB公司开发了一种带导管的推式吊舱推进器，称为DZ系列，功率范围2.1 MW～7.5 MW。

图2 Azipod C系列

图3 Azipod D系列

标准型Azipod包括MO系列和XO系列（见图4和图5），属于中、大功率吊舱推进器。MO系列采用了ABB第四代高效永磁电机，功率范围为7.6 MW～14.5 MW，适用于渡轮、客滚船、大型海工平台、中型游轮和穿梭油轮等。XO系列是针对大功率、开放水域开发的一款吊舱推进器，功率范围14 MW～22 MW，具有高效、出色的机动性能和乘客舒适度等特点，适用于渡轮、豪华邮轮等。

图4 Azipod MO系列

图5 Azipod XO 系列

对转型Azipod（见图6）功率范围为22 MW～90 MW，其形式为在常规推进器的后面同轴布置Azipod推进器，这样可以减小气穴现象，改进推进器的水动力性能。对转式Azipod推进器主要用于大型货船和集装箱船，推进效率提高10%～15%。

图6 对转型 Azipod

冰区加强型Azipod（见图7）包括ICE系列和VI系列。ICE系列采用永磁电机和定距桨，功率范围2 MW～5 MW，具有出色的破冰性能。VI系列装置高效交流同步电机，功率范围6 MW～17 MW。冰区加强型Azipod适用于极地科考船、邮轮以及破冰船等，可使装机功率减少50%。

图7 Azipod VI 系列

2.2 Kongsberg 吊舱推进器

Kongsberg公司的吊舱推进器有4种型式：优雅型（Elegance pod）、美人鱼（Mermaid pod）、高推力顶推式（High Thrust Pushing Mermaid）和冰区加强型（Mermaid ICE/HICE pod）。

优雅型吊舱推进器（见图8）功率范围为2 MW～7.5 MW，内置高效永磁电机，经CFD和模型水池试验得到了优良的水动力性能，并结合Kongsberg公司的驱动变频器和控制系统，可以为客户提供出色的推进和操纵性能。美人鱼系列吊舱推进器（见图9）内置交流异步或无刷同步电动机，功率范围为5 MW～27 MW，螺旋桨为大侧斜式，降低了噪声和振动。螺旋桨、轴封等部件可以在水下进行拆换，因此便于安装和维修。高推力顶推式吊舱推进器（见图10）内置交流异步或同步电动机，功率范围为4 MW～11 MW，可实现水下安装。

图8 Elegance pod

图9 Mermaid pod

图10 PUSH pod

冰区加强型吊舱推进器针对极地环境开发，功率范围4 MW～18 MW。电机定子直接烧嵌到壳体上以便于利用周围海水冷却，电机采用PWM控制技术保证了低速大扭矩稳定性能，ICE系列破冰等级达到了PC4级，并且具有优秀的敞水性能，HICE系列破冰等级达到了PC1级。

2.3 SSP 推进器

西门子（Siemens）和肖特尔公司（Schottel）开发的SSP吊舱推进器（见图11）功率范围为5 MW～30 MW。SSP推进器采用了双螺旋桨形式，即在同一根轴的两端都装有螺旋桨，并且使用了Siemens公司研发的永磁电动机作为推进电机，其优势在于相比传统的同步电动机，该永磁电动机的直径减少了40%，质量减少了15%。SSP推进器适用于所有海船。

图11 SSP 系列

2.4 GE 推进器

GE公司开发的SEAJET吊舱推进器（见图12）配置交流异步电动机，功率范围为2.5 MW～22 MW。其特点包括：采用电动转舵、先进的轴承技术，延长使用寿命、采用环境友好型密封系统，防污染、模块化设计、满足IEC标准要求。

图12 SEAJET 系列

2.5 S-POD 推进器

中国船舶集团有限公司第七〇四研究所自2007年开始从事吊舱式电力推进器的研发工作，先后突破了吊舱推进器水下密封设计、水动力性能及负载分析、回转高精度控制等关键技术，成功研制了“L型”拖式吊舱推进器（见图13），推挤电机采用永磁电机，4叶或5叶螺旋桨，推进效率达到了0.62。目前七〇四研究所S-POD系列吊舱推进器功率范围覆盖0.4 MW～5 MW。

图13 S-POD 系列

3 结论

与常规推进相比，虽然吊舱式电力推力具有众多的优点，但仍出现了各种技术问题。作者对吊舱推进器关键技术及发展方向从以下几个方面提出了3点意见[7-8]。

1）水下密封技术。吊舱推进器的推进电机布置在水下的吊舱内，为保证推进电机的安全运行，水下密封必须可靠。目前国内外吊舱推进器产品采用的艉轴密封形式主要有2种：（1）机械端面密封+唇形密封的形式；（2）采用多道唇形密封的形式。在水下密封设计时，需要考虑冗余度、泄漏回收、应急密封以及舱内维修。因此，具有自动调节内外压差空气密封系统是今后发展方向之一。

2）轴承布置及绝缘设计。推进电机两端布置推力轴承和支撑轴承，在轴承布置时不仅需要考虑外负载的作用，而且还要考虑电机发热所造成的桨轴膨胀。目前，吊舱推进器驱动端轴承大部分采用SKF公司的圆环滚子轴承，具有更好的自动调心和轴向位移补偿能力。为防止电机轴电流对轴承造成损伤，一般在非驱动端轴承部位做绝缘处理，在驱动端布置接地装置。为实现推力轴承舱内维护，在大功率吊舱推进器设计时，考虑采用滑动式推力轴承代替滚动推力轴承。

3）超大功率推进电机设计。目前市场上的吊舱推进器推进电机有交流异步电机、交流同步电机和永磁电机3种形式。超大功率推进电机一般采用3.3 kV或6.6 kV电压，为了增加电机冗余度，可以采用多相电动机，由多个变频装置供电，可以有效的消除谐波，减小转矩脉动。近年由于高温超导材料的商品化，采用高温超导电机作为吊舱推进推进电机已能为可能。相同功率的超导电机与常规电机相比，体积可减小50%，重量可减小80%，即使在30%额定航速下，其效率也能超过90%。因此高温超导电机是超大功率推进电机的发展方向之一。