高速推进系统选型方法的研究

罗晓园，刘张超，刘亮清

(1.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090;2. 船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 201108)

0 引言

近十年来高速船舶产业出现了爆发式增长，高速船的船型结构、主尺度、总吨位、航行速度等需求也不断发生变化，随之而来针对高速推进器的综合需求也大幅提高1-2]。以舷外机、舷内机、图谱轴系推进器为代表的传统高速推进器已经很难全面地满足高速船舶产业配套的发展需要[3-4]。世界主流的推进器供应商近年来陆续开发出了多款新型的高速推进系统来应对高速船舶的综合性需求。然而，在高速船舶的设计过程中面对种类繁多的高速推进器系统，往往使船舶设计者无法合理地选择最佳的推进型式，致使设计出来的船舶快速性、匹配性、经济性以及环保性上表现差强人意。因此，本文通过梳理不同类型高速推进系统的特性，分析各类推进器型式最适配的船型和航速范围，总结出一套关于高速船舶通过航速段来进行高速推进系统快速选型的方法。通过此方法能够有效地帮助船舶设计师和用户对高速船舶的推进系统的选择做出快速而正确的决策。

1 新型高速定距推进器系统

1.1 新型定距推进系统的结构特点

高速定距推进系统是传统高速船舶的首选驱动型式，其结构型式也非常成熟和可靠。新型高速定距推进系统由柴油机、减速齿轮箱、轴系和理论定距桨组成。整套系统的布置结构、基本配置与传统定距桨推进器系统本质上没有区别，主要的不同之处在于理论定距桨的设计有了本质性的区别。传统高速定距桨大部分采用图谱设计方式进行设计(高恩系列、瑞典SAAP MP系、日本SRI a系列等)，但是随着螺旋桨的理论设计的不断提升，现在的高速定距桨已经不再采用图谱方式进行设计，而是采用理论方法进行定制化设计[5]。因此，新型的高速定距推进系统的综合性能已经较传统型式有了大幅度的提升。新型高速定距推进系统的结构见图1。

图1 新型高速定距推进系统结构图

1.2 新型定距推进系统的优缺点

新型定距推进系统的螺旋桨采用大侧斜前倾径向螺距变化型式，能够有效地控制诱发船体的激振力。螺旋桨的螺距采用径向变化的分布型式，能够使螺旋桨更好地适应船艉不均匀伴流场的来流速度，从而有效地提高推进效率。新型螺旋桨通过盘面的控制能够有效地避免或控制高速运行下的空泡现象，有利于舒适度的提升和延长使用寿命。因此，新型定距推进系统在推进效率、空泡损伤、激振力控制等方面都已经有了大幅度的提升。

但是，新型定距推进系统能够覆盖的航速范围主要集中在中速范围，超过适配范围后推进效率会大幅度的降低。因此，这种推进系统只适合中速船舶的配置和使用。

1.3 适配航速范围

新型高速定距推进系统主要使用在航速范围为20～35 kn的小型高速船舶，如：小型公务船、小型高速工作船、小型游艇等。

2 高速可调推进系统

2.1 高速调距推进系统简介

高速调距推进系统是专门针对高速船舶独特开发的推进型式。根据市场调研发现，在全球高速船舶推进系统的配套市场中高速调距推进系统属于较为小众产品，主要使用客户集中在波罗的海的北欧各国。而随着高速调距推进系统在高速船舶配套中的成功案例不断累积和市场推广力度逐步增加，欧洲以外的市场也开始关注这种新型的高速推进系统。同时，高速调距推进系统覆盖的航速范围能够弥补定距推进系统和喷水推进系统之间的中高速的区间空白。

2.2 高速可调推进系统结构特点

高速可调推进系统由螺旋桨、桨毂机构、配油器、液压系统及电子遥控系统、导流隧道等六大系统组成，其中，螺旋桨不固定在桨毂上，而是围绕垂直于桨轴的轴线转动。利用桨毂内的操纵机构转动螺旋桨，改变螺距角，从而改变推力的大小和方向，以适应船舶的前进、后退、停止和变速等要求。高速调距桨的螺旋桨和桨毂必须特殊设计，还必须配合独特设计的导流隧道才能够满足高速航行的需求。高速调距推进系统结构见图2。

图2 高速调距桨推进系统结构图

2.3 高速调距推进系统的优缺点

高速调距推进系统相比于高速定距推进系统具有更加良好的加速度。高速调距推进系统的螺距可以随着船舶速度和负载的一起增减。对于定距推进系统在加速时容易造成桨距过大，并且可造成引擎过载的现象，调距桨能够通过螺距的变化避免这一现象发生。而且在多变和非预期的条件下操作高速船舶，调距桨远远高于固定桨的效率。另外，如果船舶在航行过程中的排量出现变化，调距桨相比于其他推进系统能够提供更高的总效率。

但是，高速调距桨系统必须要配合船体进行联合设计，结构特殊，致使高速调距桨的设计难度较大。同时调距桨本身的内部结构较为复杂，维护频次和成本相对较高。

2.4 高速调距推进系统适配航速段

高速调距推进系统的航速范围能在30～50 kn这一宽泛的区间，最佳的使用航速为40 kn左右。Servogear公司推出的高速调距推进系统包括：螺旋桨隧道、有效舵、高速调距桨叶、特殊的桨毂结构所组成的一种独特的调距螺旋桨(CPP)系统，主要适用于高速工作船、快速渡船、近海船舶和游艇等中高速船舶。

3 喷水式推进系统

3.1 喷水推进系统原理和结构特点

喷水推进技术发展至今已经有340年的历史，大致经历了液泵式喷水推进、间歇式喷水推进、底板式喷水推进、艉板式喷水推进和舷外喷水推进阶段[6]。虽然结构型式随着时间的推移有所调整和改变，但是工作原理始终如一。以最典型的舷外喷水推进系统为代表，原动机的旋转机械能量通过传动轴系传递给叶轮，叶轮对从船底进水口吸入的水流作功，叶轮后方静止不动的导叶对水流进行整流(将周向和径向分量变成轴向分量)，高速、高压水流通过喷口高速轴向喷射，水流反作用力即对应为克服船体阻力的推力。因此，可以说喷水推进器本质上是一个能量转化器，将原动机的旋转机械能变成船体平动机械能。另外，喷水推进系统还配备转向辅助结构，并通过调向阀门的阀轴转动改变出水方向，使舰船或前进，或转向，或倒退，达到调向目的，从而使喷水推进系统具备提供动力和改变航向的双重能力[7]。喷水推进系统结构见图3。

图3 喷水推进系统结构图

3.2 喷水推进系的统优缺点

喷水推进系统具备的优点如下：

(1)推进效率高于螺旋桨。通过近年来喷水推进器的大力发展，先进的喷水推进系统在中低高速时喷水推进的效率高于螺旋桨。

(2)航速越高越不容易空化，故非常适合高速推进。水下辐射噪声远低于螺旋桨。

(3)集成化程度高，“舵-桨-车”三合一，便于船厂安装和调试。

(4)喷水推进器具有优异的机动性和操纵性，其回转半径和紧急停车距离均远小于同尺度的螺旋桨推进。

(5)艉板式喷水推进的主机负荷对航速不敏感，故其主机相对寿命高于螺旋桨船主机。

喷水推进系统的缺点如下：

相较于拥有众多的优势，喷水推进系统的缺点也相当明显。由于本体涉及的水力部件多，包括流道的进水口及格栅、进水流道、叶轮、导叶和喷口，整体结构较为复杂，故水力设计难度大，制造成本高，价格昂贵。工作时进水流道和喷水推进器内的水流重量增大了船的排水量，对快速性有负面影响[8]。

3.3 喷水推进系统适配航速段和船型

运行航速超过40 kn的中高速船舶配置喷水推进系统，能够获得明显高于高速定距桨和高速调距桨的推进效率，同时在高速航行状态下喷水推进系统的机动性和操纵性、噪声效果等能够表现得非常出众，喷水推进系统能够适应多工况的作业要求，保护主机不易过载。同时，喷水推进系统集成化程度非常高，便于安装和维护。喷水推进系统最佳的航速范围为40～70 kn。喷水推进系统适用的船型包括：滑行艇、水翼船、双体船、小水线面船、三体船等高速船舶。

4 半浸式推进系统

4.1 半浸式推进系统原理和结构特点

半浸式推进系统又称表面螺旋桨推进系统，是20世纪80年代后出现的一种新型的螺旋桨推进方式，专门针对超高速船舶定制设计而成[9]。空泡是损坏螺旋桨、引起机械振动以及性能恶化的主要根源，而半浸桨是充气桨，它以充气现象来代替空泡现象，发生充气现象的流体压力要比发生空泡现象的流体压力高很多，因此充气总是优于空泡，从而表面桨可有效地避免产生空泡。随着螺旋桨的每次入水，空气泡会被带进那个即将要发生空化的区域，这时所吸进的空气泡能够完全遏止将要发生的空泡溃灭的现象。与空泡现象不同，充气泡不会发生溃灭，此时充气桨叶是表面饶流状态与超空泡桨叶的饶流状态有相似之处，因此表面桨不会产生振动、表面剥蚀以及水下噪声等现象，对螺旋桨及邻近船体不会造成损坏。

半浸式推进系统主要有以下几个部分组成：螺旋桨、驱动轴(艉轴)、舵叶、操舵油缸、液压动力单元、齿轮减速箱、调节桨轴纵倾角度油缸及传感器等[10]。半浸式推进系统结构见图4。

图4 半浸式推进系统结构图

4.2 半浸式推进系统优势

半浸式推进系统较常规推进系统有众多优势：

(1)半浸式推进系统的桨毂、轴、液压支撑附件等露在水面之上，因此有效地减少了附加阻力。

(2)半浸式推进系统布置在船体尾封板的后方，就不必满足与全浸桨相同的限制直径，其直径可以做到全浸桨直径的2倍。理论上半桨浸的推力截面可以是全浸桨的2倍以上，则此时表面桨的推力负荷系数就会减少一半以上，使其效率提高1.2倍以上，半浸桨的工作点的选择更加优化。

(3)高速航行时，与半浸桨相比，常规螺旋桨“全浸”在水中，其推进装置将不得不面对“空泡”所引起的螺旋桨表面的“剥蚀”现象；而半浸桨在运转时，一半桨叶浸没在水中，一半桨叶露在外面，螺旋桨始终处于“通气”的状态，所以不会产生“空泡腐蚀”的现象。

(4)半浸式推进系统还具有推进效率高、安装灵活、维护保养方便等特点。

4.3 半浸式推进系统适配航速段和船型

半浸式推进系统主要应用在需要超高速航速要求的公务快艇方面，如：海关的缉私艇，边防和海警的巡逻艇，海事和渔政的执法艇等。此外，半浸式推进系统在军用舰艇方面也有广泛的应用价值。据了解，半浸桨推进系统目前已经成为航速50 kn以上船艇的主要推进方式之一。在60 kn以上的高速船艇上，半浸桨推进装置更是占有绝对的优势。因此，半浸式推进系统特别适合航速60～90 kn这一超高速范围。

5 经验选型方法

本文通过梳理和汇总市场上

多种高速推进系统的结构特点、优劣势、适用航速范围以及适配船型，将高速船舶的航速范围(20～90 kn)划分为4个航速段，并为每个航速段选择了最适配该范围的推进系统，并且将4种推进系统的推进效率和航速范围进行关联，最终总结出一套关于高速船舶通过航速范围来进行高速推进系统快速选型的经验方法。该方法能够直观和清晰地表述各类推进系统最佳的航速范围，见图5。

图5 不同推进系统的航速与效率对应图

6 结论

本文总结的关于高速推进系统快速选型的经验方法如下：

(1)新型定距推进系统最佳适用范围在20～35 kn这个区间。对于常规的游艇、高速渡船、快速工作船等航速不超过35 kn的船舶采用定距推进系统是最为经济适用的主推系统。

(2)目标航速超过35 kn以后，定距推进系统的推进效率会大幅度的降低，采用调距推进系统是一种很好的补充。调距推进系统最佳适用范围在30～50 kn之间。

(3)对于类似水翼船、多体船、军用舰艇等航速在40～70 kn范围内的船舶，首选的主推进方案为喷水推进系统。

(4)对超过70 kn以上的超高速船舶，一般建议采用半浸式推进系统作为主动力系统。