吊艙推進(jìn)器在海事測(cè)繪船舶的應(yīng)用

胥祺 嚴(yán)明 戴紅偉

（東海航海保障中心上海海事測(cè)繪中心，上海 200090）

摘要：本文簡(jiǎn)述了當(dāng)前海事測(cè)繪船舶工作環(huán)境、設(shè)備條件，對(duì)比國(guó)內(nèi)外測(cè)繪行業(yè)船舶的科技手段，從而闡述吊艙推進(jìn)器在海事測(cè)繪船舶的應(yīng)用;還歸納了新型船舶在結(jié)構(gòu)布局、操縱性、測(cè)量精確性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面的優(yōu)勢(shì)，為海事測(cè)量船舶的發(fā)展及建造提供參考。

關(guān)鍵詞：海事測(cè)繪;吊艙推進(jìn)器;發(fā)展;建造

0 引言

海事測(cè)繪作為海上交通安全的重要技術(shù)保障，在整個(gè)航運(yùn)經(jīng)濟(jì)中扮演著卜分重要的角色?？傮w上，我國(guó)海事系統(tǒng)的海道測(cè)量能力較弱，測(cè)量范圍主要集中在沿海和部分離岸50n mile以內(nèi)的沿海水域，尚不能開(kāi)展近海水域內(nèi)的航路和專題水域交通測(cè)量。作為海道測(cè)量的基礎(chǔ)作業(yè)平臺(tái)，全國(guó)海事系統(tǒng)僅有各類測(cè)量船艇17艘，且主要是300t及以下排水量的小型船艇，還沒(méi)有真正意義上的大型專業(yè)測(cè)量船，僅有l(wèi)艘由東海航保中心原大型航標(biāo)船改造的測(cè)量船“海巡166”，該船建成于1977年，至今服役已近42年。

為滿足日益增長(zhǎng)的沿海水域交通測(cè)繪工程需求，交通運(yùn)輸部提出了“專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)海事測(cè)繪”的發(fā)展戰(zhàn)略，計(jì)劃將海事測(cè)繪范圍由沿海向近海及遠(yuǎn)洋拓展。在新的發(fā)展形勢(shì)和要求之下，海事測(cè)繪面臨著良好的發(fā)展機(jī)遇，也存在著測(cè)量船舶和裝備能力不足的巨大挑戰(zhàn)。

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的測(cè)量船舶越發(fā)注重測(cè)量功能的綜合性、測(cè)量區(qū)域多用性，因此船舶動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)也越來(lái)越注重它的設(shè)備先進(jìn)、運(yùn)行可靠、維護(hù)管理簡(jiǎn)捷、功能優(yōu)良、振動(dòng)噪聲低等性能。值得一提的是英國(guó)的2艘水文地貌考察船（見(jiàn)圖1），各配置ABB公司的2xl700 kW的吊艙推進(jìn)器，全船長(zhǎng)90.6m，設(shè)計(jì)航速為15kn，噸位為3470t。首船“HMS Echo”號(hào)榮登當(dāng)年年度全球最佳船舶榜，促成英國(guó)船東選定吊艙推進(jìn)器系統(tǒng)的主要因素是吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的低維護(hù)成本、低噪聲和操作簡(jiǎn)單。

我國(guó)目前裝備吊艙推進(jìn)的船舶，如“雪龍2”號(hào)破冰考察船、中科院青島海洋所“科學(xué)”號(hào)以及中國(guó)海洋大學(xué)新一代海洋綜合科考船“東方紅3”號(hào)考察船等。吊艙推進(jìn)船舶的先進(jìn)性能在各個(gè)船型均得到充分的驗(yàn)證。首艘由中國(guó)自行設(shè)計(jì)的采用緊湊型吊艙裝置的全電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶“中國(guó)海監(jiān)83”號(hào)（見(jiàn)圖2），在2005年投入使用至今。該船操縱性極佳，可靠性好，船體振動(dòng)輕微。此外，該船的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)與常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)相比，燃油可節(jié)約10%-15%。功率管理系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載的要求，智能選擇投入運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的數(shù)量，從而到最佳的經(jīng)濟(jì)效率。

2 吊艙推進(jìn)器船舶概述

作為一種新一代的全電力推進(jìn)器，吊艙式推進(jìn)器在20世紀(jì)90年代早期開(kāi)始投入應(yīng)用。在吊艙推進(jìn)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)安裝在一個(gè)浸沒(méi)于水中的可旋轉(zhuǎn)吊艙中，螺距螺旋槳（FPP槳）軸直接與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接，發(fā)電機(jī)組給船舶電站供電，進(jìn)而帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)方式相比，吊艙推進(jìn)器減除了軸系、縮減了艉軸間，船體艉部可優(yōu)化設(shè)計(jì)成平緩流線型，進(jìn)而提高船舶推進(jìn)效率;省去舵及側(cè)推器并提高船舶操縱和緊急機(jī)動(dòng)能力;降低螺旋槳空泡、船艉振動(dòng)及水下輻射噪聲等。

3 吊艙推進(jìn)器船舶的操縱性能

得益于吊艙推進(jìn)器快速回轉(zhuǎn)的特性及優(yōu)異的橫向推力，船舶的快速反應(yīng)和應(yīng)付緊急情況下避撞等操縱性能得以大幅提高。

3.1 緊急停船性能

緊急制動(dòng)時(shí)，吊艙推進(jìn)器采用獨(dú)特的制動(dòng)方式，在保持螺旋槳轉(zhuǎn)速的同時(shí)進(jìn)行180°回轉(zhuǎn)，從而改變拉力的方向?qū)⒋爸苿?dòng)。

3.2機(jī)動(dòng)性能及DP定位性能

吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)有更好的倒車性能，可以采用回轉(zhuǎn)的方式倒車，也可以通過(guò)直接反轉(zhuǎn)螺旋槳的方式，尤其是大風(fēng)浪天作業(yè)時(shí)，其靈活操縱優(yōu)勢(shì)更加明顯，即使在8級(jí)風(fēng)的情況下仍能自行靠近目標(biāo)，增加船舶在惡劣海況下的工作能力。

轉(zhuǎn)舵速度：在操控模式下，吊艙推進(jìn)器的電力轉(zhuǎn)舵速度為12°/s。

反轉(zhuǎn)速度：DP定位時(shí)吊艙推進(jìn)器可以直接反轉(zhuǎn)螺旋槳迅速改變推（拉）力的方向，達(dá)到快速反轉(zhuǎn)效果。而軸系推進(jìn)器一般先停轉(zhuǎn)螺旋槳，然后再反轉(zhuǎn)。

單臺(tái)故障影響：因其快速轉(zhuǎn)舵及直接反轉(zhuǎn)的特性，吊艙推進(jìn)的船舶在單臺(tái)故障時(shí)依靠單臺(tái)推進(jìn)器快速改變推力方向，仍能保持較好動(dòng)態(tài)定位能力.

4 吊艙推進(jìn)器船舶的測(cè)量精確性、舒適性

吊艙推進(jìn)系統(tǒng)因?yàn)楠?dú)特的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定，對(duì)船體的振動(dòng)噪聲大大降低;螺旋槳的針對(duì)性設(shè)計(jì)、防氣泡船體一體化多波束導(dǎo)流罩的應(yīng)用、新型變頻器的研發(fā)也滿足DNV SILENT R的靜音要求。振動(dòng)噪聲低的船舶設(shè)計(jì)提高了測(cè)量設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)的精確性，也提高了在船人員生活及工作的舒適度。

4.1 艙室振動(dòng)噪聲

采用吊艙推進(jìn)的船舶，振動(dòng)噪聲大大降低。體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

（l）由于吊艙推進(jìn)船舶沒(méi)有中間傳動(dòng)的傳動(dòng)軸系和變速齒輪箱，螺旋槳與船體之間也不存在剛性連接，對(duì)船體產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲得以大幅改善。

（2）軸系或Z推一般采用推式槳，來(lái)流流場(chǎng)受艉部構(gòu)件影響產(chǎn)生紊流，吊艙式電力推進(jìn)器采用拉式槳，其螺旋槳盤(pán)面正對(duì)水流，能獲得均勻的流暢，從而有效降低螺旋槳的激振力。

4.2水下輻射噪聲

測(cè)繪是海事測(cè)量船舶的主要作業(yè)，而水下輻射噪聲對(duì)測(cè)量精確性和高效性有不可忽略的影響。

參照DNV SILENTR的標(biāo)準(zhǔn)，分為：（l） Silent（R）;（2） Silent（F）;（3） Silent（A）; （4） Silent（S）;（5）Silent（E），見(jiàn)圖5。

螺旋槳低頻和電機(jī)的高頻電磁噪聲是吊艙推進(jìn)船舶水下輻射噪聲主要來(lái)源。由于采用拉式螺旋槳，流暢均勻，5葉槳設(shè)計(jì)，并且螺旋槳負(fù)荷非常低，llkn航速時(shí)，螺旋槳功率僅600kW左右，螺旋槳的水下噪聲將得到最大限度的降低?？蓪ｉT(mén)設(shè)計(jì)螺旋槳，采用防氣泡船體一體化多波束導(dǎo)流罩和最新系列ACS880變頻器，優(yōu)化變頻器的控制模式，將吊艙水下電磁噪聲控制到最低水平并滿足科考船靜音DNV SILENTR的要求。

從“向陽(yáng)紅3”號(hào)科學(xué)考察船看，采用吊艙式推進(jìn)船舶設(shè)計(jì)，在經(jīng)濟(jì)航速和最大航速工況下全船61個(gè)住艙均滿足中國(guó)船級(jí)社舒適度（COMF）2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于通?？瓶即苓_(dá)到的噪聲級(jí)別，全船噪聲最低的艙室噪聲實(shí)測(cè)僅為38.9dB;此外，經(jīng)挪威船級(jí)社水下噪聲測(cè)量部門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，本船在O-llkn的全航速段水下輻射噪聲均滿足挪威DNVGL船級(jí)社最高等級(jí)SilentR的要求并獲得認(rèn)證。減振降噪設(shè)計(jì)與建造實(shí)施的成功，為船上工作人員提供了更加舒適的生活和工作環(huán)境，為船載精密科學(xué)儀器提供了精確的測(cè)量環(huán)境。“東方紅3”號(hào)船即將成為全球首艘獲得DNV GL水下輻射噪聲最高等級(jí)SilentR證書(shū)，這也為海事吊艙推進(jìn)船舶提供一個(gè)很好的參考。

5 吊艙推進(jìn)器船舶的經(jīng)濟(jì)性能

5.1推進(jìn)效率

吊艙電力推進(jìn)作為一種新型電力推進(jìn)器，與常規(guī)柴電電力推進(jìn)和機(jī)械推進(jìn)相比，有著更高的推進(jìn)效率（見(jiàn)圖6），具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（l）采用拉式槳設(shè)計(jì)的吊艙，拉式螺旋槳能夠產(chǎn)生非常好且均勻的伴流區(qū)，可提高螺旋槳流體動(dòng)力效率并減少空泡現(xiàn)象。

（2）推進(jìn)器的螺旋槳直接安裝在推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，無(wú)任何中間傳動(dòng)能量損失。

（3）吊艙推進(jìn)船舶消除了常規(guī)艉軸，船體艉部可設(shè)計(jì)成平緩流線型，從而降低船體阻力。

（4）吊艙推進(jìn)的船舶不配備減速齒輪箱，中間軸承，艉管軸承等設(shè)備，內(nèi)部也無(wú)傘形齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相應(yīng)節(jié)約這些設(shè)備的潤(rùn)滑及冷卻需要的輔助動(dòng)力能源。

5.2運(yùn)行成本

（l）燃油消耗

燃油消耗成本取決于運(yùn)行時(shí)電站的負(fù)載需求。與其他推進(jìn)相比，吊艙推進(jìn)節(jié)約燃油消耗，據(jù)運(yùn)行的“中國(guó)海監(jiān)50”及煙大線鐵路輪渡反饋，其配備Azipod電力推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行船舶比同類其他推進(jìn)方式的船舶節(jié)約l5%-25%的燃油。

（2）滑油消耗

滑油消耗成本取決于消耗滑油設(shè)備的數(shù)量及更換周期，吊艙推進(jìn)系統(tǒng)不配備減速齒輪箱，中間軸承，艉管軸承等設(shè)備，相應(yīng)的滑油消耗不再需要;無(wú)艉軸管滑油泄漏風(fēng)險(xiǎn)，避免因滑油意外泄漏引起的滑油消耗。

（3）運(yùn)行可靠

吊艙推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，統(tǒng)計(jì)的平均可靠性高在99.8%以上，運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)突破700萬(wàn)h，無(wú)運(yùn)行方面的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 維護(hù)保養(yǎng)

吊艙推進(jìn)器僅有一根傳動(dòng)軸，可省卻大量軸系推進(jìn)系統(tǒng)所需設(shè)備，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)大大簡(jiǎn)化。日常主要維護(hù)是定期更換空氣濾芯，定期更換少量的潤(rùn)滑油。5年周期維護(hù)原材料費(fèi)用大概是30萬(wàn)每臺(tái)，主要維護(hù)內(nèi)容是更換艉軸密封。吊艙維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)單方便：檢修時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)10年;所有維護(hù)工作都可以在干船塢內(nèi)完成;48h內(nèi)即可完成密封件和軸承的更換;吊艙推進(jìn)系統(tǒng)水下安裝在24h內(nèi)完成。

6 吊艙推進(jìn)器船舶的環(huán)保性能

隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)、深海戰(zhàn)略的拓展，人類對(duì)海洋的探求力度加大，但也對(duì)海洋環(huán)境破壞加劇，各種海洋環(huán)保公約相繼而出。因此，環(huán)保性能也是海事測(cè)繪船舶發(fā)展中不可忽視的一面。

6.1 大氣環(huán)境

吊艙推進(jìn)船舶是通過(guò)負(fù)荷加載使中速柴油機(jī)在恒速工況附近運(yùn)行，較其他推進(jìn)方式的船舶節(jié)能且減少?gòu)U氣的排放量，降低大氣污染。

6.2 海洋環(huán)境

海洋污染很大一部分與船舶滑油泄漏相關(guān)，軸系或Z型推進(jìn)系統(tǒng)需要高達(dá)以噸汁的潤(rùn)滑油，如果軸系艉管及Z型推進(jìn)器的密封發(fā)生泄漏，內(nèi)部的滑油會(huì)泄漏到海水中造成海洋污染。

吊艙式電力推進(jìn)器僅推力軸承需要約60L左右的潤(rùn)滑油，且采用密閉油殼式自潤(rùn)滑方式，完全與海水隔離，從根源上杜絕推進(jìn)系統(tǒng)常見(jiàn)的軸系艉管滑油泄漏或機(jī)械全回轉(zhuǎn)滑油泄漏問(wèn)題，避免對(duì)日益惡化的海洋環(huán)境造成污染。

7 吊艙推進(jìn)器與機(jī)械推進(jìn)器對(duì)比（見(jiàn)表1）

吊艙是無(wú)齒輪傳動(dòng)的推進(jìn)器，同機(jī)械推進(jìn)器（Z型傳動(dòng)或者L型傳動(dòng)，也稱為舵槳）有本質(zhì)區(qū)別，見(jiàn)圖7。

8 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家提出建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議等的部署，海洋經(jīng)濟(jì)及航運(yùn)貿(mào)易將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。面對(duì)新形勢(shì)和新要求，為保障國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)施和經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全發(fā)展，有效履行相關(guān)國(guó)際公約，提升我國(guó)海事部門(mén)執(zhí)行深遠(yuǎn)海測(cè)任務(wù)的綜合能力，滿足多海域任務(wù)的執(zhí)行要求，保障國(guó)家海洋戰(zhàn)略實(shí)施。建造新型測(cè)量船舶對(duì)我國(guó)海事發(fā)展有著積極的意義，爭(zhēng)取早日擁有吊艙式推進(jìn)船舶，參與測(cè)量領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。

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