PDF《对 转螺 旋桨 的结构 原理及特 点分析》

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0 船 电技术

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0 5年第2期 对转螺旋桨 的结构原理及特 点分析 聂延生 韩 学胜 曾鸿 刘镇 宇(大连海事大学轮机工程学院 大连

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1 摘要:本文 对 目前 实船 应用 的三种 对转 螺旋 桨 系统 的 结构 原理 和特 点进 行 了简 要 的分 析.

并对 它们 的 应用 现状 和 发展趋 势谈了作 者的 看法 . 关键词 :对转 螺旋 桨 电力 推进 吊舱 式推 进器An a l y s i s a b o u t t h e Co n s t r u c t i o n P r i n c i p l e a n d Ch a r a c t e r i s t i c s o f Co n t r a Ro t a t i n g P r o p e l l e r Ni e Y a n s h e n g : H a n X u e s h e n g ;

Z e n g H o n g : Li u Z h e n v u ( M a r i n e E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f Da l i a n M a r i t i me U n i v e r s i t y , Da l i a n

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2 6 . Ch i n a

1 A b s t r a c t:A b r ie f a n a l y s i s a b o u t t h e c o n s t r u c t i o n p r in c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h r e e c

0 n t r a r

0 t a t i n g p r o p e l l e r s wh i c h h a v e b e e n u s e d i n s h i p s a r e g i v e n i n t h i s p a p e n Th e n i t s a p p l i c a t i

0 n a n d d ev e l 0p m e nt t e n d e n c y a re d i s c u s s e d . '

K e y w o r d s:c o n t r a r o t a t i n g p r o p e l l e r;

e l e c t r i c p r o p u l s i o n : p

0 d d e d p r

0 p u l s 0r 作 为一种有 效 的船舶推进 的节 能方案 ,对转螺 旋桨 ( 简称 C R P , C o n t r a R o t a t i n g P r o p e l l e r )一 直受 到业 界 的关注 .所谓 的对转螺旋 桨就是在螺 旋桨推 进轴线 上 ,一前一后布置有 两个螺旋桨 ,前 面的螺 旋桨 的直径 大于后面 的螺旋 桨 的直径 ,两个螺旋 桨 的旋转方 向相 反.我们知道 ,在传统 的单螺旋桨推进 系统 中,螺旋桨尾流 中涡动 能量无法得到利用 :而在对转 螺旋 桨推进 系统 中,前螺旋 桨产生 的未被有效利用 的涡 动 能量在后 一螺旋桨上得 到 了利用 ,转 化为有 效的 推进动力 .对转螺旋桨 的工作 原理如 图一所 示,研I司一轴线 上的 内外 两根轴 上 ,后 螺旋桨安装 在 内轴 上 ,通过推力轴 承和主机相连 ,类似 于单螺旋桨 系 统的结构 ;

前螺 旋桨则是安 装在 外轴上 ,通过反转 齿轮 机 构使 其转 动方向和 后 螺旋 桨 的转 动方向相 反 ,柴 油主机 的输 出功率 按 比例 分 配给 前后 螺旋桨.其结构 原理如 图2所示.日本石川 岛播 磨重工 业公 司对此 种基于机械 传动装 置实现 的CRP系统 进行了几十年 的研究 ,其成 果也安装 了几 条船 . 实船运行表 明,其 节能在

1 4 %左右 . 研 究这种类 型的CR P系统 的出发 点是节能 , 实 际的结 果也达到 了提 高螺旋桨推进 效率 、节能的 目 收稿 日期 :2

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2 9 图2同心 轴式 C R P系统的结构 原理维普资讯 http://www.cqvip.com 船 电技 术2005年 第 2期

5 1 的.但 复杂的机械结构 、高 昂的初 投资 ,带来 了成 本上 升,可 靠性下降 ,船舶 的安全 性也存在 着更多 的不确定 因素 . 在 系统构成上 , 它 主要有三个缺 点:

1 )主机到螺旋桨 问的轴过长 ;

对于 单螺旋桨推 进 系统来讲 ,这个 问题并 不明显 ,但对于 同心的 内 外轴结构 , 其复杂性 、 维护管理 的难度则大大增 加;

2 )连接螺旋桨 的 内外轴 问需要密封 , 由于前后 螺旋桨 的旋转 方 向相反 ,内外轴衬套 间的相对速度 加倍,实现可 靠的轴 问密封难 度很大 .对此 ,石川岛播 磨重 工业 公 司在 技 术上 采用了鼓 气式的密封 装置来保 证密封的可靠性 ,但这种 装置 的价格 、耐 久性和更换 时的复杂性都 是值得注意 的 问题 ;

3 )反转齿轮 机构 的结构 复杂 , 给 维护管理 的带 来 了相当的难度 . 总体看来 ,这种基 于机械传动装 置实现 的CR P 系统 在 实现 节能的同时 ,产生的问题 也有待于 解决.尽管实 船应用 已有十 几年 的历 史,但 一直没有 得 到业界的认可 ,其应 用也局 限于 几条带有试验 性质的船舶上 .如1993年 8月安装在 名为 I d e mi t s u Ma r u 号的超大型油轮上 (

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0 0载重吨 )的CRP 系统 .

2 D u a l ― E n d C R P系统的结构原理和特点 S T E E RP RO P 公司提出的基于电力推进的Dua1.EndCRP 系统的结构 原理如 图3(a),(b)所示.中间的 垂直 轴 由电动 机带动 ,通 过伞型 齿轮把功率 按 比例分配 给前后两个螺 旋桨 .由图

3 b可 以看 到, 两个螺旋 桨问 的部分称 为 吊舱 ,它在设计 上考虑增 加其前 面的压 力波 .这个压 力波 对前螺旋 桨来讲 , 有助 于增加其推 力 .这种类 型CRP系统 的特 点是:

1 )用短轴取代 了内外轴形 式的长轴结 构.大大 降低 了机械 结构 的复杂性 .推进 功率不仅按 比例 分配到了两个螺旋桨 ,还分配 到 了两套 独立 的齿轮 传动机构 .

2 )前螺旋桨 是牵 引式 螺旋桨 , 在 稳流状态 下, 具 有推进效率 高,尾 流平滑 ,低 噪声 ,低振 动的优 点.

3 )吊舱式 结构可采用 更大 的螺旋 桨,以较 低的 转速运行 ,从而减少 了磨 擦损耗 , 提高了推进 效率 .

4 )取消了舵机 系统 , 船舶 的航 行方 向可通过 改 变螺旋桨 的推 进方 向来 实现 . 不足之 处 ,系统 的推进功率 受其机械 结构的限 制 ,通常 在几百 k W 左右 , 目前 主要应用 于拖轮 、 工程船 舶、 内河航运船 舶等小 型船 舶上 . ( a ) ( b ) 图3Dual―EndCRP系统 的 结构 原理 3吊舱式 C R P系统 的结构 原理和特 点 交流 电机 的变 频 调速 技术的发展 和 吊舱式 推 进器 的成功应用 ,使越来越 多的业 内人 士看好船舶 电力推进 .AB B 公司于

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9 0年首先推 出 吊舱式 电 力推进系统 ,获得 了巨大成功 .在此基 础上 ,2

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0 年推 出了 吊舱 式CRP系统 . 其结构原 理如 图4所示.图中不难看 出:前螺旋桨就 是传统推进 系统的螺旋 桨,而在 传统舵叶所在 的位 置,安装上 了一个 可360度旋转 的吊舱式推 进器 .两 个螺旋桨位于 同~轴线 上 ,转 向相 反.一般情况 下 ,前螺旋桨 由柴油主机 驱动 ,也可 以由电动机 或汽轮机 驱动 ;

而后面 的吊 舱式推进器 ,还起着 舵的作用 .我 们称 其为 主动 舵 ,而传 统的舵则称为 被动 舵 .这种类型 C R P 系统除 了具有 很高 的螺 旋桨推 进效率 、节 能的特 点外 , .还具有 以下的一些特 点:1)该系 统是由两 套 完全 独立、且经 过实船 检验,证 明可靠 性很高 的推 进系统组成 ,船舶运行 的 安全性 和可靠性得 到 了保证 ;

2 )船舶 的推 进 功率 可 以在 儿乎 不增 加机 舱空间的前 提下 ,较 大幅度 的得 以提高 ;

图4吊舱式 C R P系统 结构原理 维普资讯 http://www.cqvip.com

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3 )取消了舵机系统 和尾侧推器 , 总体上 简化 了机械结构;

4)船 舶 的机动性和 灵活性得 以提 高.吊舱式 C R P系统 的这些特 点,使它 首次推 出即 获得 了业界 的广泛关注 . 目前关注 的焦点是它在超 大型集装箱船 、大型客滚 船和大型液 化天然气船上 广泛应用 的可 能性 .这些船舶 的共 同特 点是 :驱动 功率要求很 大、可靠 性要求很 高、对机 动性和灵 活 性也有一 定的要求 ;

整体造价很 高 .这使得船 东在 采用这种 新型推进系统 时不得不谨慎 从事 ,要求 多 做一些试 验.AB B公司对这种 吊舱式对转 螺旋桨在大 型集装 箱船上 的应用进行 了全 面的试验 ,试验表 明,吊舱 式推进器 不仅对提高操 纵性和推进效 率大有益处 , 同时可以使 集装箱船增加承载箱量,特 别是对9000TEU以上 的集装 箱船 , 可 以明显地缩短成本 回 收期 .试验表 明其 推进效率 比双机 双桨推进 的效率 要高

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1 5 %,与双 吊舱推 进器船 相比,效 率也提 高5%.试验表 明 ,在船舶 高速 航行 时(29.5节 ) 主推进 器 的叶梢涡流对 A BB公 司生产 的Azipod吊 舱式推 进器并不产 生影响 . ABB 公司对 这种 吊舱 式对 转螺 旋桨 在大 型客 滚船 上的应用 也进 行了全面 的,长 时间的试 验 .和 传统的单 螺 旋桨 系统、或传 统 的双机 双桨系统 相比,几乎各项指标 都取 得 了令人感 到振奋 的结果 . 今年6 月初 , 由三菱重工 下属的N a g a s a k i 船 厂建 造 的两条快速轮渡 交付使用 ,它们采用 了AB B 公司的吊舱式C R P 推进系 统 ,在它们运 行航线上 ,还有 一条相同吨位 的采用 双机双桨推 进系统 的轮渡 ,三 个月的对 比运行表 明: 新造 轮渡 的节 能达 到了2

0 %. 4结 束语 C R P系统可 以大 幅度 提高螺旋桨 的推进效率 , 这 一点早就 为人们 所认识 , 对CRP系统 的研 究可 以 追溯 到150多年 以前, 远 早于柴油机在船 上 的应用 . 但直 到本世纪初才在 技术上取得 突破性进展 .AB B 公司的 吊舱式 C R P 系统 向人们 展示 了其广 泛 的应 用 前景 .A B B公 司称其 为第 三代 电力推进 系统 . 当然 , 日本在 C R P系统 的研 究上投 入了大量 的 资金和 人力,石 川 岛播磨重 工业公司最 早使 C R P 系统 在大型船舶上 获得 了应用 .但他们这种 基于机 械传动装 置实现 的CRP系统 发展前景不容 乐观 . 从研 发 的角度 , 我们 不妨对这 两种 C R P系统作 一个简要 的分析 : 石川I岛播 磨重工业 公司的 CR P 系统 在研 发理 念上 , 实际上 是传 统 的通过机械 传动机构 实现 C R P 系统 .于是创 造 出了内外轴结构 、反转齿轮机构 、 弹性连轴 节 、对 转轴承 、鼓气式 密封装置等 新颖独 特 的机械 装置 .带来 的问题 是 :所有 这一切 ,对轮 机 员来讲 都是陌 生的 ,他们如 何管理这些设 备 ?船 舶在全球 航行 ,如何保证备件 的及时供应和 售后服 务 ?在 很长一段 时间里 ,这些机 械装置无法 形成规 模 生产 ,生产 成本如何 降下来 ?最难 的恐怕是 :如何说服船 东 把他 们 的价 值上亿美元 的船 舶 的命 运 寄托 在一个规模 不大 、发展前景渺茫 的公司 ?这里 我们假 设该 系统 具有较高 的可 靠性 ,尽管 实际情 况 很可 能并不 是如此 乐观 . AB B 公司推 出的吊舱 式CRP系统 ,更多 的是 利用 现有 的、成 熟的技术和设备 .它和传 统 的单螺 旋 桨船舶 的最 大区别 ,是把传 统舵 ( 被动舵 )变成了吊舱 式推 进器 ( 主动 舵).而 吊舱式 推进 器 已在 船 舶上使用 了十 多年 ,具有较 高的可靠性 ,是 目前 极 具发展潜 力的船舶推进 系统 .模块 化结构使其 安装、拆卸方便 ,维护管理 的工作量很小 .其他 方面 , 如在 吊舱式 推进器方 面 占据 着世 界市场 的70%,公司的规模 、资金 、技术力量和 良好 的信誉等 ,都有 助于 AB B公司推广其 吊舱式 CR P系统 . 综上所 述 ,不难看 到 :由 A B B 公司 引领 的吊舱式 C R P系统将 获得越 来越 多的应用 , 尽管还有 一 些技术 问题 有待解决 ,如在大 型集装箱船上采用 吊舱式CRP系统,则 必须对船舶尾 部进行全 新的设 计 .但 广泛采用主 动舵来取代传 统 的被动舵 的时代 为时 已经 不远 了. 现在 ,摆在 我们面前 的一个现实 的 问题是 :我 国航 海 院校 培养的轮 机 员对 这样的系 统 能胜 任工作吗?我 们 应如 何 面对 船 舶推 进 系统 正在发生 的 变化 ? 参考文献[1]李斌. 对 转螺旋桨及 在船舶上 的应 用. 世 界海 运,

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2 ] 刘超,夏 治发 , 马春郊 等.反转 螺旋 桨推 进 系统 在大型船舶 上 的应 用. 辽 宁航 海,

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3 ]聂延生等.吊舱 式 电力推 进 系统 的特点与 应用.世界海运 .

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4 ] 聂延生等 . 船舶电力 推进系统控制方法.航海技术,

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5 ] S t e e r p r o p D u a l ― E n d C R P . B r o c h u r e o f S t e e r p r o p ,

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