吊舱推进器的水动力性能优化设计研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1背景及意义第1章绪论21世纪是海洋的世纪，海洋地位的提高使得海军的作用更加重要。2000年1月，美国时任海军部长RichardDanzig宣布美国海军将开始一个新纪元，其下一代水面战舰将采用电力推进系统。自从二战前美国海军放弃电力推进而采用机械齿轮驱动后，电力推进一直没有受到重视，这个决定为船舶设计者提供了新的机遇。在商业领域，特别是邮船，多年之前就采用了电力推进，并正享受其所带来的利益。采用电力推进后，机械轴驱动的螺旋桨推进器将被电机驱动的推进吊舱所取代，传统上这些电机是由交一交循环变频器控制的电励磁同步电机。这种配置

2、的缺点就是当轴功率增大时，系统和电机过于笨重以致于它的优点被掩盖了。稀土永磁体和电能变换技术的技术进步促进了大功率永磁电机和固态电机驱动装置的发展。电机转子上安装永磁体产生主磁场，无须向转子供电，从而可以得到高功率密度、高转矩密度的推进系统。潜艇是现代海军作战的两大主力战舰之一，其最大优点是隐蔽性好，机动灵活，自给力和续航力较大，突袭力较强。因此它仍然是各国海军优先发展的重点。若潜艇的主推进系统遭到破坏，将极大的威胁到潜艇的航行安全。因此在潜艇上设置水动力性能优良的外挂式吊舱推进器用作潜艇应急推进系统，使其能满足潜艇应急推进以及转向、停靠码头、动力定

3、位的需要，对减少国家生命和财产的损失有着重要的意义。1．2国内外相关研究进展早在上个世纪初，就已出现了AC、DC船舶电力推进系统，但直至上世纪70年代末，主要采用的仍是直流发电机一电动机方式，由于其功率密度低而受到电动机极限容量的限制，并且有刷电机需经常维修，这些缺点限制了其在电力武汉理工大学硕士学位论文推进系统中的应用。而AC发电机是通过调频来调速的，当时的变频技术及电子元器件水平使得AC发电机电力推进系统在相当长时间里缺少吸引力。但进入80年代后，舰船电力推进应用发生了根本性变化，有两个主要的变化使得电力推进系统在最近十几年重新兴起，一是大功率固

4、态开关设备、配电设备和兆瓦级功率变速技术的发展；二是随着电机技术的发展，一种新型推进器——吊舱式电力推进器(PoddedPropulsor)的开发和应用。1．2．1吊舱式推进器的优点吊舱式推进器作为一种新型推进装置，主要有以下优点：(1)动力机舱位置不受推进器、轴系的限制，可以根据具体需要进行自由布置，甚至可布置在甲板以上的舱室内；(2)由于电动机置于船体以外的吊舱内，并省去了传动轴系，这样提供了更多的可利用空间，增加了舰船的有效容积；(3)采用吊舱式推进器可以取消舵，同时操纵性能明显改善；(4)由于没有轴系等船尾部附体对型线的限制，船尾设计便于改善

5、伴流场，并可采用拖式螺旋桨，以提高推进效率，而且全船噪声和推进器激发的脉动压力明显降低；(5)吊舱式推进器可整机吊装到船体预设位置，减少了船台和码头作业时间。1．2．2吊舱式推进器产品的现状及发展n1芬兰ABB公司幂NKvacnerMasaYards公司1990年率先推出Azipod吊舱式推进器，首$1JAzipod安装在北极区航道服务船上，营运取得巨大成功。目前世界上主要有Azipod、SSP、Mermaid矛I]Dolphin四种知名品牌的吊舱式推进器，功率范围从400kW到30MW。另外，日本川崎重工2003年宣布成功研制出Podpeller帛

6、J舱式推进器，并制造出1000kW的样机。目前国外产品吊舱、吊柱本体～般采用铸件，为降低制造成本，也有采用焊接式钢结构件的，如Dolphin吊舱式推进器。吊舱推进电机具有低转速、高载荷的特点，对于(10～25)MW功率的推进电机，转速在(100～175)rpm之间，而扭矩则高达(106-107)N·m，一般采用无刷同步交流电机或永磁式电机，桨轴密封由水润滑面状密封和油脂润滑唇状密封组合而成。现吊舱式推进器(特别是大功率的吊推)的桨轴推力轴承或径向轴承大多采用SKF的产品。2武汉理工大学硕士学位论文吊舱式推进器现在俨然成为新建豪华邮轮的标准配置，并在渡

7、轮、钻井平台、破冰船及其它特种船上的应用越来越广泛。但吊舱式推进器尚处于发展阶段，相关标准和规范也较少。对于大功率吊舱式推进器，轴承负荷高，发热容易引起热变形而造成轴承本身损坏，或破坏桨轴密封。ABB公司的Azipod和Rolls．Royce公司(与Alstom联合开发)的Mermaid吊舱都出现过类似问题。!Z1]1998年投入运行的Paradise号游轮的Azipod，在2000年时右舷的吊舱装置曾出现了故障，螺旋桨／转子轴处的密封遭到破坏，而不得不上旱坞维修。在目前的情况下，当功率<5000kW时，Z推与吊舱式推进器竞争市场份额，并有一定的成本

8、优势，功率越小，Z推的优势越大。因为吊舱越小，电机尺寸受限，冷却空间也受影响，但随着吊舱技术的发展，将来可能