艦船推進器作為艦船最重要的部件之一，它的性能好壞直接影響著整個艦船的性能。為此，如何製造出簡單、可靠、高效，且振動小、安靜型、佔用空間小的推進器，一直是廣大工程師們追求的目標。自2005年美國海軍在Tango Bravo計劃提出潛艇的“無軸推進方案”後，像是給艦船推進器的研究打開了新的世界。那麼艦船推進器無軸化的優越性到底在哪裡呢？筆者今天就從基礎原理講起，深入淺出的來探討一下。

船舶螺旋槳

艦船推進器無軸化的優越性在哪裡？

所謂艦船推進器無軸化的優越性，本質上就是對於有軸推進器所存在問題的的消除和改進，所以我們要找到艦船推進器無軸化的優越性在哪裡？還是要從推進器軸系自身所存在的問題出發。

船舶軸系

軸系的振動問題

軸系自身的振動問題，是軸系最主要的危害，因為它會造成軸系部件（例如尾管、推力軸承等）的損壞；同時軸系的振動有可能造成船體局部振動，破環船體結構安全，影響船舶舒適性；最後，軸系的振動還會激發噪音，對於民用船舶來說同樣會影響舒適性，對於軍用艦艇（包括潛艇）來說，還會破壞其隱身性能。既然軸系的振動危害那麼大，那麼它是從何而來的呢？

船舶軸系

軸系振動的由來：

艦船的推進軸系是一個彈性系統，當這個彈性系統在實際運轉中，受到各種衝擊和週期激振力，以及自身擾度的影響，會產生振動。一般來說，艦船推進軸系的振動形式有扭轉振動、縱向振動和迴旋振動。

推進系統的多自由度振動系統

扭轉振動是由主機輸出扭矩的不均勻性以及螺旋槳負荷扭矩的不均勻性，使推進軸系在週期性交變力矩作用下運轉，當交變力矩的頻率和推進軸系的扭振固有頻率相同時，將產生共振現象。在這種共振情況下，整個軸系的多個軸段將發生來回擺動的強迫振動現象。

縱向振動是軸系在螺旋槳的交變推力以及主機運動件產生的等效軸向激振力等作用下，激起軸系縱向來回振動。當扭轉振動頻率和縱向振動頻率相同或相近時，還會產生扭振和縱振的耦合振動。

迴旋振動實質上是軸系的進動，即軸系一方面以某一角速度繞其自身的幾何中心線旋轉，同時彎曲的幾何中心線又以某一角速度繞支撐中心線旋轉。前一種旋轉相當於自轉，後一種旋轉相當於公轉。公轉角速度又稱為進動角速度或迴旋角速度。

中置機艙的船舶的軸系較長，振動的問題更加嚴重

對軸系振動問題的改進措施：

事實上，現在人們對軸系的振動及減振技術的研究已取得了不錯的成果。我們可以通過合理的計算來避開振動的強區間；以及通過設置相關裝置（例如彈性聯軸器）來減小振動；當然還可以採用輸出扭矩更均勻的電動機和汽輪機等來取代往復熱機（柴油機），消除主機帶來的激振力等。總之，對於軸系振動問題的改進措施，都是建立在消除振動危害的基礎上。

彈性聯軸器

無軸化是對軸系振動問題最大的改進：

固然，通過恰當的措施能大大減小軸系振動的危害，但還是無法從根本上消除振動的影響，因為這是軸系本身的缺陷。因此，對於舒適度和安靜性要求不高的船舶來說，振動問題只要能降到了合理程度即可；但對於舒適度和靜音性要求極高的高端遊艇、豪華客輪、軍艦等就遠遠不夠了。在這其中尤其是潛艇，因為噪聲對於潛艇來說是致命的。為此，如果能開發出無軸的推進器，則能從根本上解決振動的問題。

採用無軸推進器的遊艇

軸系對艦船空間影響的問題

軸系除了存在振動的問題，其對於艦船空間的影響也是個不容小視的問題。這個問題在長軸系的船舶中尤為突出。例如，軍用艦艇一般採用中置或者中後置機艙，這樣傳動軸就勢必要橫穿整個後部的船舶空間，才能把主機的扭矩傳遞給尾部的螺旋槳。傳動軸要橫穿船舶後部空間，勢必會對船舶後部艙室，以及軸系的佈置帶來一些困難；同時對於船舶自身和軸系運轉的安全也會帶來不小的影響。一般這類船舶都會設置專門的軸隧、軸弄來放置軸系，這樣就要佔據艦船大量的寶貴空間。所以如果能開發出無軸的推進器，除了能大大節約艦船的寶貴空間，還能優化船舶艙室的佈置，解除對推進器自身佈置的束縛。

大型集裝箱船的軸隧

關於無軸推進器的拓展

因為推進器無軸化所帶來的優越性，尤其是在軍用領域的應用價值，所以各國都在爭相研究無軸推進器。事實上，關於無軸推進器的研究思路有很多種，例如，氣體噴射發動機、齒輪傳動、容積泵噴射等等，但是其中最為成功的，當屬基於輪緣驅動技術的輪緣驅動推進器（Rim-Driven Thruster ）。輪緣驅動技術也是美國未來無軸泵噴潛艇的關鍵技術。

輪緣驅動推進器的系統結構

什麼是輪緣驅動推進器？

輪緣驅動推進器（又譯：環驅式推進器）最初是作為遊艇和客船等高舒適度要求的船舶而開發的新型推進器，其目的是通過降低噪音和振動來提高乘客的舒適度。結果它是基於永磁同步電機技術，定子直接固定在環形導管中，並容納電動機的繞組。磁鐵容納在轉子中，葉片安裝在轉子的內圈上，具有固定的螺距， 轉子通過水潤滑軸承系統支撐在定子內。這樣就省去軸和齒輪箱，消除其不利的影響，同時又減輕了重量和節約了空間，最終形成了一個電動機驅動的輪邊驅動螺旋槳。因為葉片採用了高阻尼材料，以及運轉不受傳動軸和齒輪箱的干擾，而且螺旋槳葉尖和隧道船體之間又沒有間隙，因此，它是振動強度和噪音水平最小的推進器。

輪緣驅動推進器常被誤當做潛艇的無軸泵噴推進器

作者：小船人的夢想 2019年3月21號