舰船推进器作为舰船最重要的部件之一，它的性能好坏直接影响着整个舰船的性能。为此，如何制造出简单、可靠、高效，且振动小、安静型、占用空间小的推进器，一直是广大工程师们追求的目标。自2005年美国海军在Tango Bravo计划提出潜艇的“无轴推进方案”后，像是给舰船推进器的研究打开了新的世界。那么舰船推进器无轴化的优越性到底在哪里呢？笔者今天就从基础原理讲起，深入浅出的来探讨一下。

船舶螺旋桨

舰船推进器无轴化的优越性在哪里？

所谓舰船推进器无轴化的优越性，本质上就是对于有轴推进器所存在问题的的消除和改进，所以我们要找到舰船推进器无轴化的优越性在哪里？还是要从推进器轴系自身所存在的问题出发。

船舶轴系

轴系的振动问题

轴系自身的振动问题，是轴系最主要的危害，因为它会造成轴系部件（例如尾管、推力轴承等）的损坏；同时轴系的振动有可能造成船体局部振动，破环船体结构安全，影响船舶舒适性；最后，轴系的振动还会激发噪音，对于民用船舶来说同样会影响舒适性，对于军用舰艇（包括潜艇）来说，还会破坏其隐身性能。既然轴系的振动危害那么大，那么它是从何而来的呢？

船舶轴系

轴系振动的由来：

舰船的推进轴系是一个弹性系统，当这个弹性系统在实际运转中，受到各种冲击和周期激振力，以及自身扰度的影响，会产生振动。一般来说，舰船推进轴系的振动形式有扭转振动、纵向振动和回旋振动。

推进系统的多自由度振动系统

扭转振动是由主机输出扭矩的不均匀性以及螺旋桨负荷扭矩的不均匀性，使推进轴系在周期性交变力矩作用下运转，当交变力矩的频率和推进轴系的扭振固有频率相同时，将产生共振现象。在这种共振情况下，整个轴系的多个轴段将发生来回摆动的强迫振动现象。

纵向振动是轴系在螺旋桨的交变推力以及主机运动件产生的等效轴向激振力等作用下，激起轴系纵向来回振动。当扭转振动频率和纵向振动频率相同或相近时，还会产生扭振和纵振的耦合振动。

回旋振动实质上是轴系的进动，即轴系一方面以某一角速度绕其自身的几何中心线旋转，同时弯曲的几何中心线又以某一角速度绕支撑中心线旋转。前一种旋转相当于自转，后一种旋转相当于公转。公转角速度又称为进动角速度或回旋角速度。

中置机舱的船舶的轴系较长，振动的问题更加严重

对轴系振动问题的改进措施：

事实上，现在人们对轴系的振动及减振技术的研究已取得了不错的成果。我们可以通过合理的计算来避开振动的强区间；以及通过设置相关装置（例如弹性联轴器）来减小振动；当然还可以采用输出扭矩更均匀的电动机和汽轮机等来取代往复热机（柴油机），消除主机带来的激振力等。总之，对于轴系振动问题的改进措施，都是建立在消除振动危害的基础上。

弹性联轴器

无轴化是对轴系振动问题最大的改进：

固然，通过恰当的措施能大大减小轴系振动的危害，但还是无法从根本上消除振动的影响，因为这是轴系本身的缺陷。因此，对于舒适度和安静性要求不高的船舶来说，振动问题只要能降到了合理程度即可；但对于舒适度和静音性要求极高的高端游艇、豪华客轮、军舰等就远远不够了。在这其中尤其是潜艇，因为噪声对于潜艇来说是致命的。为此，如果能开发出无轴的推进器，则能从根本上解决振动的问题。

采用无轴推进器的游艇

轴系对舰船空间影响的问题

轴系除了存在振动的问题，其对于舰船空间的影响也是个不容小视的问题。这个问题在长轴系的船舶中尤为突出。例如，军用舰艇一般采用中置或者中后置机舱，这样传动轴就势必要横穿整个后部的船舶空间，才能把主机的扭矩传递给尾部的螺旋桨。传动轴要横穿船舶后部空间，势必会对船舶后部舱室，以及轴系的布置带来一些困难；同时对于船舶自身和轴系运转的安全也会带来不小的影响。一般这类船舶都会设置专门的轴隧、轴弄来放置轴系，这样就要占据舰船大量的宝贵空间。所以如果能开发出无轴的推进器，除了能大大节约舰船的宝贵空间，还能优化船舶舱室的布置，解除对推进器自身布置的束缚。

大型集装箱船的轴隧

关于无轴推进器的拓展

因为推进器无轴化所带来的优越性，尤其是在军用领域的应用价值，所以各国都在争相研究无轴推进器。事实上，关于无轴推进器的研究思路有很多种，例如，气体喷射发动机、齿轮传动、容积泵喷射等等，但是其中最为成功的，当属基于轮缘驱动技术的轮缘驱动推进器（Rim-Driven Thruster ）。轮缘驱动技术也是美国未来无轴泵喷潜艇的关键技术。

轮缘驱动推进器的系统结构

什么是轮缘驱动推进器？

轮缘驱动推进器（又译：环驱式推进器）最初是作为游艇和客船等高舒适度要求的船舶而开发的新型推进器，其目的是通过降低噪音和振动来提高乘客的舒适度。结果它是基于永磁同步电机技术，定子直接固定在环形导管中，并容纳电动机的绕组。磁铁容纳在转子中，叶片安装在转子的内圈上，具有固定的螺距， 转子通过水润滑轴承系统支撑在定子内。这样就省去轴和齿轮箱，消除其不利的影响，同时又减轻了重量和节约了空间，最终形成了一个电动机驱动的轮边驱动螺旋桨。因为叶片采用了高阻尼材料，以及运转不受传动轴和齿轮箱的干扰，而且螺旋桨叶尖和隧道船体之间又没有间隙，因此，它是振动强度和噪音水平最小的推进器。

轮缘驱动推进器常被误当做潜艇的无轴泵喷推进器

作者：小船人的梦想 2019年3月21号