沒有推進器　我們哪裡都去不了！

【李重德／專欄報導2022/03/14】　本會(高雄市中小企業協會)將在3/16走訪屏東農科園區，並在參訪廠商時分成兩組，其中A組的7個人由重德帶隊參訪生產傳統螺旋槳的「翰德精密工業公司」，而B組的9個人將參訪「聯發生物科技公司」。

為何重德要去參觀生產傳統螺旋槳的「翰德精密工業公司」呢？這是因為未來重德將有許多大小不一的自行建造的船隻需要使用大量的螺旋槳與泵推(噴水推進器)，因此就先去踩底探個究竟。

既然有六個會友要跟隨重德前去參訪「翰德精密工業公司」，而且重德認為也必須讓「翰德精密工業公司」了解拜訪的企圖，於是就寫了本文，來加以說明情況：

為何「泵推」系統會出現？

日常船舶在海洋行駛中，我們會看到很多都使用四葉螺旋槳作為推進器，也就是螺旋槳上有4片葉片，它可以有效的推動著船進行移動。

如果我們只考慮商業價值，而不考慮軍事用途，則傳統的螺旋槳將足夠滿足我們驅動一艘船艦在海上的航行所需。但是如果考慮到噪音、速度等因素，則許多負有軍事任務的各國船艦就不能不改用其他的驅動方式了。

這就是為何在船艦的驅動方式中出現了傳統的螺旋槳系統、「有軸泵噴泵推」系統，以及「無軸泵噴泵推」系統這三種。

其中，傳統的螺旋槳系統之螺旋槳推進器主要依據船艦的大小與使用目的又分為“雙軸推進小直徑螺旋槳”；“單軸推進的大直徑五葉螺旋槳”；“導管螺旋槳”；“共軸對轉螺旋槳”；“大側斜七葉螺旋槳”等。

而後為了降低推進時的噪聲和振動，以及為了讓船艦吃水淺、淺水效應小、傳動機構簡單、附屬檔案阻力小、保護性能好。以及讓船艦具有卓越的高速機動性，在迴轉時噴水推進裝置產生的側向力可使迴轉半徑減小。因而發明了「泵推」系統，也就是噴水推進系統。

「泵推」系統推進器在各種環境下都只産生低聲音信號—大約是比相同的螺旋推進器低10—15分貝，在加速和制動性能方面具有和變距螺旋槳相同的性能，日常保養及維護較為容易。

艦船航速較低時（低於20kn時），「泵推」系統推進的效率比螺旋槳要低一些。這是由於增加了管路中水的重量，導致航行器的排水量增大（通常占全船排水量的5%左右），效率有所降低。進水口損失的功率約占主機總功率的7%~9%。

但是在高速時，「泵推」系統的效率將大幅提升，實際總效率=推進泵效率×推進系統效率×水泵軸連線的效率。目前世界著名的「泵推」系統生產廠家主要有瑞典的Kamewa公司、紐西蘭的Hamilton公司、荷蘭的Lips Jet、 日本的川崎公司和三菱重工公司、雙環公司等。

各國潛艇採用哪一種推進系統？

由於潛艇是高度軍事化的船艦，必須隱匿行動，因此它的隱身主要依賴甚低的前進噪音以及艇身的隔音效果，而推進方式就是船艦噪音的主要來源，因此而發展出兩種主要的潛艇推進系統，就是使用“螺旋槳推進系統”與使用“泵推進系統”。

使用螺旋槳作為推進器的潛艇有：基洛級，039系列，094系列，洛杉磯級，阿庫拉；使用泵推進器的潛艇有：海狼，維吉尼亞，機敏，北風之神，凱旋，前衛。

其中使用“螺旋槳推進系統”的潛艇大多採用“七葉大側斜螺旋槳”，這是因為其較不容易產生空泡，又能儘可能提升速度和效率。

美國「維吉尼亞」級核潛艇外綑綁二無軸泵推作為輔助推進裝置

而在使用“泵推進系統”的潛艇中有大多採用「有軸泵噴泵推」方式，這是使用漸擴時導流管來減少空泡的產生以及提升推進效率，但是仍然會有傳動軸以及動力艙的機械噪音。因此最近美國也在「維吉尼亞」級核潛艇，採用「無軸泵噴泵推」作為輔助推進裝置，但是中共卻在新建的4000噸級核潛艇上使用「有軸泵噴泵推」作為主推進器，領先世界各國。

如何減少船艦推進時產生的噪音？

我們知道螺旋槳在高速旋轉時，加速葉片上的水，水流速越快壓力越小，就會產生了大量的泡泡，這些泡泡的學名叫做“空泡”。這些“空泡”在海水的壓力下會迅速破裂，破裂會產生強烈的衝擊波，會產生大量的噪音，從而會暴露潛艇位置。

為了減少“空泡”的產生，降低潛艇噪音，並且還要有更高的推進效率，於是就產生了低速“多葉大傾角螺旋槳”的設計。

目前被大部分潛艇使用的就是“大側斜七葉螺旋槳”，這種螺旋槳的槳葉有較大的傾角，一般都要大於25°，而普通的螺旋槳的側斜角在10°左右。“大側斜七葉螺旋槳”只有在較高的速度時才會有明顯的“空泡”產生，從而提升了潛艇的靜音性能。

「泵推」相比於“七葉大側斜螺旋槳”，在低速情況下低頻線譜噪聲要小15分貝以上，寬帶譜總噪聲則可以下降10分貝以上。如果是在高速情況下，靜音效果更加明顯！

「有軸泵噴泵推」系統可以顯著降低螺旋槳帶來的噪音，因為轉子和定子都被環形導管包圍著，轉子旋轉產生的噪音就可以被導環吸收掉，從而減弱潛艇的噪音。另外泵推進器的效率也比螺旋槳的高，因為泵推進器的轉子外邊有環形導管，從轉子葉稍流出的海水不會擴散到外界，從而減少了能量的損失，提高了推進效率。

美國「維吉尼亞」號潛艇主推進器就是「有軸泵噴泵推」系統

「無軸泵噴泵推」系統因何而生？

「無軸泵噴泵推」裝置靠外置的電機帶動邊上的環體轉動，而槳葉則安裝在環體上隨之轉動產生推力，而中間則是空的！沒了驅動軸的「無軸泵推」產生的噪音大幅度減小，「無軸泵噴泵推」相比「有軸泵噴泵推」噪音可以減少約十分之一！

「無軸泵噴泵推」除了省去驅動軸之外，隨之減少還有機械傳動部分和內部發動機，將電機外置後可以節約很一部分潛艇內部空間，其動力來源只需要源源不斷的電力即可！

但是「無軸泵噴泵推」是需要有良好的水密與潤滑，否則還是會造成較大的機械噪音的。

儘管「無軸泵噴泵推」的推進效率與「有軸泵泵噴推」或是傳統螺旋槳相比是降低的，照說無法承擔大型核潛艇的主推進裝置，但是未來重德 的許多潛水載具還是會採用「無軸泵噴泵推」，這一方面是因為這一些潛水載具只使用單一動力能源──電力，因為 重德 的各型船艦動力來源主要是“海溫差發電系統”以及“換電式儲電系統”，因此可以直接運用於「無軸泵噴泵推」，而且它在各種水域航行時的適航利基比起「有軸泵噴泵推」更好，維護也較簡單。而且造價也可能會更低，因此有更好的性價比。

「無軸泵噴泵推」的優勢是減掉了潛艇的兩大噪音源，一個是螺旋槳翼尖空泡噪音，另一個就是驅動軸傳動噪音。「有軸泵噴泵推」只能消除螺旋槳翼尖空泡噪音，而無法進一步消除驅動軸傳動噪音。

除了減少噪音的優勢之外，「無軸泵噴泵推」的基本設計理念就是模組化的概念，因此它可以有各種大小也可以被裝置需要動力的任何船艦的吃水線以下的任何部位，因此它很適合在 重德 擬研發的“水下機器人”作為主體與活動體的驅動系統。

因為這是模組化系統，所以它可以在特定需求發生時用簡單的模式而“被追加”，這是 重德 所堅持的一個重點，也就是 重德 的所有陸上的、海上的、天空的載具都必須在戰時支援軍事上的需求。

重德認為「無軸泵噴泵推」還有一個優勢，那就是它可以裝置在船艇外的任何位置，並請利用調整泵推方向而獲得更種方向(前進、後退、側移)的驅動，而「有軸泵噴泵推」只能調整其矢量噴嘴的方向來調整驅動方向。

例如以下的兩圖，上圖是「有軸泵噴泵推」在前進時的矢量噴嘴方向，下圖則是在後退時的矢量噴嘴方向。這樣的調整方向的方式使有限度的，而其矢量噴嘴將成為維護方面的死角，也會造成許多貝類與蘚苔附著其上。

下圖的這艘中共正在建造的4000噸級核潛艇，就是採用「無軸泵噴泵推」，大家請注意它的尾部是單一固定式的「無軸泵噴泵推」，因此它需要許多的垂直尾舵來調整方向，但是 重德 要問怎麼原地迴轉？

中共這一艘潛艇的動力系統就是採用有「電磁彈射之父」的中國工程院院士、海軍工程大學電力電子研究所所長馬偉明的設計。這是他繼研製出世界上第一台交直流發電機系統，又研發出航空母艦的電磁彈射系統，並研發出電磁炮、鐳射武器的中壓直流綜合電力系統之後的最新傑作──「無軸泵噴泵推」。

終極推進器──「磁流推進器」！

「磁流推進器」是以洛倫茲力定律研製的，其應用就是在艦艇上安裝電磁鐵，通電後電磁鐵所處的海水中會有磁場線通過，與此同時產生與磁力垂直的電流，之後在磁場與電流的相互作用下，船舶與海水產生大小相等反向相反的作用力，從而推動艦艇前進！

「磁流推進器」全程沒有機械振動和葉片轉動，理論上不會產生噪音，對於潛艇來說就真的隱身於海洋之中了！