吊艙推進(jìn)裝置操縱策略分析

康美澤，李小軍，韓康，汪春輝

1. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

日臻完善的造船規(guī)范對新建船舶的性能有著愈來愈高的要求，同時日益精進(jìn)的造船技術(shù)為船舶性能的提升提供了保障。尤其是吊艙推進(jìn)裝置的成功應(yīng)用極大地提升了船舶的操縱性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等性能，被廣泛應(yīng)用于LNG(liquefied natural gas)運(yùn)輸船、豪華郵輪和破冰船等對操縱性要求較高的船舶。

與槳舵操縱系統(tǒng)不同，吊艙推進(jìn)裝置能夠在360°內(nèi)水平轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)并完成船舶操縱，無需槳舵配合，因而在操縱策略上，配有吊艙推進(jìn)裝置的船舶與常規(guī)推進(jìn)器船舶有著很大的不同。近年來，國內(nèi)外已有眾多學(xué)者針對吊艙推進(jìn)裝置展開研究，Oosterveld等[1]將KA系列導(dǎo)管槳與吊艙推進(jìn)裝置組合并研究其水動力性能，Ball等[2]通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吊艙推進(jìn)裝置操縱過程中會導(dǎo)致水動力載荷劇增，Yakolev等[3]發(fā)現(xiàn)采用理論分析與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)合的方法可以較為準(zhǔn)確地評估吊艙推進(jìn)裝置的性能，Islam等[4-5]研究了艙體對邊界層厚度和渦旋發(fā)展的影響，Ball等[6]在研究中給出了吊艙推進(jìn)裝置緊急制動和一般停靠下的操縱策略建議。張媛、韓陽等[7-8]對配有吊艙推進(jìn)器的冰區(qū)船舶的操縱性特征進(jìn)行了整理歸納。劉洪梅等[9]對比了傳統(tǒng)推進(jìn)器與吊艙推進(jìn)器水動力性能差異。

對現(xiàn)有研究成果進(jìn)行整理歸納可以發(fā)現(xiàn)：目前為止，大部分學(xué)術(shù)成果主要集中在吊艙推進(jìn)器的性能分析預(yù)報(bào)，僅有少量文獻(xiàn)研究了吊艙推進(jìn)裝置的操縱策略。為了深入掌握吊艙推進(jìn)器的操縱特點(diǎn)，并為吊艙推進(jìn)器的設(shè)計(jì)提供基本工況要求，本文從吊艙推進(jìn)系統(tǒng)組成、水動力特性和操縱策略幾個方面進(jìn)行歸納和總結(jié)。

1 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)組成

應(yīng)用吊艙推進(jìn)裝置，船舶需配備專門的電氣系統(tǒng)，主要包括電力產(chǎn)生系統(tǒng)和電力分配系統(tǒng)，如圖1所示，涉及發(fā)電機(jī)組、控制臺、變壓器和頻率轉(zhuǎn)換器等主要部件。

圖1 吊艙推進(jìn)電氣系統(tǒng)

吊艙推進(jìn)裝置由多個子系統(tǒng)和部件組成，一般包括槳葉、電機(jī)和回轉(zhuǎn)裝置等結(jié)構(gòu)，圖2為典型的Mermaid吊艙推進(jìn)裝置示意圖[10]。吊艙推進(jìn)裝置根據(jù)需要存在多種布局設(shè)計(jì)方式，如圖3所示，可以適配多種類型的船舶。

圖2 Mermaid吊艙結(jié)構(gòu)

圖3 吊艙推進(jìn)布局方式

吊艙推進(jìn)裝置的操縱手柄一般可對吊艙主機(jī)轉(zhuǎn)速和吊艙的方向進(jìn)行同時控制，如圖4(a)所示，并可通過操縱面板對操縱指令進(jìn)行復(fù)查，如圖4(b)所示，避免操縱指令錯誤。

圖4 吊艙推進(jìn)裝置操縱臺

2 轉(zhuǎn)向操縱

2.1 吊艙推進(jìn)裝置性能變化

船舶以某一航速轉(zhuǎn)向時，槳盤面處的來流攻角和速度都將會發(fā)生劇烈變化，并且導(dǎo)致配備雙推進(jìn)器的船舶左右兩側(cè)的吊艙推進(jìn)裝置產(chǎn)生的力和力矩不同，這種差異主要由兩側(cè)推進(jìn)器在船舶轉(zhuǎn)向時相對位置不同造成，與船體型線、艉鰭結(jié)構(gòu)也有一定關(guān)系。圖5為船艉右舷吊艙推進(jìn)裝置在船舶以恒定軸速轉(zhuǎn)向時水動力性能變化的典型示意圖，Kt為推力系數(shù)，Kq為扭矩系數(shù)，β為吊艙推進(jìn)角度，轉(zhuǎn)向左舷方向?yàn)樨?fù)，右舷方向?yàn)檎?。船艉左舷推進(jìn)裝置性能變化依此類似[11]。

圖5 吊艙定軸速轉(zhuǎn)向性能變化

從圖5中可以看出，在船舶轉(zhuǎn)向時進(jìn)行軸速控制是非常重要的，若保持軸速不變，當(dāng)船舶向左轉(zhuǎn)向時，右舷的吊艙推進(jìn)裝置會承受劇增的扭矩，可能導(dǎo)致吊艙主機(jī)過載而損壞，此外船舶的航速變化也會對吊艙推進(jìn)裝置的負(fù)荷產(chǎn)生影響，在航速變化時，軸速的改變會對吊艙主機(jī)的負(fù)荷產(chǎn)生更加劇烈的影響。

在船舶轉(zhuǎn)向操縱過程中，吊艙推進(jìn)裝置的性能都會產(chǎn)生顯著變化，圖6為吊艙推進(jìn)回轉(zhuǎn)模型試驗(yàn)中典型的測量結(jié)果[12]，T為推力，Q為扭矩，M為槳軸彎矩，ET為時間。從圖6中可以看出，相對于轉(zhuǎn)向之前記錄的穩(wěn)定數(shù)據(jù)而言，當(dāng)船舶開始轉(zhuǎn)向吊艙回轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化時，吊艙推進(jìn)裝置的力和力矩明顯增加。類似的，在轉(zhuǎn)向開始時，槳軸彎矩增加了某一數(shù)值但隨后衰減到一定程度并在轉(zhuǎn)向過程中保持穩(wěn)定，而吊艙推進(jìn)裝置推力和扭矩沒有衰減過程，在船舶轉(zhuǎn)向過程中保持著數(shù)值增加后的狀態(tài)，并在船舶回轉(zhuǎn)后衰減到最初的數(shù)值，槳軸彎矩同樣在回轉(zhuǎn)后衰減到最初數(shù)值，但在衰減前經(jīng)歷了劇增過程。進(jìn)行多次模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在恒定軸速下進(jìn)行船舶轉(zhuǎn)向操縱，操縱后的推力和扭矩比操縱前分別高出約10%和50%，而槳軸彎矩的則可能是原來的5～6倍，在Z型操縱性試驗(yàn)中可以得到類似的結(jié)論。

圖6 轉(zhuǎn)向操縱吊艙推進(jìn)性能

2.2 操縱策略

限于篇幅，本文重點(diǎn)論述雙吊艙推進(jìn)船舶轉(zhuǎn)向右舷情況下的操縱策略(下同)。船舶轉(zhuǎn)向時，吊艙推進(jìn)裝置有多種操縱方式[13]，如圖7所示。a種操縱情況下，左舷吊艙處于90°位置指向船外，右舷吊艙位于0°位置，兩吊艙推進(jìn)裝置來流均為正向來流。在該操縱策略下，由于左舷吊艙進(jìn)流受到船體和右舷吊艙艙體干擾的影響，左舷吊艙發(fā)出的橫向力只能達(dá)到約80%的推力，而右舷縱向推力不受影響，顯然不是最佳的操縱策略。進(jìn)行b種操縱時，與a種操縱類似，左舷吊艙來流會受到船體和右舷吊艙艙體的影響，但同時由于左舷吊艙處于反向來流工況，對吊艙推力性能不利，只能達(dá)到滿額推力的50%左右，右舷吊艙不受影響。在c種操縱策略下，左舷吊艙處于0°位置，右舷吊艙處于90°位置指向船體內(nèi)側(cè)，兩吊艙均處于正向來流工況，該種操縱策略下，兩吊艙來流受擾動較小，均能到達(dá)滿額推力；d種操縱策略與c種操縱策略主要區(qū)別右舷吊艙指向船體外側(cè)，受來流反向的影響，不能達(dá)到滿額推力。綜上，不考慮主機(jī)負(fù)荷問題，c種策略為較優(yōu)操縱策略，船舶轉(zhuǎn)向左舷時情況與之類似。

圖7 右轉(zhuǎn)向操縱

若尋求最大的轉(zhuǎn)向效率，則需將2個吊艙推進(jìn)裝置都充分利用，在這種情況下船速下降明顯。文獻(xiàn)[13]通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)左舷推進(jìn)為指向船外側(cè)75°，右舷推進(jìn)器為指向船體內(nèi)測105°時，如圖8所示(圖中紅綠色圓弧為操縱手柄，對應(yīng)吊艙推進(jìn)角度，下同)，船舶能以較高的效率轉(zhuǎn)向右舷，吊艙裝置來流以及尾流受船體、艉鰭和艙體干擾較小，并且兩吊艙推進(jìn)裝置在沿船體縱向產(chǎn)生的推力相互抵消，避免不必要的縱向推力。

3 減速控制

減速控制是船舶停泊靠岸或者兩船靠近前的關(guān)鍵操縱環(huán)節(jié)，正常情況下，停泊操縱時的航速較低以給舵手留出足夠的操縱時間和空間，進(jìn)行減速操縱時需依據(jù)設(shè)備手冊逐步進(jìn)行合適的操縱，通常有3種主要減速手段：定推進(jìn)角度變轉(zhuǎn)速，定轉(zhuǎn)速變推進(jìn)角度以及變轉(zhuǎn)速變推進(jìn)角度。

圖8 快速右轉(zhuǎn)向操縱

進(jìn)行定推進(jìn)角度變轉(zhuǎn)速操縱時，兩吊艙推進(jìn)裝置都指向船體內(nèi)側(cè)，吊艙艙體自身會產(chǎn)生較大的剎車力使得船舶航速降低，根據(jù)操縱空間等限制推進(jìn)角度通常在30°～90°，此種減速方法效率較高，無需反轉(zhuǎn)螺旋槳，避免引起劇烈的空化振動和噪聲。采用該種操縱策略時，兩吊艙推進(jìn)裝置的角度及功率必須一致，以抵消彼此的轉(zhuǎn)矩，保持航向穩(wěn)定。通過控制螺旋槳轉(zhuǎn)速可以控制船舶減速的程度，轉(zhuǎn)速越高，減速越明顯，如圖9(a)所示。若因兩船靠近進(jìn)行減速操縱，例如領(lǐng)航船領(lǐng)航時，為減小螺旋槳尾流對領(lǐng)航船造成的干擾，兩吊艙推進(jìn)裝置可均指向船體外側(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制，如圖9(b)所示。

圖9 減速控制

進(jìn)行定轉(zhuǎn)速變推進(jìn)角度操縱時，舵手需對兩吊艙推進(jìn)裝置的推進(jìn)角度進(jìn)行控制，與前種操縱策略一致，只需控制一個操縱變量；而進(jìn)行變轉(zhuǎn)速變推進(jìn)角度操縱時，舵手需同時控制轉(zhuǎn)速和角度，對操縱者的操縱水平要求較高，但航速控制效率最高。

4 緊急制動

通常配備吊艙推進(jìn)裝置的船舶有2種緊急制動方式，一種為常規(guī)制動，直接將槳葉反向旋轉(zhuǎn)；另一種為將艙體也作為剎車力的“外八字”制動方式，如圖10所示。文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行常規(guī)制動時，槳軸的彎曲力矩的量級與自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下相同，但槳葉的推力和扭矩會在停車制動過程中劇烈變化，進(jìn)行“外八字”制動時，軸向力和槳軸彎矩會顯著增加，吊艙推進(jìn)裝置以25°位置進(jìn)行定軸速制動時，槳軸載荷可達(dá)到自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的11倍，如圖11所示，F(xiàn)r為傅汝德數(shù)，la為槳軸彎矩峰值與常規(guī)狀態(tài)下彎矩的比值。

圖10 緊急制動方式

圖11 制動載荷

常規(guī)制動操作簡便，盡管多數(shù)吊艙推進(jìn)裝置可以反轉(zhuǎn)螺旋槳，但反轉(zhuǎn)螺旋槳不是理想化的制動方式，可能對槳軸密封和機(jī)械齒輪造成不利影響，在航速較高時可能導(dǎo)致主機(jī)過載并可能引起劇烈的空化、振動和噪聲。同時，螺旋槳反轉(zhuǎn)時不能發(fā)揮主機(jī)功率，推進(jìn)效率低，并存在制動延遲和制動距離長等不足。經(jīng)過實(shí)船實(shí)踐發(fā)現(xiàn)一艘典型的游船在22 Kn時進(jìn)行常規(guī)制動，制動距離約2 000～2 800 m，滿足IMO關(guān)于15倍船長的制動標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。

“外八字”制動時借助吊艙艙體形成的阻力，能夠有效縮短制動距離，并在制動時船舶有較好的控制，對整個推進(jìn)系統(tǒng)有較小的影響，較常規(guī)制動方式更不易引起空化，但對制動航速和吊艙角度有嚴(yán)格要求，否則容易導(dǎo)致吊艙推進(jìn)裝置發(fā)生磨損。為滿足該種制動方式的使用限制，吊艙推進(jìn)裝置制造公司制定了相應(yīng)的操縱流程。ABB設(shè)定15 Kn的制動航速限制，當(dāng)航速大于15 Kn時逐步采用“外八字”制動，先將兩吊艙轉(zhuǎn)向船體外側(cè)45°，直至航速降至15 Kn，再將吊艙推進(jìn)裝置轉(zhuǎn)至180°位置。以上文的游船在相同航速工況下進(jìn)行“外八字”制動，制動距離約1 100～1 500 m，制動距離較常規(guī)制動縮短明顯。

5 結(jié)論

本文對雙吊艙推進(jìn)船舶的操縱策略進(jìn)行整理歸納，結(jié)合實(shí)船操縱經(jīng)驗(yàn)對船舶轉(zhuǎn)向、減速和緊急制動下的操縱策略進(jìn)行分析。進(jìn)行右舷轉(zhuǎn)向操縱時，左舷推進(jìn)為指向船外側(cè)75°，右舷推進(jìn)器為指向船體內(nèi)測105°時轉(zhuǎn)向的效率最高。進(jìn)行船舶減速操縱時，可以對吊艙推進(jìn)角度和螺旋槳轉(zhuǎn)速單獨(dú)或者同時調(diào)整，不同操縱策略減速效果不同。船舶緊急制動時，“外八字”制動比常規(guī)制動方式效果更好。