吊舱式电力推进系统
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简介编辑本段回目录
船舶电力推进是将船舶推进原动机(现一般多采用柴油机或燃气轮机)产生的机械能量转变为电能，并以电机驱动船舶螺旋桨的一种推进方式，有常规推进器和吊舱推进器两种形式。
吊舱式推进器，电动机和螺旋桨直接相连，可以360度水平旋转，构成独立的推进模块，吊挂于船体底部，可分为前桨(牵引)式、后桨(推)式和串列式等，还有对转桨、导管桨等多种形式的推进器。
但是，吊舱式推进器有两个难题:一是吊舱和桨轴的密封;二是传递的功率受到一定限制。
吊舱式混合电力推进系统，由芬兰的KMY和ABB两家公司于1989年提出。ABB公司推出的对转桨(contra-rotating propulsion)吊舱式混合电力推进系统，结合了常规推进器和吊舱推进器两种形式，适用于诸如潜水作业供应船、破冰船、旅游船、潜艇、化学品船、油船、LPG船、LNG船等。
吊舱式混合电力电力推进装置的开发及应用，使得船舶采用电力推进的市场份额迅速增长。随着电力电子学、半导体技术、交流电机变频调速等技术日渐成熟，船舶吊舱式混合电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展，显示出广泛的应用前景。
类型编辑本段回目录
船舶电力推进系统作为船舶IPS 系统的核心组成部分，其主要由推进电动机、电力系统、螺旋桨装置和变速控制装置四个部分组成。
目前在世界各国最流行的电力推进方式即是吊舱式推进方式，它主要由吊舱和推进器组成。流线型吊舱悬挂在船体尾部，由法兰盘和船体相接，吊舱内安装的电动机直接驱动螺旋桨，吊舱可作360 度回转，替代舵的作用，可以显着改善船舶的操纵性能和紧急机动性能。
由于吊舱式推进装置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，原动机及发电机在船舱内可以比较灵活地布置，尾轴、减速齿轮以及传动轴系等都可省去。
由于吊舱式推进装置在船舶设计制造、操作控制以及运营维护等方面优点较多，因而发展迅速。下面对世界上四种主要吊舱式推进器分别加以介绍，它们是AZIPOD，SSP，MERMAID 和DOLPHIN。这四种推进装置基本概念相同，但各有特点，主要表现在吊舱的水动力特性设计、螺旋桨设计、推进电机的形式以及变频方式等方面。
1、AZIPOD 吊舱式推进方式 二十年前，芬兰海事局开始寻求在冰海区航行的高性能破冰船的解决方案，其初步的想法是推进电机应该提供任意方位的推进力。在此背景下，作为世界传动领域的领先者，ABB芬兰分公司提出了Azipod
的原型方案并提交给芬兰Kvaerner Masa 船厂制造，这是最先应用于船舶的吊舱式推进装置，相关的Azipod 推进技术也申请了专利。现在Azipod 吊舱式电力推进系统已经成为大型豪华游轮的一种标准配置。Azipod 吊舱式电力推进的实物图与结构Azipod 吊舱式推进装置采用空气冷却电动机，这就意味着在定子和吊舱之间存在使空气可以循环的空隙，采用封闭的冷却系统，热交换器安放在舱内，在大型的吊舱内设有通往舱内的通道，可以不必在干坞时装卸，轴封和轴承可以由潜水员在吊舱外面进行更换。在变频控制技术方面，Azipod 系统一般采用交交变频器和直接转矩控制方法来实现对推进电机的调速。从1990
年1500kW 的Azipod 推进装置应用于“SEILI”号航道服务船开始，截至2004 年ABB 公司使用Azipod 推进装置的累计安全运行时间已经超过了130 万小时，良好工况的概率达到了99.75%。由于其系统较高的稳定性，目前Azipod 推进装置已经占据了吊舱推进装置市场一半以上的份额。
为了满足中小型船舶对船舶操纵性能和运行经济性等方面日益增长的市场需求，ABB公司于2000
年推出了Compact Azipod 推进装置，其实物与结构简图如图3-2 所示：Compact Azipod 的结构设计为高度模块化，可以“即插即用”和快速安装，它结构简单只有很少的运动部件，因此可以显着地降低安装成本和缩短交货周期。Compact Azipod 推进装置在离岸支持船、钻井平台、科考船、豪华游轮和渡轮上都有所应用，提供的功率范围从0.5MW～5MW 不等。有资料显示Compact Azipod 推进装置用于半潜式钻井平台的动力定位系统，在提供同样推力的情况下，装机功率可以比机械推进装置减少10%～12%，据离岸支持船运行统计，采用Compact Azipod 推进器与直接机械推进相比可以减少30%～40%的燃油消耗。Compact Azipod 推进器目前在我国已成功应用在“烟-大”火车轮渡项目，通过近几年的运营，其已取得了较好的经济效益。由于Compact Azipod 推进器良好的可靠性和经济性，现已在中小型船舶中得到了广泛的应用。
3、MERMAID 吊舱式推进方式
Mermaid 推进器的独到之处在于用户可以选择Kamewa 公司在转向推力器方面的专有技术，利用一个闭锁回转装置使维护人员安全地进入吊舱式推进器内部进行检查、拆卸桨叶或整个螺旋桨、轴密封或整个导流罩而无需进坞。这样，船舶可以保持不间断运营，获得全寿命期内最长的运营时间，降低维修费用提高运营收益，目前可提供的推进器功率范围为5MW～30MW。Mermaid 推进器的电机设置与Azipod 推进器不同的是，它的定子烧嵌在吊舱内壁上，利用周围的海水对流来冷却部件，这样的吊舱装置在尺寸上要比采用全空气冷却系统的吊舱装置小，因而提高了水动力效率。
Mermaid 的推进系统采用的是交直交变频器来实现对推进电机的调速，交直交变频器的突出优点是与大功率异步电动机有着良好的配合，与采用交交变频器的电力推进系统相比，这种系统具有效率高、噪声低和震动小的特点。Mermaid 推进器提供了牵引式，顶推式和高推力顶推式三种形式的吊舱供船东选择。牵引式Mermaid 推进器适用于高速双螺旋桨船，如客滚船和豪华游船等；顶推式Mermaid 推进器适用于中速单螺旋桨船；高推力顶推式Mermaid 推进器用于需要最大拉力的低速船，如拖轮、近海工程船和海洋平台等。
3、SSP 吊舱式推进方式
SSP 吊舱式推进器系统是德国西门子（Siemens）公司和肖特尔（Schottel）公司合作的产品，为了反映出该推进器系统的合作开发的特点取名为SSP。SSP 是一种吊挂式推进器系统，其功率输出范围在5MW~30MW 之间，其推进装置实物与结构图。
SSP 推进器结构上主要分为三层：最上面一层是安装在船体内的推进操作室，里面配有电动液压操作系统，可以改变推进装置的方位（可起到舵的作用）；中间一层是方位模块；下面一层则是伸入水中的推进模块。焊接在推进模块上位于两个螺旋桨之间的两个鳍，用于补偿吊舱在非线性螺旋桨滑流场中产生的不平衡力，有助于提高推进器的总体效率。双螺旋桨的结构设计可使两个螺旋桨分摊推进功率，这样可以降低单个螺旋桨的负荷。
SSP 吊舱推进器采用Permasyn
永磁同步电动机用以驱动Schottel 公司的前后配对的螺旋桨。由于最初设计开发永磁式同步电动机是作为潜艇的动力部件，因此电动机的结构紧凑。
和传统的同步电动机相比同样功率的Permasyn 电动机直径可减少40%，重量可减少15%。
SSP 推进器的推进电机通常采用基于IGBT 的直接水冷式交交变频器驱动，该驱动系统按12脉波设计，这样可降低由变频器导致的船上电网的总谐波畸变量，选用这种变频器也保证了电动机电流接近于一个正弦波形，使结构噪声减小。交交变频器由于可以和螺旋桨直接相连，所以不需要减速齿轮箱等传动机构，从而大大提高了传动效率。
4、DOLPHIN 吊舱式推进方式
Dolphin 推进器和Azipod 推进器一样也采用空气冷却定子和转子，螺旋桨轴的密封使用工业标准的唇密封，并采用六相同步电机作为推进电机。牵引式的推进器使轴向吸入性能得到改善，空泡性能好，低励磁，低噪音。一般采用交直交变频器，如果功率需求比较低或有特殊要求时可以采用PWM 变频器，Dolphin 推进装置可提供的功率范围为3MW~19MW。
概述编辑本段回目录
1、吊舱式混合电力推进系统的结构形式
对转桨吊舱式混合电力推进系统，由两部分组成:
(1)固定螺距的主螺旋桨
由二冲程柴油机直接推进，或由四冲程机通过减速箱推进，还可全电力推进(即由机舱内的电动机推进，能在很低的转速例如10%额定转速状态下连续运行)。
(2)一台电动吊舱牵引式螺旋桨(与主螺旋桨对转)
吊舱是在原来舵的位置上的一个流线型的壳体，变频调速的交流马达直接装入壳内，螺旋桨置于壳体前端。因为推进系统本身完全包含在吊舱内，可省去如轴支架、尾轴、减速齿轮装置等附属部分。
发电机位于船舱内，电力和相关的控制数据经电缆和滑环装置传送给电动吊舱式螺旋桨的电动机。
电动吊舱可以作360度回转，不仅省去舵装置，也不再需要装备艉侧推器。这样，全部转速范围内，它都能输出较高的扭矩;各种流体动力状态下，它都可使螺旋桨达到最佳状态。
2、吊舱式混合电力推进系统性能
芬兰的技术与研究中心(VTT)，与荷兰的MARIN，对对转螺旋桨吊舱式混合电力推进系统(Hybrid
CRP pod)进行了大量船模试验池研究。压力波动试验和气穴试验在荷兰的MARIN进行。
试验在船名为ENVIROPAX的二艘大型渡轮姊妹船进行。船舶装备柴油机机械推进和电动吊舱式对转桨推进(CRP)的混合电力推进系统。
混合电力吊舱推动系统在CRP和主推进器之间有两种不同的功率分配选择。一艘船装备10000kW吊舱式推进器，33600 kW机械推进器，总功率43600kW，称为“小吊舱装置”，;另一艘船装备19000k W吊舱式推进器，23200 kW机械推进器，总功率42200 kW，称为“大吊舱装置”。
研究项目主要有: 功率分配对船舶推进效率的影响;
船体的压力波动和水动力特性;
不同情况下桨叶和吊舱式推进器的气穴现象，等。
(1)机械推进与吊舱推进的功率分配
两船吊舱推进与机械推进的功率分配百分比，试验范围都是从20%:80%到55%:45%(吊舱式推进器:机械推进器)。
试验明显表明，吊舱式推进与机械推进之间功率分配的不同，对螺旋桨效率没有产生任何明显的影响。功率分配在各50%时运行更平稳。
姊妹船同样航速所需要的功率，“小吊舱装置”更小，说明“小吊舱装置”比“大吊舱装置”阻力小。
(2)压力波动与水动力特性试验
传统的推进系统，螺旋桨置于轴的后方。螺旋桨前方的轴和支架导致螺旋桨来流不均匀，来流对桨叶切面的攻角不稳定，使螺旋桨的水动力性能和噪声性能降低，螺旋桨的空泡性能恶化，推进效率降低。而在吊舱式推进系统中，螺旋桨前没有轴和支架，没有受到附体的干扰，来流规则而均匀，各方向上的速度分量均以一次谐波为主，高次谐波量很小。
对转桨吊舱式混合电力推进系统，吊舱的对转螺旋桨的压力波动，主要来自于前面的螺旋桨，压力波动水平低，压力波动范围在反旋转的吊舱式推进器的允许范围之内。
试验还表明，重新设计的船尾结构改进了推进器的水流，使后桨完全置于前桨的尾流之内，并免受前桨叶梢旋涡的影响，能较好地减少桨叶漩涡造成的能量损耗。
另外，1994年的纯吊舱推进装置(Azipod)试验，采用“幻想”号(Fantasy)姊妹船船模，两艘船分别安装了两台Azipod;每台的外形都根据实船精心设计;同时模拟原地转弯试验和Z形航行。试验证实，其总水动力效率还可提高5—7%;转向性能比常规的舵要好，全速时的转弯半径可减少30%左右。
(3)气蚀
螺旋桨运转时，产生的压力波动将导致更多的气穴穴蚀。
吊舱式混合电力推进系统配有的吊舱式推进装置，提高了螺旋桨发生空泡的临界速度，改善了螺旋桨的水动力和噪声性能，减少了螺旋桨的振动和空泡剥蚀，降低了附体阻力，提了高螺旋桨效率，同时使船舶航行更加安静。
吊舱式混合电力推进系统评估编辑本段回目录
1、安全
(1)操纵性
吊舱式混合电力推进系统配有吊舱式推进装置，推进器可在360。水平范围内旋转，没有侧推器时转向性能也好于常规的舵装置，倒车性能和紧急停车性能好，提高了船舶的操纵性和机动性。全速时的转弯半径可减少30%左右，增加了面对恶劣天气时操作的安全性，还能缩短船舶离靠岸时间，对于运营于有密集船只的港口或狭窄限制水域中的旅游船，尤其重要。
(2)双套推进系统互补