吊舱驱动器的实力

　　Lateral船舶工程设计公司的高级船舶设计师Ollie Cooper与Matt Venner正就传统轴系的命运展开一场智慧的交锋。因为不断发展的电动推进系统提供了一种极具吸引力的替代方案，这与游艇行业朝着更优化、更舒适和更易操控的方向发展相契合。

　　在不断发展的超级游艇设计领域，一场悄然的变革正在水线以下酝酿。电动方位角推进装置——业内俗称吊舱推进器（PODs）——正在挑战传统轴带驱动系统的主导地位。这种创新的推进装置在邮轮领域已应用数十年，如今在游艇设计中也获得了显著的发展势头，凭借其卓越的机动性、优化的空间利用及潜在的能效优势，正以与行业可持续发展趋势高度契合的姿态，在游艇设计领域掀起应用热潮。

　　然而，这些令人振奋的说法，是否真如我们所愿那般坚不可摧？对于超级游艇设计的未来而言，这究竟意味着怎样的变革与机遇？我们深入探究了这项技术的每一个细微之处，从性能指标到结构考量，无一不经过严格的审视与考量，并最终凝结成了一篇技术论文。研究结果揭示了一个权衡利弊与机遇并存的复杂图景，每一位游艇所有者和业内专业人士都应予以了解。

　　从本质上讲，吊舱推进器代表了对船舶推进系统的一次根本性重新构想。与传统的轴系系统不同，这些装置可以360度旋转，将推进和转向功能集于一体。它们有多种配置，从紧凑的0.2兆瓦装置到强大的7.0兆瓦系统及以上，每种配置都适合特定船舶的需求。

　　这些装置背后的技术主要分为两大类。第一类采用机械齿轮驱动螺旋桨，电动机安装在上方，呈Z型驱动（电机水平排列）或L型驱动（电机垂直排列）的配置。第二类则是一种更集成的方法，将电动机直接置于推进模块内。

　　螺旋桨的配置也多种多样。直接安装的电机通常采用定距螺旋桨，而机械系统则可以使用可调距螺旋桨以提高效率。有些装置甚至采用对转螺旋桨，即后螺旋桨与前螺旋桨产生的旋流相互配合，从而最大限度地提高功率密度并减少损耗。

　　图2：速度与长度的关系，柴油机械传动带轴系与柴油电动传动带吊舱式推进器的对比。

　　或许最紧迫的问题在于吊舱推进器（POD）与传统轴系在性能方面如何比较，我们的研究揭示了一些有趣的权衡。根据我们的大型游艇统计数据数据库，并结合近期新船建造数据和经验，图2显示，配备吊舱推进器的游艇通常比同等的轴系驱动游艇的最大航速慢约两节。

　　尽管我们并非吊舱推进器的设计者，但我们推测其速度较慢是由于螺旋桨盘面上的功率密度降低所致，这可能受到诸如支柱结构强度要求、螺旋桨毂尺寸增大以及更高转速运行等因素的影响。然而，也必须考虑到整个船队中，超级游艇通常以较慢的速度航行，因为这样能带来相关的环境效益，所以吊舱推进器的速度限制在现代行业中未必是个问题。

　　不过，速度影响并非全部。在比较吊舱推进器和轴系船舶的阻力和效率时，多个因素都会起作用。一项针对一艘88米游艇的研究表明，吊舱推进器驱动的船舶在最高速度时的附体阻力可减少多达8%，这得益于消除了轴支架和方向舵。若仅凭阻力优势就断言POD技术完胜，这样的结论是否过于理想化？

　　当考虑整个推进链时，效率的概念变得更加复杂。虽然某些吊舱推进器配置在最高速度下的输出功率需求比传统轴系低14%至高6%，但一旦将所有传动和电气损耗都考虑在内，吊舱推进器系统在动力源处的最终制动功率需求通常会比传统轴系高0至17%。这种差异表明，效率的问题可以从多个角度进行讨论，并得出不同的结论。在我们研究的示例中，得出的结论是电动吊舱推进器的功率需求高于机械轴系解决方案。

　　然而，在电力供应方面，电动能源架构确实提供了巨大的机会。因此，尽管电力需求可能更高，但电力供应在效率或可持续性方面有许多提升空间。这些包括电池、替代燃料、混合动力以及针对特定游艇运营特点优化的电力多样化。

　　将吊舱推进器融入超级游艇设计需要从根本上重新思考船体设计原则。水下剖面必须平衡多种相互竞争的因素，从阻力和耐波性表现到效率和舒适度。有五个关键领域需要特别关注：

　　首先，吃水深度的考量变得至关重要。吊舱式推进器较低的功率密度意味着随着功率需求的增加，更大的装置往往需要更深的吃水，从而形成一个可能影响船舶规格的设计循环。当操作要求限制吃水深度时，设计师可能需要在合同速度方面做出妥协。

　　其次，尾板设计变得愈发重要。吊舱式推进器更倾向于采用U形截面（图4中的A布局），其纵倾角较小且外舷呈弧形，而弯曲或圆形截面可能会使安装变得复杂，并且可能需要倾斜，从而减少内部空间（B布局）。整流罩有助于适应过度倾斜，但通常会增加1%至2%的阻力（C布局）。

　　在较平坦的水下部分形状上安装吊舱推进器也较为简单，但关键是要避免过浅的平坦部分，以尽量减少船尾砰击。加大船尾板的深度可以降低砰击风险，但可能会增加阻力，必须找到一个恰当的平衡。

　　第三，吊舱推进器的横向定位需要仔细斟酌，以确保在船宽水线范围内实现全方位旋转。这种定位必须在机动性与诸如是否应讨论吊舱室之间通往船尾的通道等实际问题之间取得平衡。

　　第四，纵向定位会影响整个船尾的设计。吊舱推进器需要专门的技术空间，并且要有足够的维修净空，这往往会使推进器在船体中更靠前。这会影响船体的纵剖线设计，并可能影响船舶的整体平衡。

　　最后，重量分布也带来了自身的挑战。采用吊舱推进器的柴电力推进系统通常会使空船排水量增加，与传统的柴油机械推进系统相比，这需要仔细考虑对整体重量分布和船体设计的影响。

　　吊舱推进器真正大放异彩的一个领域在于噪声和振动控制。通过将推力负荷集中在船体的后端，吊舱推进器显著减少了通过船体的振动传递。

　　而对于传统的轴系推进装置，由于机械配置的原因，与推进相关的干扰可能会加剧。

　　吊舱推进器凭借其可调节的撑杆长度，在设计阶段就能优化螺旋桨叶尖与船体之间的间隙，再加上其较低的功率密度，能够减少对船体的压力脉冲。再加上消除了轴系对中问题以及与磨损相关的振动，这些因素共同作用，能够显著提升船上的安静度和舒适度。

　　或许吊舱推进系统最引人注目的优势在于其出色的机动性。在航行中，全面测试表明，与传统的轴舵系统相比，吊舱推进器可将转向圆直径缩小多达38%。在港口进行近距离低速操作时，其改进的动态定位和定位保持能力更是胜过轴推进船舶，吊舱推进系统能够在比传统装置高30%的风速下保持位置。

　　采用吊舱推进装置，尤其是与柴电混合动力系统结合使用，为超级游艇的设计开辟了新的可能性。摆脱了传统轴系的布局限制，设计师在机舱布置方面获得了更大的灵活性，并且能够更合理地分配动力源。

　　然而，和所有变革一样，这种自由也伴随着自身的限制。吊舱需要在转向模块上方有专用的“吊舱室”，这可能会影响沙滩俱乐部区域和船尾通道——这些是船东享受游艇的关键位置。

　　我们解决这一问题的办法是在不影响总体布置的情况下整合吊舱推进器，这就是我们所说的“无舱壁限制”概念。通过增加船舶的干舷高度，包括吊舱室在内的所有技术空间都可以设在下层甲板以下，同时在上层甲板为乘客提供全船长的体验。

　　尽管传统的轴系推进方式在超级游艇设计中仍占主导地位，但随着行业对采用电动架构的关注度日益提高，吊舱推进器系统正成为越来越有吸引力的选择。其在机动性、舒适性和设计灵活性方面的优势往往超过了其在最高速度方面的局限性。

　　成功实施吊舱推进系统的关键在于设计阶段的早期考虑，以便所有系统能够实现最佳整合。随着技术的不断进步和电气效率的提高，我们可以期待看到吊舱系统在未来的超级游艇设计中发挥越来越重要的作用。

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　　对于考虑采用吊舱推进系统的船东和设计师而言，最终的决定取决于具体项目的要求和优先事项，其中速度是关键因素。尽管在短期内它们可能无法完全取代传统的轴系，但吊舱推进系统代表了一种极具吸引力的替代方案，与游艇行业朝着更优化、更舒适和更灵活的方向发展的趋势十分契合。

　　这项由Lateral公司专家团队引领的研究，不仅印证了吊舱推进技术在机动性和舒适性方面的突破性优势，更揭示了其在能效优化方面存在的非线性特征——在特定航速区间方显节能本质，这对未来游艇动力系统的智能化控制提出了新的课题。