气垫船推进系统技术特点研究及未来前景展望.pdf

总第2 2 9 期2023年第7 期技术创新气垫船推进系统技术特点研究及未来前景展望伍赛特（上海汽车集团股份有限公司，上海2 0 0 438）摘要：简要介绍了气垫船的技术特点、气垫船推进系统的总体组成，重点对高速柴油机及燃气轮机等推进主机及其技术特点进行了阐述，随后详细介绍了用于气垫船的各类推进器及其技术特点，并对气垫船推进系统未来的发展趋势进行了展望。未来，气垫船主机仍会以高速柴油机及燃气轮机等传统热力发动机为主流，并有望采用电力推进。核动力装置虽然能为船舶提供较强的动力性及续航力，但考虑到其高昂的成本、复杂的结构、庞大的尺寸及重量，以及核泄漏等安全性问题，一定程度上限制了其在气垫船等高性能船舶领域的应用。关键词：气垫船；高速柴油机；燃气轮机；联合动力装置；推进器中图分类号：U664.1文献标识码：A0引言1气垫船推进系统概述气垫船是一类高性能船舶,航行速度快，可分为为实现气垫船快速航行，除了采用优良的船型以全垫升式气垫船与侧壁式气垫船。与其他高性能船舶减小阻力之外，同时必须选择性能较强的主机与效率相比，气垫船具有较好的稳定性和耐波性,更适于在较高的推进器，对船、机、桨进行合理匹配。推进系统是海上航行。在航行时，由于气垫吸收了一部分波浪的指可为气垫船提供航行所需动力的设备系统，由主冲击力，大幅减少了气垫船体承受的冲击力，确保船机、推进器以及有关的监测控制等系统组成。体安全和机器设备正常运行。气垫还可以减轻船体摇主机是指为船舶提供动力来源的热力发动机。根摆,因而乘坐气垫船要比乘坐其他高性能船舶更为舒据燃料和热功转换方式的不同，主机可分为柴油机、适。此外，气垫船还具有较好的适应性，可以在江、河、汽油机、燃气轮机、汽轮机、斯特林发动机、电动机、联湖、海、浅滩与急流中航行。尤其是全垫升式气垫船，合动力装置及核动力装置等1-5。以气垫船为代表的还能在沙漠、沼泽和冰雪等地带航行,甚至还具有一高性能船舶的主机一般会在现有的主机系列中选用，定的越障及爬坡能力，这是普通道路车辆及传统排水很少专门为某一款船型而研发新的主机。对气垫船而型船舶所望尘莫及的。与此相对，侧壁式气垫船承载言，其主机类型主要是高速柴油机（极少数采用中速能力较强，有望向大型化发展。柴油机）及燃气轮机等。气垫船性能优良、应用广泛，可用作客船、渡船、推进器是指将主机所输出的轴功率转换为船舶货船和交通艇。气垫船作为客船尤为理想，因其航速推进功率的装置。高性能船舶由于航速较高,推进器的快、摇摆幅度小,既能节省航行时间，又具有较高的舒转速也相对较高，选用的推进器主要是与船型相适应适度。目前，世界上不少国家已开辟了气垫船客运航的螺旋桨及喷水推进器等。线。气垫船如用作渡船，可以发挥甲板面积宽的优点，螺旋桨按螺距能否调节分为定距桨和调距桨。根渡运大量旅客、货物和车辆。经改装，气垫船还可用作据桨剖面在水流中的运作形态，可分为非空泡桨、空为鱼雷快艇、高速炮艇、气垫导弹艇、布雷艇、扫雷艇泡桨和超空泡桨等。根据推进介质类型的不同，可分和反潜舰等。全垫升式气垫船可在其他交通工具难以为水螺旋桨和空气螺旋桨。到达的地区执行运输、消防及抢险救灾等任务，还可监测控制系统是指推进系统的控制系统、监测报改装成理想的两栖登陆舰。警系统和安全系统等。控制部位一般分为驾驶室及机目前，气垫船仍存在不少问题，如：当气垫船达到电集控室等。一定航速时，船体会出现“埋首”现象，严重时还会发动力管系是为主机服务的机械设备、管路及附件生倾覆。在恶劣的气象条件下，难于保持气垫的稳定的总称。其主要作用是提供主机所需的燃油、滑油、空性。在波浪较大时,失速情况也较为严重，使全垫升式气、蒸汽及水等物质，并排出主机工作时所产生的各气垫船的操纵灵活性下降。在风力作用下，全垫升式种物质（如废气、乏汽等），确保主机正常运行。气垫船还易发生侧向漂移。此外，在结构材料及制造气垫船推进系统具有布置紧凑、能承受冲击、颠工艺等方面存在的问题,也有待于进一步优化。簸、摇摆和腐蚀等恶劣条件的特点。推进系统性能的收稿日期:2 0 2 3-0 2-10作者简介：伍赛特（19 9 0 一），男，湖南邵阳人，硕士，毕业于长安大学动力机械及其工程专业，工程师、经济师,研究方向为内燃机与动力装置。现代工业经济和信息化Modern Industrial Economy and InformationizationTotal 229No.7,2023D0I:10.16525/ki.14-1362/n.2023.07.040文章编号：2 0 9 5-0 7 48(2 0 2 3)0 7-0 115-0 4现代工业经济和信息化 第13卷优劣直接影响气垫船的主尺度选择、总体布置情况以及全船的快速性、适航性、机动性和续航力等总体性能，也会影响初始成本、维修使用和全寿命效费比等经济指标。在推进系统中,与快速性关系最为紧密的是主机和推进器。本文主要论述高速柴油机及燃气轮机、空气螺旋奖、导管式空气螺旋桨、导管式风扇、水螺旋奖以及喷水推进器的技术特点。2气垫船用高速柴油机及其技术特点2.1高速柴油机的技术概况高速柴油机是指曲轴转速 10 0 0 r/min的柴油机,其主要技术特点是采用直列或V型结构，机组为四行程,并配备有增压系统，且不可反转。该类机型具备尺寸小、重量轻、效率高、机动性好等优势，其单机功率一般不超过10 MW。高速柴油机的技术集成度高，代表了柴油机的技术发展水平。对气垫船而言，船型不同、用途不同和使用环境不同,对所选用柴油机的要求也不同。在选用柴油机时，必须对气垫船的型式、用途、吨位、环境温度、重量、尺寸、大修期和油耗等多方面进行综合论证分析后方可确定。在选用柴油机时，还要考虑使用环境(如水温、气温等)对功率的影响。2.2高速柴油机的运用高速柴油机的应用场合与柴油机的负荷率直接相关。柴油机的负荷率,是指在某一转速下柴油机发出的有效功率与相同转速下所能发出的最大有效功率的比值，以百分数表示，也称负荷。根据柴油机负荷不同，其应用场合可分为5类：用于全负荷率的持续场合、用于变负荷率的持续场合、用于中等负荷率的变负荷场合、用于中低等负荷率的变负荷场合以及用于低等负荷率的变负荷场合。对气垫船而言，主要为后3类，大都在近海岸、港口以及江河湖泊中使用。2.3气垫船用高速柴油机的技术特点高速柴油机品牌较多,功率特性不尽相同，不能仅依据船舶推进所需的功率进行随意选择,而是要依据船舶的用途、运行的环境条件、柴油机使用时的负荷率、柴油机功率标定的条件等具体情况（如尺寸、重量及燃油消耗率等)来选择船舶的主机。在选定推进系统的主机时，必须审慎研究柴油机制造商对其产品适用场合的具体规定，特别要注意特性曲线上标定功率的使用条件6 ,才能最大限度发挥柴油机的功率,为下一步选择并设计相匹配的推进器打下坚实的基础。目前，高速柴油机经常被用做于气垫船等高性能船舶的主机。一般来说，柴油机缸径越大,转速越低，燃烧也会越充分，油耗也越低，大修期同样越长，机组尺寸及重量也会更大。同样,柴油机的缸数越少,维修也越方便。从气垫船的适装性来看，希望柴油机的排量小而功率大。将高速柴油机用作于气垫船的主机时,应充分考虑其特性。对采用高速柴油机的高性能船舶而言,如长期以最高功率运行，不但会大幅缩减机组的寿命，增加燃料的消耗，也会缩短气垫船的续航里程，而且气垫船自身速度的提升幅度也较为有限。因此，气垫船通常会选择在柴油机的高效工况区内航行。主机的寿命损耗一定程度上依赖于气垫船的使用程度及航行距离。在整个航行期间内，主机应实现高效运作。3气垫船用燃气轮机及其技术特点燃气轮机是一类常见的热力涡轮机械，利用燃油与空气混合燃烧所产生的高温高压燃气推动叶轮，并输出轴功率,以此驱动螺旋桨。3.1燃气轮机与柴油机的对比目前，船用燃气轮机功率范围为3 40 MW，主要用在驱逐舰、护卫舰和两栖攻击舰等军用舰艇上，以及气垫船、水翼艇和小水线面船等高性能船舶上,并可与柴油机进行联合，构成共同作用式柴油机一燃气轮机联合动力装置(CODAG)、交替使用式柴油机一燃气轮机联合动力装置（CODOG),或与其他燃气轮机组合，构成全燃联合动力装置（COGAG）。同船用柴油机相比，船用燃气轮机主要有以下优点：1)功率密度高。一般情况下,同等功率的燃气轮机,其体积约为柴油机的1/51/3。紧凑的结构使得燃气轮机适用于对主机尺寸、重量和航速有着较高要求的船舶。2)对功率指令反应迅速。这是因为燃气轮机整个转子机构设计精密灵巧，在12 min内即可达到最高转速和最大负荷，有利于提高全船的机动性。3)运行平稳，噪声低频分量较低。这主要是由于燃气轮机转子处于高速、稳定的旋转过程中，产生的噪声多为高频噪声,采用特殊的噪声防护系统即可有效降低机舱噪声水平。同船用柴油机相比，船用燃气轮机具有以下缺点：1)热效率低，燃油消耗率高，对燃油品质要求较高，结构复杂精细，制造材料和工艺要求高，大修期短。以上缺点导致燃气轮机全寿命周期的经济性低于柴油机，成为制约燃气轮机在民用市场发展的主要原因。2)工作转速高,输出扭矩小。由于燃气轮机的传动装置结构较为复杂，相应配套的减速箱减速比较大，尺寸重量同样较大，不利于机舱内部的布置。3)空气消耗量大。这使得燃气轮机对进气及排气2023年第7 期伍赛特：气垫船推进系统技术特点研究及未来前景展望117的通道尺寸要求较高，占用了机舱及上层建筑部分的较大空间。此外，通道开孔会对船舶的结构强度造成较大损伤，在小型气垫船上的布置也较为困难。3.2气垫船用燃气轮机的技术特点如需在气垫船上采用燃气轮机，必须考虑如下几个特性：1)在大气温度提高时，燃气轮机的功率会有所降低。2)需要为燃气轮机供给大量空气。3)燃气轮机有着较高的进气噪声。4)如果有外部异物(如冰块)进入压气机，会导致故障发生。目前,许多国家选择对现有的航空发动机进行改进,以得到合适的航改机型,用于各类船舶中。燃气轮机在气垫船上的使用条件比在飞机上更复杂，这是因为从怠速工况到额定工况，需要频繁地改变功率，水面上较大的空气密度及含盐的海水会产生较大的应力,并使机组负荷上升。含有碱性金属盐的潮湿空气加剧了燃气轮机零部件的腐蚀，并且会使压气机产生阻塞现象,从而降低机组功率。以上条件均对气垫船的结构提出了附加要求,因此，必须采用气水分离装置，以及清洗燃气轮机污垢的系统。为了将航空发动机改型为船用燃气轮机，在改造过程中,需要对其结构进行调整,如更换操纵系统,改善压气机整流效果，提高工作叶片的抗腐蚀强度（用铝合金材料零件代替镁合金零件，在叶片上、涡轮轴上和喷管表面涂上防腐敷层等）。在空气温度为57 甚至更低时，进气系统可能会出现结冰现象。为防止结冰现象出现，会利用燃气轮机的排气来加热进气系统。此外，也会利用燃气轮机输出的部分功率,来驱动其他机组（发电机、水泵和空气压缩机等）。为降低燃气轮机的噪音，可将其放在隔音罩中、安装在专门的缓冲支承上以及采用一定的隔音材料等方法来实现。4用于气垫船的推进器气垫船所用的推进器因船型不同而存在着差异。其中，全垫升式气垫船所使用的推进器主要有空气螺旋桨（无导管）、导管式空气螺旋桨及导管式风扇等。侧壁式气垫船所使用的推进器有空化螺旋桨、亚空化螺旋桨及喷水推进器等。4.1用于全垫升式气垫船的空气螺旋桨与水螺旋桨相比,空气螺旋桨的工作特点是负荷效率较高。由于空气螺旋桨的推力受风速的影响较大,因此,在设计时要重点考虑。特别是在全垫升式气垫船处于驼峰工况时，空气螺旋桨的推力至少要有20%的推力储备，以此产生加速，从而顺利越过驼峰工况。当然，对于设计航速 2 9 m/s(约55kn)的全垫升式气垫船来说，这一问题可顺利克服，但对于设计航速在15 2 5m/s(3050kn）之间的全垫升式气垫船而言，则需要重点考虑。4.2用于全垫升式气垫船的导管式空气螺旋桨奖与导管式风扇4.2.1导管式空气螺旋奖在设计空气螺旋桨时,还要考虑的一个重要因素是推进器的噪声。由于空气螺旋桨的转速往往较高，其叶梢的线速度往往可达到2 0 0 m/s，会产生较强的空气噪声。2 0 世纪6 0 年代前，全垫升式气垫船采用空气螺旋桨，其叶稍线速度往往高于2 0 0 m/s，产生的空气噪声更大7。到了2 0 世纪7 0 年代，由于采用了导管式空气螺旋桨，在获得相同的推力情况下，螺旋桨的直径变小,叶梢的线速度相应降低,噪声性能也相应得到了改善,但同时螺旋桨的质量也相应增加8 。4.2.2导管式风扇导管式风扇与导管式空气螺旋桨最大的区别在于，导管式风扇对推进器的刚度要求更高，进速系数更小，并且在风扇后面往往安装有用于整流的导叶，以回收部分能量,从而提高推进效率。由于导叶的作用,在相同直径的情况下，导管式风扇产生的推力要大于导管式空气螺旋桨。如果设计不合理，不但无法提高导管式风扇的效率，还会增加空气动力噪声，而设计良好的导叶往往可以避免这些问题，使其推力相应提高10%。设计的好坏会对整流效果产生影响，如果设计不合理，会在导叶叶片上产生较强的湍流，一方面会降低推进效率，另一方面也会产生新的噪声。而设计优良的导叶，其整流效果往往能最大限度地吸收水流旋转的能量，使之变为轴向推力，同时又不会产生较强的涡流。导叶的进流方向刚好迎合导叶的安放角，既不会过大也不会过小，最终实现整流及回收周向旋转能量的目的。由于在设计时,沿翼展方向的螺距角往往有所不同，且叶根到叶稍的线速度会随着叶片半径的增加而逐渐增加,因此，导叶叶根处和叶稍处的叶片安放角也需要与叶轮的出流情况相匹配。4.3用于侧壁式气垫船的水螺旋桨侧壁式气垫船所使用的水螺旋桨与一般排水型船的螺旋桨工作过程相同。与空气螺旋桨相比,由于水螺旋桨在水中运行，水的密度远大于空气，水螺旋桨单位面积承受的负荷往往大于空气螺旋桨。因此，在设计时，需要加长水螺旋桨的弦长，,并要加厚叶片以保证足够的刚度。根据侧壁式气垫船的航速高低，水螺旋桨的类型也有所不同,通常可分为亚空化螺旋现代工业经济和信息化第13卷桨和空化螺旋桨。亚空化定距桨由于质量轻、价格便宜、结构简单,使用更为频繁。与空化螺旋桨相比,亚空化螺旋桨在侧壁式气垫船处于低速航行时（35kn时，则需要采用空化螺旋桨。4.4用于侧壁式气垫船的喷水推进器早在2 0 世纪7 0 年代，喷水推进器即已得到了充分发展，但由于当时设计水平不高，效率只能达到45%60%。随着喷水推进技术的发展，现阶段侧壁式气垫船的喷水推进器效率已能达到6 5%8 0%9 。在较高航速区间,喷水推进器的效率明显高于水螺旋桨。与水螺旋桨相比,这种推进器可使侧壁式气垫船的振动噪声性能得到较大改善。通过分析水螺旋桨与喷水推进器的流场和噪声源，可知喷水推进器的噪声源（即叶片上的脉动压力)及辐射噪声都要低于螺旋桨。5气垫船推进系统发展趋势研究现代船舶的发展趋势是排水量越来越大、航速越来越快、航程越来越远，这就要求推进系统能提供更高的功率，才能跟上船舶工业发展的需求。现代船舶多采用柴油机作为主机。其中,高性能船舶多采用高速柴油机，而大型船舶则采用中、低速重型柴油机。对气垫船而言，除采用高速柴油机外,还将大量使用燃气轮机10 。燃气轮机具有质量轻、体积小、功率大、布置方便和操作简单等优点，因此成为了许多高性能船舶和军舰首选的推进主机。但在一些大型军舰上，多采用以燃气轮机作为加力机组的联合动力装置，以同时满足巡航工况下经济性和作战工况下的动力需求。在未来的气垫船推进系统中，有望采用电力推进，不再简单地由柴油机或燃气轮机驱动发电机发电，也不会通过单一铅蓄电池提供电力，而是更多地采用燃料电池、磁流体等方式进行发电1。Research on the Technical Characteristics and Future Prospects of the Propulsion System ofAbstract:This paper briefly describes the technical characteristics of the hovercraft,introduces the overall composition of the propulsionsystem of the hovercraft,focuses on the main propulsion engines such as high-speed diesel engines and gas turbines and their technicalcharacteristics,and then introduces in detail the various propellers used for the hovercraft and their technical characteristics,and looks forwardto the future development trend of the propulsion system of the hovercraft.In the future,the main engine of hovercraft will stll be high-speeddiesel engines,gas turbines and other traditional thermal engines,and it is expected to use electric propulsion.Although nuclear power plantcan provide strong power and endurance for ships,considering its high cost,complex structure,huge size and weight,and safety issues such asnuclear leakage,its application in the field of high-performance ships such as hovercraft is limited to some extent.Key words:hovercraft;internal-combustion engine;diesel engine;gas turbine;combined power unit;high performance ship;thruster;electricpropulsion目前,核能也是船舶的重要动力来源。核动力装置依靠可控核裂变链式反应释放的热能，通过热交换器产生高温蒸汽，以此驱动汽轮机，为船舶提供动力来源。核动力装置能输出较高的功率及续航力，确保船舶在未来的若干年内实现高速航行。但由于核动力装置成本高昂、结构复杂，并且需要一定的屏蔽装置以确保全船人员的安全，致使全系统的尺寸及质量较大，一定程度上限制了其在排水量较小、且航速较高的高性能船舶上的应用。目前,核动力装置多用于排水量较大的军用舰艇（包括航空母舰及潜艇等）。此外，在破冰船等民用商船上也有应用。6结语作为一类高性能船舶，气垫船在交通运输及国防领域中均发挥着重要作用。随着推进系统的持续优化与发展，气垫船的性能将得到不断改善,应用也会更加广泛。参考文献1伍赛特.船用燃气轮机动力装置技术特点研究及发展趋势展望J.交通节能与环保，2 0 2 0(2):2 6-2 8;46.2伍赛特.斯特林发动机技术特点及应用研究.能源与环境，2021(1):57-58;65.3伍赛特.船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究J.机电信息,2 0 19(15)：159-16 0.4伍赛特.舰船联合动力装置技术特点研究及未来趋势展望J.传动技术,2 0 2 1,35(2):40-48.5伍赛特.核动力舰船发展前景展望J.节能，2 0 19,38(3)：117-12 0.6陆威斋.现代船用柴油机特性曲线的研讨J.柴油机，2 0 0 5（4)：15-20.7潘金宽.我国早期的气垫船研制J.中国军转民，2 0 19(1)：54-59.8潘金宽.在探索中前进：我国气垫船的发展J.兵器知识，2 0 19(7):17-21.9潘金宽.国外气垫船的发展现状J.中国军转民，2 0 19(2)：7 9-8 4.10潘金宽.气垫船在未来海战中的应用J.现代军事，2 0 0 1（10)：32-33.11潘金宽.气垫战舰发展的四大趋势J.当代海军,2 0 0 1(9)：2 9-30.(编辑:郭萍茹)HovercraftWu Saite(SAIC Motor,Shanghai 200438,China)