对转螺旋桨的结构原理及特点分析

50 船电技术 2005 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 116026 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 Analysis about the Construction Principle and Characteristics of Contra Rotating Propeller Nie Yansheng Han Xuesheng Zeng Hong Liu Zhenyu Marine Engineering College of Dalian Maritime University Dalian 116026 China Abstract A brief analysis about the construction principle and characteristics of three contra rotating propellers which have been used in ships are given in this paper Then its application and development tendency are discussed Keywords contra rotating propeller electric propulsion podded propulsor 作为一种有效的船舶推进的节能方案 对转螺 旋桨 简称 CRP Contra Rotating Propeller 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 究表明 其节能效果可达 10 20 这就是几十年 来 人们一直在不停地研究它的主要原因 目前主 要有三种形式的对转螺旋桨系统获得了实船应用 这里对它们的结构原理及特点进行简要的分析 1 同心轴式 CRP 系统的结构原理和特点 同心轴式 CRP 系统的前后螺旋桨分别安装在 同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 14 左右 研究这种类型的 CRP 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 图 1 对转螺旋桨的工作原理 图 2 同心轴式 CRP 系统的结构原理 收稿日期 2004 11 29 船电技术 2005 年 第 2 期 51 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 主机到螺旋桨间的轴过长 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间需要密封 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 实现可靠的轴间密封难度很大 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 CRP 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 Idemitsu Maru 号的超大型油轮上 258000 载重吨 的 CRP 系统 2 Dual End CRP 系统的结构原理和特点 STEERPROP 公司提出的基于电力推进的 Dual End CRP 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 3b 可以看到 两个螺旋桨间的部分称为吊舱 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 kW 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 3 Dual End CRP 系统的结构原理 3 吊舱式 CRP 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 ABB 公司于 1990 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 2000 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 两个螺旋桨位于同一轴线 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 CRP 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几乎不增加机舱空 间的前提下 较大幅度的得以提高 图 4 吊舱式 CRP 系统结构原理 52 船电技术 2005 年 第 2 期 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 CRP 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 ABB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 8 15 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 ABB 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Nagasaki船厂建 造的两条快速轮渡交付使用 它们采用了ABB公司 的吊舱式CRP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20 4 结束语 CRP 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 ABB 公司的吊舱式 CRP 系统向人们展示了其广泛的应 用前景 ABB 公司称其为第三代电力推进系统 当然 日本在 CRP 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 CRP 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 CRP 系统作 一个简要的分析 石川岛播磨重工业公司的 CRP 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 CRP 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 ABB 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 ABB 公司推广其吊舱式 CRP 系统 综上所述 不难看到 由 ABB 公司引领的吊 舱式 CRP 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