船舶与海洋工程进展 大作业_船舶与海洋工程现状

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船舶工程学院

船舶与海洋工程进展

学 号：S313010048

专 业：船舶与海洋结构物设计制造

学生姓名：孙文林

任课教师：黄 胜 教授

2013年12月

船舶工程学院

船舶与海洋工程进展

（小论文）

学 号：

专 业：船舶与海洋工程

学生姓名：

任课教师： 教授

2013年12月

特种推进器性能概述

哈尔滨工程大学

摘要：特种推进器有别于传统的螺旋桨推进器，大多数特种推进器在一些特殊情况下都有其优点。本文将对包括摆线推进器、可调螺距螺旋桨、喷水推进器、吊舱推进器等当前比较普遍的几种特种推进器的性能和特点进行介绍。

关键词：特种推进器 摆线推进器 调距桨 喷水推进器

1.摆线推进器

如图1，摆线推进器由一组从船体伸向水中并绕某一垂直于船体的轴线作圆周运动的叶片组成。这些叶片绕圆心O作圆周运动的同时，还绕自身的轴线o转动，叶片在运动过程中由内部机构控制使其弦线始终与叶片轴心到某一点C的连线相垂直，C点称为控制点，OC叫做偏心，OC/Oo叫做偏心率用e表示，Oo叫做摆线推进器的半径R。当叶片以角速度ω绕摆线推进器旋转轴线O旋转而摆线推进器以进速VA前进时，叶片的空间运动轨迹是一条摆线。因此人们通常管它叫做“摆线推进器”，又由于它的轴是垂向的，故而也经常被称为竖轴推进器。如果叶片的弦线与它的轨迹之间存在着一个冲角α，则叶片就会产生升力，将这个升力沿着圆周积分取平均就可以获得摆线推进器的平均作用力和力矩。如果冲角α=0则摆线推进器不会产生推力，这时它相似于螺旋桨的零滑脱状态,此时旋转一周前进之距离类似地被定义为螺距P。

图1 摆线推进器工作原理图 摆线推进器的历史可以追溯到1870年，甚至在1681年已有类似装置的出现。其思想来源于海豚灵活的尾鳍和鸟灵活的翅膀——集推进和操纵为一体。1921年，在华盛顿大学任教的德国科学家Frederick Kirsten教授申请了第一个摆线推进器专利，摆线推进器独特的二作特性和优良的操纵性能逐渐引起了人们的关注。但是直到1969年N.L.Ficken和Mary.C.Dickerson发表“Experimental Performance and Steering Characteristics of Cycloidal Propellers”一文时也只有两种形式的摆线推进器可以用于实际船舶，其中一种是美国Kirston-Boeing推进器，另一种是德国的Voith-Schneider推进器，两者的设计特点都是不需改变转动方向即可改变推力的方向。Kirston-Boeing推进器的螺距(即偏心率)是不可调的，而Voith-Schneider推进器的螺距则是可调的，因此Voith-Schneider推进器得到了更好的应用和发展。如今它已经泛应用于扫雷舰、拖船、渡轮、海上平台、平台供区船、潜艇等具有高操纵性能要求的场合。

图2 摆线推进器

可调螺距摆线推进器的应用主要是由于它的良好的操纵性能以及能够在不同进速下，在任意方向上提供较大的推力。因而，相比于船用侧推器以及全回转推进器等船舶推进器，摆线推进器具有操纵性能优良、响应速度快速、抗风浪能力强等优点，可实现船舶的横向移动、原地回转等高操纵要求的动作。

将摆线推进器应用于海洋工程装备和动力定位系统，无论在正常还是应急运行状态中，均能保证精确操纵和快速响应，这一点对在严峻天气状态下工作的海洋工程装备及高操纵要求的动力定位系统是至关重要的。另外，摆线推进器因其不会产生侧向推力矢量而保证整个推进装置的冗余，即在其他动力推进装置发生故障无法工作而仅剩一路动力的情况下，船舶仍能得到完全控制，保证船舶的安全。同时，摆线推进器在其它领域的应用也在不断地扩大，如摆线推进器的大进速系数时的特性即它的透平特性已成功地用于水流发电中，在潮流能的开发和利用方面的研究也正在进行着。

2.可调螺距螺旋桨

可调螺距螺旋桨又称调距桨，是三十年代迅速发展起来的一种船舶推进装置。自从第一台调距桨在加拿大问世以来，它随着机械制造业、液压技术、电子技术的发展而日臻完善，并在今天的航运市场上得到了广泛应用。不少生产调距桨的大型公司如Wartsila、Schottel、Kamewa等都有数十年生产调距桨的经验。上世纪70年代以来，机舱自动化主机遥控单片机技术的发展，更加推动了调距桨控制技术，即机、桨联调技术的进步，国内大型船舶可调桨装备及控制一般均采用瑞典、荷兰等专利技术，他们不断开发出新的成熟产品，得到业界的认同和使用。

调距桨推进装置基本特性

船舶在任何工况下均能吸收主机的全功率，只要外界条件不变,配合一定的螺距比，即能使主机始终运转在额定功率下用不同的转速和螺距比相配合，可得到所需的推力，进而可得到所需的船舶航速。主机为柴油机时，调距桨能在柴油机上限曲线、最大转速线和最低稳定转速范围的区域内任何一点上工作。可见，其工作范围很大，在该区域内任意搭配转速和螺距比都能得到给定的航速保持螺旋桨转速不变，改变螺距进而改变推力和扭矩，可使船舶具有不同的航速。当桨叶放在零螺距位置时，调距桨推力为零，主机仍以一定的转速运转，而船舶在原地不动桨叶转到负螺距位置时，可使主机转向不变而实现倒航。

图3 调距桨

调距桨推进装置应用优越性

(1)通过调节螺距，使主机经常处于经济工况下运行，以节省燃油和提高船舶续航力，在主机的所有运转工况下，调距桨均能吸收其全部功率，因此主机在使用定距桨时必须为天气或海况留出一定的功率裕度在使用调距桨时就可以省掉了，对于两种或几种主要航行工况的船舶装上调距桨后可以提高桨的平均效率，如拖船、拖网渔船、挖泥船、扫雷艇等采用调距桨是极为优越的。

(2)调距桨装置是解决燃气轮机倒车问题的最佳方式。省去了采用定距桨时增设的倒车齿轮箱装置，对于中速柴油机，用改变螺距来实现倒航，提高了机动性和操纵性，减少了主机的调速、启动次数，延长了其寿命。

(3)调距桨装置有利于主机驱动辅助负荷：轴带发电机、消防水泵等，提高动力装置的经济性，充分发挥主机的工作效能，可以充分利用主机的剩余功率。

3.喷水推进器

喷水推进是有别于螺旋桨推进的一种特殊的船舶推进方式。国际上有不少专门组织、机构、科研单位对喷水推进器、喷水推进装置以及影响喷水推进性能的各种因素做了大量的研究和试验，使喷水推进技术近几十年来有了突破性的发展。喷水推进已被广泛采用在高性能舰船上.为满足特殊用途和高性能需要，一些新型喷水推进器及装置也相继出现。

早在17世纪，人们就已利用喷水装置作为船舶的推进器，有关喷水装置的试验研究一直延续至今。但早期的喷水推进装置相当笨重, 管路损失严重, 推进效率很低，长期以来它的应用仅限于浅吃水或对操纵性要求特高的某些专用船上。自从20世纪70年代以来，专用推进泵的研制取得了相当的进展，从而大大提高了喷水推进的效率，当前已有总推进效率为55%的喷水推进装置，在高速艇上其效率可以与螺旋桨相匹敌。因而喷水推进在高速艇及低噪声推进船上得到日益广泛的应用。各种类型船舶的喷水推进装置形式虽然有所不同，但其组成大致是水泵、管道以及附属装置如隔栅、整流片等。喷口部分常做成可转动式借以改变水流的喷射方向，使船舶能倒退或转向。

图4 喷水推进器

喷水式推进器是利用喷射管喷出的高速水流的反作用提供推力的一种推进装置，多用于中小型高速船舶上。使用喷水推进器的水下机器人的优点是几乎取消了其上的全部附体，而且消除了螺旋桨的空泡损失,较容易操纵。目前使用的喷水推进器一般由水泵和管系组成，水泵一般选择轴流泵、离心泵和混流泵。

喷水推进主要有如下优点：

(1)在限制直径的情况下，喷水推进的效率可以比普通桨高。这是因为，泵的叶轮可承受比普通桨高的负荷。

(2)可在空泡数很低的情况下正常工作。因为泵有较高的抗汽蚀性能。(3)振动小。因为泵的叶轮是在导管中工作，流动均匀，激振力小。(4)倒车和回转时主机转向不变，倒车回转较灵活，倒车拉力较普通桨大。(5)采用喷水推进系统后，减少了船体上的附体，如轴包套和轴支架等，有利于减少阻力。

(6)由于喷水装置能在多工况下较好地发挥主机功率，因此在多工况船舶上的应用效果也较好。

4.吊舱式推进器

吊舱式推进器是20世纪80年代末问世的一种新型推进器，1990年功率为1500kW的该式推进器首次装船使用，之后又有功率为11400kW的该式推进器装在两艘德国油轮上使用，实际航行结果表明，这种推进装置非常有效。之后几家大型螺旋桨公司竞相研究开发各自的系列，最大功率高达30000kW，并在旅游船、大型渡船、5万吨级邮船、油轮等多种类型的民用船上使用，有些国家已在考虑用之于军用舰艇。

吊舱式推进器是在传统的电力推进系统的基础上改进而发展的一种新型推进器，它由吊舱和螺旋桨组成。流线型水下吊舱悬挂在船下，由法兰盘与船体相接，吊舱内安装的电动机直接驱动螺旋桨。柴油发电机组安装在船舱内，电力经电缆和滑环装置传送至吊舱内的电动机。根据螺旋桨的数目及位置，吊舱式推进器可分为前桨(牵引式)、后桨(推式)或串列式等，也可使用对转桨、导管桨等多种形式的推进器。

图5 吊舱推进器

吊舱推进器有着许多的优点:(1)从原理方面看，推进装置不再和原动机通过机械结构直接连接，原动机可不受推进负载的影响而工作在最佳的状态，提高了燃油效率，同时可以充分发挥全电力系统的优越性。

(2)从设计方面看，由于推进系统本身完全包含在吊舱内，船身主体省去了轴支架、尾柱等附体，原动机(柴油机等)及发电机组在船内可以比较灵活自由布置，尾轴、减速齿轮以及传动轴系等都可省去。因此，相比于常规的推进装置它个头小、重量轻，可以充分利用机舱舱容，使船体设计，尤其是船尾和集控室部分的设计具有很大的灵活性，同时也可以用于更小的船只，设计的自由度和灵活性都增强了。

(3)从建造方面看，它取替了船体中的齿轮箱、轴系结构、船尾密封、润滑油系统、舵及转向齿轮。将推进与转向装置集成，采用模块化设计，可以独立制造，方便安装，缩短了推进系统的建造时间。

(4)从操作方面看，推进器可在360°范围内旋转，对船体进行矢量推进，可提高船的机动性，实现更小的转弯半径，减少停车距离，极大地提高了船舶的操纵性和机动性，使停靠驶离港口更快捷和安全，在船只密集的港口和在狭窄水域其优势更加明显。配合船艏侧推器，吊舱式推进器更可使船舶完成原地回转、横向平移、精确定位等一般推进器难以完成的操作。

(5)从噪声方面看，因为没有艉轴，螺旋桨的水动力特性得到提升，与常规桨相比可得到更均匀的进流，空泡效应减少，因而桨诱导的振动及噪声相应减少。同时更方便对原动机进行隔振处理，船舱内的噪声更小。从环境上减少了氮化物的排放，有利于环境保护。

参考文献

[1]盛振邦，刘应中.船舶原理.上海交通大学出版社.2004 [2]张洪雨.摆线推进器水动力性能研究.海洋工程.1998 [3]唐军.调距桨装置应用技术分析.青岛远洋船员学院学报.2005 [4]高宜朋.吊舱推进器在舰船推进系统中的发展现状及关键技术分析.中国舰船研究.2011