尾部推進(jìn)海洋核動(dòng)力平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性能影響研究

章紅雨，齊江輝，鄭亞雄

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

海洋核動(dòng)力平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”)是船舶工程與核能工程的結(jié)合，可為作業(yè)海域周?chē)暮Ｑ笃脚_(tái)和島礁等用戶提供淡水和電力。平臺(tái)屬于長(zhǎng)期系泊自航式船舶，尾部配置有兩套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。在平臺(tái)運(yùn)行期間，尾部推進(jìn)能夠在軟剛臂的安裝與解脫、平臺(tái)自航、定點(diǎn)排污和避碰等方面發(fā)揮重要作用。

眾多學(xué)者對(duì)在尾部推進(jìn)作用下的船舶動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，嚴(yán)新平等[1]從水環(huán)境-船體-推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合作用、船模試驗(yàn)性能和實(shí)船航行性能等方面，綜合分析了大型船舶推進(jìn)系統(tǒng)與船體耦合的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。歐禮堅(jiān)等[2]采用CFD對(duì)粘性流場(chǎng)中導(dǎo)管螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、表面壓力等水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。魏春陽(yáng)等[3]為界定噴水推進(jìn)器的流場(chǎng)控制體，聯(lián)合采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行離散，選擇剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，并采用穩(wěn)態(tài)多參考系方法求解系統(tǒng)流場(chǎng)。

雖然尾部推進(jìn)在平臺(tái)作業(yè)中需要發(fā)揮多種作用，但總體而言包含兩方面，即提供平臺(tái)縱向的推力和橫向的旋轉(zhuǎn)力。因此需要對(duì)在尾部推進(jìn)作用下的平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，并以運(yùn)動(dòng)和系泊力為目標(biāo)，論證尾部推進(jìn)在每一平臺(tái)作業(yè)中的作用。

1 理論概述

平臺(tái)由軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長(zhǎng)期定位于渤海海域，綜合考慮海洋環(huán)境條件對(duì)船體的激勵(lì)載荷，以及由軟剛臂配重提供的系泊回復(fù)力，其時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為[4]：

Fw(t)+Fwd(t)+Fc(t)+Fm(t)

(1)

參考API規(guī)范，本文選用模塊法對(duì)平臺(tái)風(fēng)載荷進(jìn)行計(jì)算，即將水面以上部分分解為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，最后將各構(gòu)件的風(fēng)載荷疊加得到總的載荷[6]。構(gòu)件i承受的風(fēng)載荷計(jì)算公式為：

(2)

則總的風(fēng)載荷為：

(3)

總的風(fēng)載荷矩為：

(4)

同樣參考API規(guī)范，選用模塊法計(jì)算流載荷，水下部分受到的流載荷計(jì)算公式為：

(5)

式中：Vc為設(shè)計(jì)流速；Css為流力系數(shù)，515.62 N·s2/m4；Cd為拖曳力系數(shù)；Ac(α)表示流向?yàn)闀r(shí)，平臺(tái)的迎流面積。

流載荷矩為：

Mc=Fcyx+Fcxy

(6)

式中：Fcx為平臺(tái)受到的縱向流載荷；Fcy為平臺(tái)受到的橫向流載荷；x為平臺(tái)的橫向流載荷距離參考點(diǎn)的力臂；y為平臺(tái)的縱向流載荷距離參考點(diǎn)的力臂。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

2.1 坐標(biāo)系與方向規(guī)定

總體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于平臺(tái)尾部基點(diǎn)，x軸為船長(zhǎng)方向，y軸為船體左舷，z軸垂直向上。規(guī)定風(fēng)浪流傳播方向與總體坐標(biāo)系x軸逆時(shí)針夾角為正[7]，如圖1所示。

圖1 風(fēng)浪流方向規(guī)定

2.2 平臺(tái)模型

采用水動(dòng)力學(xué)軟件AQWA對(duì)平臺(tái)進(jìn)行頻域和時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，船體網(wǎng)格劃分如圖2所示，共計(jì) 23 339個(gè)節(jié)點(diǎn)，7 658個(gè)單元；軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型如圖3所示，采用tube單元，系泊腿兩端節(jié)點(diǎn)與系泊支架、軟剛臂之間僅能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，軟剛臂末端與塔架相連且可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。

圖2 船體網(wǎng)格模型

圖3 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型

2.3 尾部推力參數(shù)

基于平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，初步確定于平臺(tái)尾部安裝2臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推進(jìn)器的總功率為2×1 000 kW。根據(jù)NRP140舵槳推力-功率曲線估算，推進(jìn)器可以提供2×16 t～2×17 t的推力，因此選擇推力2×10 t、2×16 t和2×20 t用于計(jì)算。在總體坐標(biāo)系中，尾部推力作用點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 尾部推力作用點(diǎn)

2.4 環(huán)境條件

選取以下3種計(jì)算工況：

1)自航工況：平臺(tái)航行于靜水中，不需要考慮風(fēng)浪流等外部環(huán)境條件對(duì)其的影響。

2)作業(yè)工況：平臺(tái)在單點(diǎn)系泊狀態(tài)下作業(yè)，系泊系統(tǒng)的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)使得FPSO的系泊力趨于最小。

3)自由工況：在極端惡劣海況下，系泊系統(tǒng)失效后，平臺(tái)將進(jìn)行自由慢漂運(yùn)動(dòng)，此種工況下可用尾部推進(jìn)裝置控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。

作業(yè)工況和自由工況的參數(shù)如表2所示。

表2 作業(yè)工況和自由工況參數(shù)

由于平臺(tái)具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)[9]，圍繞單點(diǎn)系泊塔回轉(zhuǎn)，不考慮出現(xiàn)較大的橫向風(fēng)流作用。參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]，選用6種風(fēng)浪流方向Case，見(jiàn)表3所示。

表3 風(fēng)浪流方向組合

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 自航工況

為確定平臺(tái)在給定尾部推力下能夠達(dá)到的航速，計(jì)算靜水狀態(tài)下平臺(tái)各航速對(duì)應(yīng)的總阻力，見(jiàn)圖4?；趫D4結(jié)果插值可知，在尾部推力大小為2×10 t、2×16 t和2×20 t下，平臺(tái)能夠達(dá)到的航速分別為6.07 kn、7.66 kn和8.55 kn。由此可以看出，在給定一個(gè)尾部推力時(shí)，平臺(tái)能夠具備一定的靜水航速，此航速足夠平臺(tái)自行地移動(dòng)，不需要拖船進(jìn)行拖航。

圖4 航速-靜水總阻力曲線

3.2 作業(yè)工況

在作業(yè)工況下，分析尾部推力對(duì)平臺(tái)的縱、橫向運(yùn)動(dòng)以及水平系泊力的影響。在不同風(fēng)浪流方向組合下，平臺(tái)的艏向?qū)②呄蛴谝粋€(gè)平衡位置。沿平臺(tái)縱向施加一個(gè)尾部推力并不能改變平臺(tái)的平衡位置，只會(huì)影響系泊力的大小以及船艏與系泊塔架的最小安全距離。在不同Case下，縱向施加不同大小的尾部推力對(duì)平臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)和水平系泊力產(chǎn)生的影響如表4所示。

在不同Case下，平臺(tái)處于平衡位置時(shí)，橫向施加尾部推力可以使平臺(tái)圍繞固定塔架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，沿橫向順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)謩e施加不同大小的尾部推力對(duì)平臺(tái)的艏向平衡位置、船艏與軟剛臂系統(tǒng)之間的最小距離以及水平系泊力的影響見(jiàn)表5～表7所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，沿縱向施加尾部推力能夠增大平臺(tái)艏部與軟剛臂系統(tǒng)之間的距離，避免平臺(tái)和軟剛臂系統(tǒng)發(fā)生碰撞。沿橫向施加一個(gè)尾部推力時(shí)，可以改變平臺(tái)的艏部平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)排污。

表4 縱向尾部推力對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)和水平系泊力的影響

注：表4中“/”隔開(kāi)的四組數(shù)據(jù)依次為無(wú)尾部推力、尾部推力2×10 t、2×16 t、2×20 t的結(jié)果。

表5 橫向尾部推力對(duì)艏向平衡位置的影響 (°)

注：表5～表7中“/”隔開(kāi)的兩組數(shù)據(jù)分別為順時(shí)針橫向、逆時(shí)針橫向施加尾部推力的結(jié)果。

表6 橫向尾部推力對(duì)船艏-軟剛臂最小距離的影響 m

表7 橫向尾部推力對(duì)水平系泊力的影響 t

3.3 自由工況

根據(jù)總體對(duì)尾部推力避碰功能提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)，在自由工況對(duì)應(yīng)的海況下單點(diǎn)系泊失效后，對(duì)船體在尾部推力作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡及避碰能力進(jìn)行了評(píng)估。

海洋核動(dòng)力平臺(tái)作業(yè)區(qū)域?yàn)榻椫?6-1油田，該油田共有12座采油平臺(tái)，由于目前還沒(méi)有確定具體的場(chǎng)址位置，本文選取平臺(tái)作業(yè)場(chǎng)址周邊的一個(gè)海洋工程平臺(tái)作為參考障礙物，根據(jù)平臺(tái)的主尺度假定障礙物的尺寸為53.5 m(海洋平臺(tái)的最大寬度)+81.7 m(平臺(tái)總長(zhǎng)的一半)=135.2 m。

選取Case2中的風(fēng)浪流方向組合，選取尾部推力的方向范圍為10°～90°，間隔為10°，同時(shí)始終保持在尾部推力作用過(guò)程中作用方向不變。分析不同尾部推力作用時(shí)，平臺(tái)與參考障礙物可以避免碰撞的最小安全距離以及尾部推力作用時(shí)間，計(jì)算結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 尾部推力作用方向-最小安全距離曲線

施加不同的尾部推力時(shí)，平臺(tái)與參考障礙物避免碰撞的最小安全距離以及最佳尾部推力的作用方向及時(shí)間如表8所示。由表8可以看出，自由工況時(shí)施加的尾部推力越大，最小安全距離以及尾部推力的作用時(shí)間就越小。

表8 最小安全距離

3.4 結(jié)果分析

本文通過(guò)研究尾部推進(jìn)裝置對(duì)平臺(tái)的自航能力、作業(yè)工況時(shí)的橫縱向運(yùn)動(dòng)以及水平系泊力，以及自由工況時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況等幾方面產(chǎn)生的影響，分析得到的結(jié)論如下：

1)自航工況：給定一個(gè)尾部推力時(shí)，平臺(tái)能夠達(dá)到6～8kn的靜水航速，此航速足夠平臺(tái)自行地移動(dòng)，不需要拖船進(jìn)行拖航；

2)作業(yè)工況：沿縱向施加一個(gè)尾部推力能夠增大平臺(tái)艏部與軟剛臂系統(tǒng)之間的距離，避免平臺(tái)和軟剛臂系統(tǒng)發(fā)生碰撞，然而效果并不顯著，水平系泊力反而會(huì)明顯增加；

3)作業(yè)工況：沿橫向施加一個(gè)尾部推力時(shí)，可以改變平臺(tái)的艏部平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)排污。此時(shí)沿順時(shí)針或逆時(shí)針橫向方向施加尾部推力時(shí)，水平系泊力差別不大，且船艏-軟剛臂之間的距離也相差不大，但兩種方式對(duì)船艏平衡位置改變效果相差較大。這是由于尾部推力的存在會(huì)抵消一部分波浪、風(fēng)、流載荷，且橫向施加尾部推力會(huì)破壞平臺(tái)的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，使平臺(tái)不再處于最小環(huán)境力的位置，從而會(huì)改變船艏的平衡位置。

4)自由工況：由圖5和圖6可以看出，自由工況時(shí)施加的尾部推力越大，最小安全距離以及尾部推力的作用時(shí)間就越小，同時(shí)也可以看出只需要平臺(tái)與參考障礙物之間的距離大于最小安全距離，不同平臺(tái)就不會(huì)發(fā)生碰撞。

5)自由工況：通過(guò)圖5和圖6還可以看出，要在惡劣風(fēng)浪流作用下改變平臺(tái)位置，采用尾推方式，需要的推力過(guò)大，結(jié)合考慮平臺(tái)橫傾較大、對(duì)單點(diǎn)的附加作用、使用工況難以確定等因素，尾推并不適合在較高海況下調(diào)整船體艏向。

4 結(jié)論

1)在平臺(tái)自航工況、定點(diǎn)排污等作業(yè)情況下，尾部推進(jìn)裝置能夠發(fā)揮較大的作用；

2)在自由工況下需要避碰時(shí)，尾部推進(jìn)裝置可以發(fā)揮一定的作用，但是在單點(diǎn)系泊狀態(tài)下，尾部推進(jìn)裝置對(duì)避碰的作用較??；尾部推進(jìn)裝置并不能作為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效后控制船體運(yùn)動(dòng)的備用選擇，但開(kāi)啟尾部推進(jìn)裝置后平臺(tái)有一定的偏航避碰能力。