某液化天然氣運輸船推進器選型研究

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(1.中海油能源發(fā)展采油服務公司,天津 300457;2.上海船舶研究設計院,上海 201203)

1 項目背景

為配合LNG物流網(wǎng)的建設，保障LNG站線間的運輸需求，有必要研發(fā)和建造一種適用于國內(nèi)沿海終端之間進行LNG二程駁運的小型LNG運輸船。經(jīng)過技術經(jīng)濟論證，30 000 m3LNG運輸船應運而生，其功能定位如下。

1)適合國內(nèi)沿海港口之間的LNG運輸，且能從東南亞、澳洲或中東運送LNG至國內(nèi)。

2)主要的目標航線為中國沿海的大型LNG接收終端和二級站之間，其航程距離都不遠，單航次的日程較短，靠離港作業(yè)頻繁。

3)具備進入長江航道，到達張家港的能力。

4)具備自力靠離港的能力。

從上述功能定位來看，30 000 m3LNG運輸船在港口航道、內(nèi)河狹窄水域航行的時間增加，靠離泊作業(yè)頻繁。

在確定采用單槳還是雙槳方案時，要考慮一個重要的船型參數(shù)——船寬吃水比。船寬吃水比越大，其操縱性能越難以保證。一般認為船寬吃水比小于2.5，則不需要雙槳。船寬吃水比在2.5～4.0之間的既可以采用單槳，也可以采用雙槳。船寬吃水比大于4.0的應該采用雙槳[1]。30 000 m3LNG船的船寬吃水比為3.75，從這一角度判斷既可以采用單槳也可以采用雙槳。

由于LNG船受風面積大的特點，對于推進配置為單槳單舵的LNG運輸船，無法實現(xiàn)自力靠離泊的目標。因此，單槳單舵推進方案是不能滿足用船方新的要求的。

基于上述的原因，有必要要增加該船在低速下的操縱性能以達到優(yōu)秀的港內(nèi)機動性。雙槳船型在港內(nèi)機動性上占有絕對優(yōu)勢，能滿足租船方的要求。另外LNG船的優(yōu)秀機動性可以大大提高LNG船靠離碼頭時的安全性，這對于LNG船和碼頭都是至關重要的。

鑒于本船的用途基本固化且已明確，應該將推進配置由單槳單舵改為操縱性更好的雙槳配置。

2 備選方案描述

為了選擇最適合30 000 m3LNG運輸船的推進配置，對以下幾種推進方式進行比較。

方案1，常規(guī)軸系雙機雙可調(diào)槳電力推進。

方案2，常規(guī)軸系雙機雙定距槳電力推進。

方案3，全回轉(zhuǎn)Z型機械傳動的舵槳推進方式。

方案4，吊艙推進方式(azipod)。

文中所述4種方案均為雙燃料電力(DFDE)推進系統(tǒng)。DFDE主推進系統(tǒng)包括雙燃料發(fā)電柴油機、主發(fā)電機、主推進變壓器、主推進變頻器、主推進電機、主推進制動電阻和主推進控制系統(tǒng)、齒輪箱、軸系和螺旋槳以及舵系。

幾種推進方案中，雙燃料發(fā)電柴油機、主推進變壓器、主推進變頻器等設備配置相同，見表1。

表1 各種推進方案的相同部分

2.1 方案1，常規(guī)軸系雙機雙可調(diào)槳電力推進

通過雙燃料主發(fā)電機組提供電源給主配電板，主配電板通過主推進變壓器和主推進變頻器饋電給主推進電機，由兩臺主推進電機驅(qū)動各驅(qū)動一套齒輪箱、軸系和可調(diào)螺距螺旋槳。

除表1所列設備外，其他主要設備見表2。

表2 推進方案1

2.2 方案2，常規(guī)軸系雙機雙定距槳電力推進

通過雙燃料主發(fā)電機組提供電源給主配電板，主配電板通過主推進變壓器和變頻器饋電給主推進電機，由兩臺主推進電機各自驅(qū)動一臺減速齒輪箱、軸系和定距螺旋槳。

除表1所列設備外，其他主要設備見表3。

表3 推進方案2

2.3 方案3，雙全回轉(zhuǎn)Z型機械傳動的舵槳電力推進

通過雙燃料主發(fā)電機組提供電源給主配電板，主配電板通過主推進變壓器和主推進變頻器饋電給兩臺主推進電機，由兩臺主推進電機各自驅(qū)動一套全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)。

除表1所列設備外，其他主要設備見表4。

表4 推進方案3

舵槳是靠機械軸系傳動的全回轉(zhuǎn)推進器，廣泛運用在全回轉(zhuǎn)拖船和有動力定位要求的海洋工程船舶上。瓦錫蘭，Rolls Royce和Schottel等廠家都能提供舵槳設備。

根據(jù)推進器艙的安裝空間(高度)以及采購成本對推進電機的不同要求，舵槳分為“Z”驅(qū)動型和“L”驅(qū)動型。上海船舶研究設計院已經(jīng)設計過的幾型船有“Z”型驅(qū)動也有“L”型驅(qū)動，其布置見圖1～3。

圖1 “海洋石油708”Z型舵槳布置

圖2 “海洋石油286”L型舵槳布置

圖3 R&R AZP 150拉式槳布置

從螺旋槳推進方式來分，全回轉(zhuǎn)舵槳又可分為推式槳和拉式槳。推式槳廣泛用于有系柱拖力要求的海洋拖船，多采用導管槳形式。船舶航速一般不大于15 kn。拉式槳是專為航速較高的船舶開發(fā)，它的布置形式?jīng)Q定了拉式槳具有更好的螺旋槳來流，從而得到更高的螺旋槳效率，見圖4。

圖4 拉式槳來流情況示意

對轉(zhuǎn)槳是在同一個全回轉(zhuǎn)推進器上安裝兩個螺旋槳，見圖5。

圖5 對轉(zhuǎn)槳

對轉(zhuǎn)槳的前部為主螺旋槳，為拉式槳，產(chǎn)生主要的推進力，因此拉式槳具有的優(yōu)勢對轉(zhuǎn)槳也能擁有。同時，在推進器的后部設置一對轉(zhuǎn)的螺旋槳可有效回收拉式槳尾流損失的能量，大大提高螺旋槳的效率。由于推進負荷由兩個螺旋槳分擔，槳葉的負荷也可以降低[2]。

本船的設計服務航速為16.5 kn，15%的海上風浪裕量。推進電機的功率大約為每臺4 000 kW。適用的推進器見表5。圖6為Rolls-Royce的Azipull拉式槳。

表5 適用(功率)推進器

圖6 Rolls Royce 的Azipull舵槳

2.4 方案4，雙緊湊型吊艙電力推進

通過雙燃料主發(fā)電機組提供電源給主配電板，主配電板通過主推進變壓器和主推進變頻器饋電給兩臺緊湊型吊艙推進器的永磁電機，驅(qū)動吊艙的螺旋槳。吊艙推進器為360°全回轉(zhuǎn)推進器。

除表1所列設備外，其他主要設備見表6。

表6 推進方案4

ABB的緊湊型Azipod吊艙推進器包含了一個轉(zhuǎn)舵單元(Steering Unit)和一個推進單元(Thruster Unit)。轉(zhuǎn)舵單元安裝在船體內(nèi)，可以提供360°全回轉(zhuǎn)能力。推進單元呈“L”形布置，電機內(nèi)置于浸沒與海水中的吊艙內(nèi)，配轉(zhuǎn)速受控型定距螺旋槳，一般采用拉式槳布置[3]。

由于減少了曲折軸系之間的機械傳動，吊艙推進的軸系效率要好于舵槳。ABB的緊湊型吊艙分為CO和CZ兩種型號。CO型推進器用于豪華游艇、渡船和運輸船等。CZ型是帶導流罩的推進器，適合大推力的應用。本船適用的Azipod型號為CO1400型。

由于將電動機置于吊艙內(nèi)，Azipod的水下吊艙部分長度要大于舵槳，見圖7。以CO1 400為例，其長度達到6 m，而一般舵槳的長度僅為4 m。如果尾部的水下線型和空間不合適，就不能選用吊艙式推進器。對于30 000 m3LNG船，其船寬和線型都適合安裝吊艙推進器。

圖7 吊艙電力推進布置

3 操縱性能對比

需要指出的是本文中討論的操縱性，也即30 000 m3LNG運輸船所關注的操縱性能，并非常規(guī)航行中的操縱性能。

30 000 m3LNG運輸船所關注的操縱性能是港內(nèi)的機動性能，是在低航速甚至零航速下的操縱性能。包括了：①零航速掉頭能力;②穩(wěn)定航行最低航速能力;③水平橫移能力。

全回轉(zhuǎn)推進器(包括舵槳和吊艙)在操縱性能上的優(yōu)異性能就體現(xiàn)在這種情況下。

3.1 單槳單舵船舶與雙槳雙舵船舶的港內(nèi)操縱性對比

單槳單舵船舶在低速航行時，舵效會降低。在零航速下，舵力接近于零。單槳船舶在靠離碼頭時，需要使用多條拖船協(xié)助。

雙槳雙舵船舶與單槳船舶港內(nèi)操縱方式最大的區(qū)別是：雙槳雙舵船舶在低速或零速時，可以利用自身的操縱設備——雙槳、雙舵、側(cè)推器，實現(xiàn)船舶自身的橫向運動，從而實現(xiàn)自力靠離碼頭。

雙槳雙舵船舶在橫向運動操縱中，一個螺旋槳正轉(zhuǎn)，一個螺旋槳反轉(zhuǎn)；正轉(zhuǎn)螺旋槳后面的舵操一舵角，反轉(zhuǎn)螺旋槳后的舵，舵角置零。同時，首側(cè)推工作，抵消船艏偏轉(zhuǎn)的力矩。雙槳雙舵船在螺旋槳、舵、艏側(cè)推的綜合作用下可以橫向運動，達到自主靠離泊的目的[4]。

雙槳船在自力靠泊時的橫向移動力來自艉部的舵力，艏部的側(cè)推用于抵消反向的力矩，效率較低，操縱難度比較大。

3.2 全回轉(zhuǎn)推進器的操縱性能

全回轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)中推進器軸線可以在水平面360°內(nèi)自由回轉(zhuǎn)，推進螺旋槳兼做動力舵，使船舶具有很好的操縱性能，加上艏側(cè)推的配合，船舶可以在較小的半徑內(nèi)原地回轉(zhuǎn)，也可以橫移，船舶的操縱性、機動性大大提高，靠泊作業(yè)更加安全、快捷。[5]

在低速航行操縱性能方面，舵槳和吊艙推進方式性能接近。以下根據(jù)ABB提供的實船結果來分析全回轉(zhuǎn)推進器的操縱性能。

1)回轉(zhuǎn)性能。配備全回轉(zhuǎn)推進器的船舶和配置常規(guī)軸系的姐妹船相比，回轉(zhuǎn)性能優(yōu)異。根據(jù)廠家的實測結果，前者的回轉(zhuǎn)直徑約為后者的50%～60%。

2)急停性能。吊艙推進船舶的急停距離一般為軸系船舶的60%～70%。

3)港口機動性能。依靠全回轉(zhuǎn)推進器的靈活性，船舶可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和自力靠泊。

另外，上海船舶研究設計院設計的煙大鐵路輪渡渡船采用了Azipod加艏側(cè)推的配置。通過船模試驗和實船測試，可以證明煙大渡船具有優(yōu)異的港內(nèi)機動性能。

30 000 m3LNG運輸船的主尺度和煙大線較為接近，因此煙大線的實船數(shù)據(jù)有很強的參考性。煙大線渡船的低速操縱性能主要體現(xiàn)在：①純橫移運動能力；②原地調(diào)頭能力；③側(cè)斜平移運動能力。

試航中，對以下幾種特殊操縱性能進行了測試。

1)零航速調(diào)頭試驗。

表7為煙大線的實船原地掉頭試驗數(shù)據(jù)。

表7 煙大線原地掉頭試驗數(shù)據(jù)

2)保持航向穩(wěn)定最低航速試驗。最低航速為2.4 kn。

3)橫移試驗。橫移能力是保證船舶自力靠離港的先決條件。表8為煙大線的實船橫移試驗數(shù)據(jù)。

表8 煙大線橫移試驗數(shù)據(jù)

從上述試驗結果來看，配置了Azipod的船舶低速操縱性能極佳，在零航速時配合艏側(cè)推聯(lián)合操作可近似原地調(diào)頭和船舶橫移，完全可以實現(xiàn)自力靠離港作業(yè)。根據(jù)煙大線船東使用的經(jīng)驗，采用吊艙推進的“中鐵渤海1號”、“中鐵渤海2號”可在8級風時靠自身動力進行靠離碼頭作業(yè)，而渤海灣其他客滾船在這種條件下只能借助拖輪完成。這就大大加強了船舶的安全性，也減少了拖船開支。

4 結論

1)方案3(舵槳方案)的投資最高，其他方案都較為接近。

2)方案3(舵槳方案)和方案4(吊艙方案)操縱性能最佳，雙槳方案其次，單槳方案較差。

3)方案4(吊艙方案)和方案3(舵槳方案)相比，由于吊艙方案水下部分布置有推進電機而導致其體積較大，將使同等直徑的螺旋槳效率降低，而Z型舵槳方案推進電機位于船內(nèi)，其水下部分可以進行最優(yōu)化設計以保證螺旋槳的效率最大化。從整個推進鏈來說，Z型舵槳的效率要略高于吊艙推進型式。

對各個方案的綜合對比如下。

4種方案的不同之處主要在于推進機械部分，見表9。

由于上述差異的存在，以及不同方案對船體布置和設計的影響，表10列出了各個方案在性能方面有所不同。

表9 4個方案的主要配置

表10 4個方案的主要性能

綜上比較，采用Z型舵槳方案作為該船推進型式較合理。該船最終選擇了Rolls-Royce的AZP 150拉式槳作為推進器。

[1] 吳秀恒,劉祖源,施生達,等.船舶操縱性[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[2] 王培生.全回轉(zhuǎn)推進器的水動力性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[3] 張慶文.吊艙電力推進裝置及其螺旋槳設計研究[D].大連：大連理工大學，2005.

[4] 杜林海.雙槳雙舵船舶港內(nèi)操縱性研究[D].大連：大連海事大學，2005.

[5] 劉洪梅,許文兵.吊艙推進與傳統(tǒng)推進船舶操縱性能對比分析[J].船舶力學2011,15(5):7-11.