吊艙推進(jìn)與傳統(tǒng)推進(jìn)船舶操縱性能對(duì)比分析

劉洪梅，許文兵，陳 雄，肖 龍，鐘文軍，韓 陽(yáng)

（1中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2中國(guó)海洋石油總公司，北京 100010；3海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

吊艙推進(jìn)與傳統(tǒng)推進(jìn)船舶操縱性能對(duì)比分析

劉洪梅1，許文兵2，陳 雄1，肖 龍3，鐘文軍3，韓 陽(yáng)1

（1中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082；2中國(guó)海洋石油總公司，北京 100010；3海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

吊艙推進(jìn)器因具有提高船舶推進(jìn)效率及操縱靈活等特點(diǎn)而越來(lái)越受到人們的重視。為深入研究吊艙推進(jìn)船舶的操縱性能，文章對(duì)某深水鋪管起重船進(jìn)行了吊艙推進(jìn)操縱和舵操縱兩種方式下的操縱性模型對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，吊艙推進(jìn)操縱船舶的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能及應(yīng)舵性能要大大優(yōu)于舵操縱船舶，而糾向和保持航向能力兩者相當(dāng)；同時(shí)，文中對(duì)吊艙推進(jìn)船舶的操縱性能進(jìn)行了分析，可為實(shí)船操作提供一定的參考。

吊艙船舶；操縱性能；對(duì)比分析

1 引 言

吊艙式推進(jìn)器（POD推進(jìn)器）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，是目前船舶推進(jìn)系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域引人矚目的焦點(diǎn)。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)方式相比，吊艙推進(jìn)器在船舶設(shè)計(jì)、性能、制造及維護(hù)等方面有諸多優(yōu)點(diǎn)。就船舶航行性能而言，由于整個(gè)POD推進(jìn)器可由旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)控制實(shí)現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，省去了舵及側(cè)推器等裝置，可全功率倒車，應(yīng)急倒車反應(yīng)快，可大幅度提高船舶操縱和緊急制動(dòng)的能力；POD推進(jìn)器的應(yīng)用可使船尾型線得以改善，提升船尾流場(chǎng)品質(zhì)，使得推進(jìn)器在比較理想的伴流中工作，可充分改進(jìn)船體流體性能，提高水動(dòng)力性能；POD的螺旋槳比常規(guī)螺旋槳小，產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的臨界速度高，螺旋槳誘導(dǎo)的船尾振動(dòng)及輻射噪聲性能改善；POD推進(jìn)器可以在船體靈活布置，以獲取最佳的推進(jìn)性能[1]。

關(guān)于吊艙推進(jìn)船舶的操縱性能，目前仍是研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)此課題也相繼進(jìn)行了試驗(yàn)及理論計(jì)算研究，如Grygorowicz[2]等在循環(huán)水槽中對(duì)拖式與推式POD推進(jìn)器的操縱水動(dòng)力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，Toxopeus[3]研究了高速吊艙船舶的操縱性能；在國(guó)內(nèi)，海軍裝備研究院與上海交通大學(xué)較早開(kāi)展了POD推進(jìn)器水動(dòng)力性能的理論計(jì)算及試驗(yàn)研究[4]，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心已形成POD推進(jìn)器水動(dòng)力性能的理論計(jì)算方法，并已在1989年開(kāi)展了對(duì)吊艙推進(jìn)船舶操縱性能模型試驗(yàn)[5]。

盡管陸續(xù)有一些文獻(xiàn)發(fā)表，相對(duì)而言，吊艙推進(jìn)還是一種非常新的技術(shù)，特別是在操縱性能上，國(guó)內(nèi)外還未形成統(tǒng)一的研究結(jié)論及標(biāo)準(zhǔn)，本文通過(guò)吊艙推進(jìn)及傳統(tǒng)推進(jìn)船舶的操縱性模型試驗(yàn)[6]，對(duì)兩種推進(jìn)方式下的操縱性能進(jìn)行對(duì)比分析，以更直觀地對(duì)吊艙推進(jìn)船舶的操縱性能進(jìn)行評(píng)估。

2 試驗(yàn)對(duì)象及方案

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

為進(jìn)行吊艙推進(jìn)船舶與傳統(tǒng)推進(jìn)船舶操縱性能的對(duì)比分析，本節(jié)選取某深水鋪管起重船為研究對(duì)象，該船為帶有呆木的雙吊艙推進(jìn)船舶，進(jìn)行傳統(tǒng)推進(jìn)船舶操縱性試驗(yàn)時(shí)，在該船模尾部加裝舵，吊艙推進(jìn)器只作為推進(jìn)系統(tǒng)。表1列出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠嘘P(guān)參數(shù)。

表1 船模主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of ship model

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要進(jìn)行了該船回轉(zhuǎn)性能、使用穩(wěn)定性能、應(yīng)舵性能的對(duì)比分析，在進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)之前，對(duì)兩種推進(jìn)操縱方式下的船模進(jìn)行了重心位置及慣量的調(diào)試，以保證與實(shí)船的相似，并進(jìn)行了舵槳偏轉(zhuǎn)速率和轉(zhuǎn)舵速率的調(diào)試。表2列出了該船在吊艙推進(jìn)操縱和傳統(tǒng)推進(jìn)舵操縱兩種方式下的的操縱性試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容Tab.2 Test cases and content

3 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

表3給出了該深水鋪管起重船在吊艙推進(jìn)操縱和傳統(tǒng)推進(jìn)舵操縱兩種方式下的試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)應(yīng)的IMO操縱性標(biāo)準(zhǔn)，圖1～4為兩種操縱方式下操縱性試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線圖。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of tests

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)該深水鋪管起重船吊艙推進(jìn)操縱及舵操縱兩種方式下的操縱性模型試驗(yàn)可以看出，吊艙推進(jìn)操縱船舶的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能要大大優(yōu)于舵操縱船舶，且吊艙推進(jìn)操縱船舶的應(yīng)舵性能（即船舶對(duì)操舵或是吊艙偏轉(zhuǎn)的反應(yīng)快慢程度）也要大大優(yōu)于舵操縱船舶，而兩種操縱方式的糾向能力及保持航向能力相當(dāng)。

無(wú)論是吊艙推進(jìn)操縱還是舵操縱船舶，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑、戰(zhàn)術(shù)直徑、最大縱距和橫距均隨著舵槳偏轉(zhuǎn)角或舵角的增大而減小，在吊艙推進(jìn)操縱中較大的舵槳偏轉(zhuǎn)角下，其變化趨勢(shì)趨于平緩。相同舵角或偏轉(zhuǎn)角度下，其吊艙推進(jìn)操縱船舶的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑及戰(zhàn)術(shù)直徑約小于舵操縱船舶1～2倍船長(zhǎng)，其最大縱距約小于舵系統(tǒng)的0.7倍船長(zhǎng)，其橫距約小于舵系統(tǒng)船舶0.5～1倍船長(zhǎng)；吊艙推進(jìn)裝置具有全回轉(zhuǎn)的功能，其回轉(zhuǎn)能力大大提高，在70°舵槳偏轉(zhuǎn)角下其船舶基本繞其自身進(jìn)行回轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)船在原地進(jìn)行調(diào)頭等操作，而一般的舵裝置其限位角基本為左右舵35°，若想實(shí)現(xiàn)原地調(diào)頭，需利用側(cè)推等裝置完成。

在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中均存在一定的橫傾角，且為外傾。在吊艙推進(jìn)操縱中，其最大回轉(zhuǎn)橫傾隨著舵槳偏轉(zhuǎn)角度增大而有所增大，變化趨勢(shì)在大的偏轉(zhuǎn)角下趨于平緩，而穩(wěn)定橫傾隨舵槳偏轉(zhuǎn)角度增大而有所減小，在70°偏轉(zhuǎn)角下即船模繞其自身進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)其穩(wěn)定橫傾角基本為0；而普通推進(jìn)船舶在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的最大橫傾和穩(wěn)定橫傾隨舵角增大而增大，而穩(wěn)定橫傾的最大值基本出現(xiàn)在25°舵角。比較兩種推進(jìn)操縱方式下的回轉(zhuǎn)橫傾角發(fā)現(xiàn)，在一般航速下（本船為12kns），吊艙推進(jìn)操縱船舶的最大回轉(zhuǎn)橫傾要略大于舵操縱船舶約0.5°～0.7°，穩(wěn)定回轉(zhuǎn)橫傾兩者相當(dāng)，而在高航速下，吊艙推進(jìn)操縱船舶回轉(zhuǎn)過(guò)程中的最大橫傾將大大提高，因此在吊艙推進(jìn)高速船舶進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)降低船速或減小偏轉(zhuǎn)角度以降低回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的最大橫傾。

與普通推進(jìn)船舶相比較，吊艙推進(jìn)船舶轉(zhuǎn)首力矩是由吊艙推進(jìn)器在偏轉(zhuǎn)一定角度后其推力產(chǎn)生的，與舵力相比，吊艙推進(jìn)器具有更大的量值，圖5給出了該船舶在兩種推進(jìn)操縱方式下的轉(zhuǎn)首力矩計(jì)算值。由圖可知，在偏轉(zhuǎn)角（舵角）小于5°時(shí)，其舵力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩要略大于吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩，在偏轉(zhuǎn)角（舵角）5°～12°時(shí)，兩者產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩相當(dāng)，在偏轉(zhuǎn)角（舵角）大于12°時(shí)，吊艙推進(jìn)器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩將大于舵力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩，且隨偏轉(zhuǎn)角（舵角）的增大其趨勢(shì)更加明顯。其次，由于吊艙推進(jìn)裝置在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中要偏轉(zhuǎn)一定角度，因此在船體縱向方向上的推力部分將有所減少，故穩(wěn)定回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的速度較低，存在較小的速降值，圖6為該船在兩種推進(jìn)操縱方式下進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)其速降比較曲線，由圖可知，隨偏轉(zhuǎn)角的增大，其速度降低程度大大加強(qiáng)。正是由于轉(zhuǎn)首力矩的不同及回轉(zhuǎn)過(guò)程中速度的不同引起了吊艙推進(jìn)船舶在回轉(zhuǎn)過(guò)程中較小的回轉(zhuǎn)直徑，同時(shí)也影響著回轉(zhuǎn)橫傾的大小。

與普通推進(jìn)船舶相比，吊艙推進(jìn)操縱船舶應(yīng)舵性能的優(yōu)勢(shì)更加明顯，其衡量值可用Z形試驗(yàn)中的無(wú)因次初轉(zhuǎn)期來(lái)表示，從試驗(yàn)結(jié)果可知，吊艙推進(jìn)操縱船舶在10°/10°和20°/20°Z形試驗(yàn)中的無(wú)因次初轉(zhuǎn)期均小于傳統(tǒng)推進(jìn)船舶。圖7、圖8給出了該深水鋪管起重船兩種推進(jìn)操縱方式下航向角在10°和20°舵槳偏轉(zhuǎn)角（舵角）下的變化曲線，由圖可知，在一定的偏轉(zhuǎn)角（舵角）下，吊艙推進(jìn)船舶的航向能很快做出反應(yīng)，向相應(yīng)方向偏轉(zhuǎn)，其主要原因?yàn)榈跖撏七M(jìn)偏轉(zhuǎn)角速度很快，實(shí)船上為偏轉(zhuǎn)180°時(shí)所需時(shí)間約15s，而普通舵裝置從左舵35°轉(zhuǎn)到右舵35°所需時(shí)間約30s。

吊艙推進(jìn)操縱船舶的糾向和保持航向能力與舵操縱船舶相當(dāng)。主要體現(xiàn)在Z形操縱試驗(yàn)中的超越角和操舵保向試驗(yàn)中的操舵頻率，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，兩種方式下的試驗(yàn)結(jié)果相差不大，且都能滿足IMO操縱性標(biāo)準(zhǔn)。影響使用穩(wěn)定性能的因素主要包括船體線型尤其是尾部線型、裝載狀態(tài)及操縱系統(tǒng)，在本次對(duì)比試驗(yàn)中，兩種推進(jìn)操縱方式下試驗(yàn)?zāi)Ｐ图爸匦奈恢?、慣量等參數(shù)均相同，因此應(yīng)具有相同的船舶固有穩(wěn)定性，同時(shí)在10°和20°方向角下其吊艙推進(jìn)器和舵力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)首力矩相差不大。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某吊艙推進(jìn)深水鋪管起重船進(jìn)行了回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形試驗(yàn)及操舵保向試驗(yàn)，為進(jìn)一步研究吊艙推進(jìn)船舶與傳統(tǒng)推進(jìn)船舶的操縱性能對(duì)比，對(duì)該船設(shè)計(jì)了一對(duì)舵，增設(shè)在吊艙推進(jìn)器后，并完成了相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)。

本文對(duì)吊艙推進(jìn)船舶和傳統(tǒng)推進(jìn)船舶的操縱性能進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了以下主要結(jié)論：吊艙推進(jìn)操縱船舶的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能、應(yīng)舵性能均優(yōu)于舵操縱船舶，而糾向和保持航向能力與舵操縱船舶能力相當(dāng)；吊艙推進(jìn)船舶在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的最大橫傾角隨偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大，而穩(wěn)定橫傾角隨偏轉(zhuǎn)角度的增大而有所減小，這一點(diǎn)與舵操縱船舶有所不同。

本文的對(duì)比試驗(yàn)研究為吊艙推進(jìn)船舶的操縱性能提供了更加全面、可靠的技術(shù)基礎(chǔ)，為吊艙推進(jìn)船舶的實(shí)船操作提供了一定的參考資料。

[1]馬 聘.吊艙推進(jìn)技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2007:4.

[2]Grygorowicz M,Szantyr J A.Open water experiments with two pod propulsor models[C]//In:Atlar M,Clarke D,Glover E J,et al,eds.Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion.University of Newcastle,UK,2004,2004:357-370.

[3]Toxopeus S,Loeff G.Manoeuvring aspects of fast ships with pods[C]//Proceedings of the 3rd International EuroConference on High-Performance Marine Vehicles HIPER 02.Bergen,2002:392-406.

[4]Ma Cheng,Qian Zhengfang,Yang Chenjun,et al.Research on hydrodynamic computation model of pod propulsion[C]//In:Atlar M,Clarke D,Glover E J,et al,eds.Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion.University of Newcastle,UK,2004,2004:527-547.

[5]甘品章.新型對(duì)江渡輪操縱性試驗(yàn)研究[R].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心技術(shù)報(bào)告,1989.

[6]劉洪梅.深水鋪管起重船航向穩(wěn)定性模型試驗(yàn)[R].無(wú)錫:中國(guó)船舶科學(xué)研究中心技術(shù)報(bào)告,2010.

Maneuvering performance comparison between POD and conventional ships

LIU Hong-mei1,XU Wen-bing2,CHEN Xiong1,XIAO Long3,ZHONG Wen-jun3,HAN Yang1
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 China National Offshore Oil Corporation,Beijing 100010,China;3 China National Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China)

Podded propulsor attracts much more attention because of its improved thrusting efficiency and maneuvering.In order to further study the maneuvering performance of POD ships,the comparative model tests were carried out for POD and conventional ships.And the test results show that the turning ability and initial turning ability of the POD ship are much better than those of conventional ship,and the course-keeping ability of POD and conventional ships is much the same.In this paper,the maneuvering performance for POD ships is also analysed and these researches are very valuable for maneuvering the POD ships.

POD ships;maneuvering performance;comparison

U661.33

A

1007-7294（2011）05-0463-05

2011-03-15基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技專項(xiàng)“深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)”課題經(jīng)費(fèi)資助（2008ZX05027-002）

劉洪梅（1980-），女，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心工程師，主要從事船舶航行性能研究；

許文兵（1976-），男，中國(guó)海洋石油總公司高級(jí)工程師。