固定吊艙式混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)船舶操縱性能的影響分析

林福泉

(中國(guó)船級(jí)社廈門分社，福建 廈門 361000)

對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)由同心的沿船長(zhǎng)方向前后直線排列的，轉(zhuǎn)向相反的2個(gè)螺旋槳組成，前螺旋槳和后螺旋槳均產(chǎn)生向前的作用力，前槳尾流中的渦動(dòng)能量由后槳回收利用從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能[1]。根據(jù)其具體構(gòu)造不同可分為3種形式:①驅(qū)動(dòng)前后2個(gè)相反方向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳的軸由內(nèi)外同心的2根軸組成。外部中空的軸帶動(dòng)前槳轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)部的軸連接后槳；主機(jī)發(fā)出的功率在彈性聯(lián)軸節(jié)處分為兩部分，一半被傳遞到反轉(zhuǎn)齒輪機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)前槳，另一半直接驅(qū)動(dòng)后槳，該種型式齒輪機(jī)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械密封容易失效[1-2]；②柴油機(jī)直接通過軸系驅(qū)動(dòng)前槳推進(jìn)，其后布置一個(gè)吊艙式推進(jìn)器，電動(dòng)吊艙裝置可360°回轉(zhuǎn)代替舵控制船舶航向,常規(guī)推進(jìn)和電力推進(jìn)混合，故被稱為吊艙式混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)(CRP-POD)，該種型式成本高，技術(shù)基本掌握在ABB等少數(shù)廠家手中[3]；③前槳與第二種形式相同，吊艙推進(jìn)器固定在掛舵臂上不可Z向旋轉(zhuǎn)，吊艙后設(shè)置有經(jīng)過改進(jìn)的舵葉，如圖1所示，這種固定式吊艙對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)稱為CRP-Rudderpod。CRP-Rudderpod對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)概念由2010年歐盟與第七框架計(jì)劃內(nèi)的TRIPOD聯(lián)盟提出，該方案使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，活動(dòng)部件數(shù)量減少，系統(tǒng)可靠性增加，降低了CRP系統(tǒng)的安裝和維護(hù)成本，使得CRP系統(tǒng)具備廣泛應(yīng)用可能和良好的推廣價(jià)值，同時(shí)使?fàn)I運(yùn)船改造安裝CRP系統(tǒng)也變得更易于實(shí)現(xiàn)[5]。

圖1 兩種推進(jìn)系統(tǒng)外觀

通過與常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)比較，顯然采用CRP-Rudderpod推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)舵葉距離螺旋槳的距離較大。根據(jù)舵效產(chǎn)生的原理，正車時(shí)，流經(jīng)舵葉的水流，分為螺旋槳正車帶來的排出流和船舶前進(jìn)相對(duì)水自身流速產(chǎn)生的水流速度的頂流，兩者共同作用在有一定角度的舵葉上形成轉(zhuǎn)向力矩。在相同的船速及相同的舵角的情況下，螺旋槳正車帶來的排出流越大舵效越好。使用CRP-Rudderpod推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，螺旋槳位置與舵葉的位置距離加大，可能影響螺旋槳正車帶來的排出流作用在舵葉上的力，從而影響舵效，影響船舶操縱性能。

由于CRP-Rudderpod推進(jìn)系統(tǒng)自概念提出以來未有實(shí)船安裝應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)參考數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)對(duì)于CRP系統(tǒng)的研究仍處在模型試驗(yàn)和水動(dòng)力性能數(shù)值模擬階段[4]。因此，考慮通過對(duì)首次實(shí)船安裝的CRP-Rudderpod推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行航行試驗(yàn)，測(cè)試和分析該系統(tǒng)對(duì)船舶操縱性能的影響，對(duì)后續(xù)混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供實(shí)例數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)船舶基本情況

以某船廠建造的應(yīng)用固定吊艙式混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的集裝箱船為研究對(duì)象，將其航行試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)與其姊妹船首制船的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?；旌蠈?duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)，具有對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)模式和單主機(jī)推進(jìn)模式，考慮對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)前后槳互相影響可能對(duì)舵效有影響而導(dǎo)致船舶操縱性能發(fā)生變化，因此試驗(yàn)針對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)模式和單主機(jī)推進(jìn)模式2種模式分別進(jìn)行測(cè)量和分析。

為下文中討論方便簡(jiǎn)稱使用常規(guī)推進(jìn)的首制船為A船，使用固定吊艙式混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的船舶稱為B船，當(dāng)B船工作在對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)模式時(shí)稱為B1船，在單主槳推進(jìn)模式時(shí)稱為B2船。

A船和B船為同一船廠建造的姊妹船，船型參數(shù)相同，見表1。

表1 某船廠建造的集裝箱船船舶參數(shù)

螺旋槳參數(shù)不同，其對(duì)比情況見表2。

表2 A、B船螺旋槳參數(shù)對(duì)比

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，螺旋槳位置距離舵葉中心線的位置距離發(fā)生了變化，從原來的3 270 mm變成5 130 mm。由于在設(shè)計(jì)時(shí)已預(yù)見螺旋槳與舵葉位置的變化可能對(duì)船舶操縱性能影響較大，因此，加大舵葉的面積用以改善舵效，舵葉面積從A船的26.4 m2，增加到B船27.72 m2。對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)模式時(shí)，主機(jī)通過軸帶發(fā)電機(jī)-變頻器分配一部分功率給吊艙，設(shè)計(jì)前、后槳的功率分配為5∶1。

2 試驗(yàn)對(duì)比

航行試驗(yàn)按照GB-T3471—2011《海船系泊及航行試驗(yàn)通則》和IMO/MSC.137(76)[5]《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行。需要完成的船舶性能試驗(yàn)項(xiàng)目包括：測(cè)速試驗(yàn)，停船試驗(yàn)，回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)，航向穩(wěn)定性試驗(yàn)，Z型操縱試驗(yàn)等。航行試驗(yàn)時(shí)，A、B船在同一海域進(jìn)行，水深50 m，風(fēng)浪條件相近，壓載狀態(tài)相同，首吃水3.4 m，尾吃水7.2 m，排水量21 781.72 t。

2.1 測(cè)速試驗(yàn)分析

混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)船舶B與常規(guī)推進(jìn)姊妹船A的測(cè)速對(duì)比見圖2。測(cè)速同時(shí)測(cè)得的對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率百分比下的油耗對(duì)比見圖3。

圖2 航速對(duì)比

圖3 油耗對(duì)比

對(duì)比可以看出，使用混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的船速曲線B1在主機(jī)功率50%，75%和100%時(shí)均低于常規(guī)推進(jìn)船A，對(duì)轉(zhuǎn)槳在75%～90%時(shí)后槳的提速效果增加，并在90%略超過A船航速。B2船曲線其后槳為隨動(dòng)狀態(tài)，航速較低?；旌蠈?duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)并沒有使得船速得到有效提高，但綜合圖4的油耗情況，B1模式時(shí)其主機(jī)消耗的油耗降低很多，再通過測(cè)得的軸功率比對(duì)發(fā)現(xiàn)，B1模式下測(cè)得的總軸功率約為常規(guī)推進(jìn)船舶的88%～93%，因此可以推斷在選型時(shí)螺旋槳尺寸前槳偏小，前后槳功率匹配還需進(jìn)一步優(yōu)化。此外，發(fā)現(xiàn)B2模式下后槳隨動(dòng)時(shí)，在高轉(zhuǎn)速下隨動(dòng)的后槳對(duì)水流具有較大改善作用，油耗降低異常明顯。

2.2 停船試驗(yàn)

停船試驗(yàn)分為主機(jī)停車慣性停船試驗(yàn)和主機(jī)全速倒車停船試驗(yàn)?？紤]對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)模式時(shí)，船舶速度比單主槳推進(jìn)模式快，只要在對(duì)轉(zhuǎn)模式下慣性和停船性能滿足要求，則在單主槳推進(jìn)模式下也能滿足要求，因此慣性和停船試驗(yàn)僅進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)模式工況的測(cè)量，單主槳推進(jìn)模式不進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量對(duì)比。慣性停船試驗(yàn)和倒車停船試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3、4。

表3 慣性停船試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，B船在航速較低的情況下慣性停船的航跡行程和縱距還較其常規(guī)推進(jìn)姊妹船更長(zhǎng)，停船時(shí)間也較其他姊妹船更長(zhǎng)，表明后槳在慣性停船過程中隨水流轉(zhuǎn)動(dòng)，一定程度上起到引流的作用，加大了慣性停船的距離。

由表4可見，B船在航速稍低的情況下倒車停船的航跡行程還較其他常規(guī)推進(jìn)姊妹船長(zhǎng)很多，停船時(shí)間也較其他姊妹船長(zhǎng)很多。B船倒車停船時(shí)有兩個(gè)因素影響：①全速倒車時(shí)只有前槳反向轉(zhuǎn)動(dòng)，后槳處于隨動(dòng)狀態(tài)，后槳隨動(dòng)相對(duì)前槳在水流前端，對(duì)水流形成一定的擾動(dòng)，影響了前槳倒車的效果。②如表2所示，B船的前槳直徑比常規(guī)推進(jìn)的姊妹船小，槳葉少1葉，因此形成的倒車反向推力也較小。這2個(gè)因素共同作用，加大了倒車停船的距離。但是，根據(jù)“IMO/MSC.137(76)《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定全速倒車停船試驗(yàn)測(cè)得的航跡行程不應(yīng)超過15倍船長(zhǎng)，測(cè)得的數(shù)據(jù)仍在2 800 m的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表4 倒車停船試驗(yàn)結(jié)果

2.3 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)以全速度穩(wěn)定航行開始操舵至兩舷各35°，待船首向角變化達(dá)到540°以上完成一個(gè)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)。從該試驗(yàn)獲得戰(zhàn)術(shù)直徑、縱距、橫距和回轉(zhuǎn)直徑等重要信息，以表征船舶的緊急偏轉(zhuǎn)避碰能力，因此，回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于衡量船舶的操縱性能至關(guān)重要。A船、B船在兩個(gè)模式下的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表5。

表5 回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表5可見：

1)根據(jù)“IMO/MSC.137(76)《船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)》”規(guī)定回轉(zhuǎn)能力衡準(zhǔn)：回轉(zhuǎn)圈操縱時(shí)，縱距應(yīng)不超過4.5倍船長(zhǎng)，回轉(zhuǎn)圈直徑應(yīng)不超過5倍船長(zhǎng)。從以上對(duì)比表格可以看出，B船裝的對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)能力的縱距和回轉(zhuǎn)直徑均遠(yuǎn)小于衡準(zhǔn)值796.5 m和885 m，因此，混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的使用仍保持回轉(zhuǎn)能力較好。

2)與常規(guī)推進(jìn)姊妹船A相比，B1船在對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)工作的情況下，初始航速較低，但回轉(zhuǎn)直徑、戰(zhàn)術(shù)直徑和縱距仍較大，表明對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的安裝使回轉(zhuǎn)能力有所降低。

3)B2和B1相比，單主槳推進(jìn)模式吊艙隨動(dòng)的情況下，初始航速較低，但回轉(zhuǎn)直徑、戰(zhàn)術(shù)直徑和縱距比對(duì)轉(zhuǎn)推進(jìn)工作模式大，表明吊艙不參與推進(jìn)時(shí)，前槳的推出流作用在舵葉上形成舵效的力矩受到后槳的影響，整體回轉(zhuǎn)能力進(jìn)一步降低。

2.4 Z形操縱試驗(yàn)

Z形操縱試驗(yàn)系指當(dāng)船舶偏離初始航向達(dá)到給定角度時(shí)交替向兩舷操一定舵角的操縱，用于衡量偏航糾正能力和航向穩(wěn)定能力。Z形操縱試驗(yàn)分為10°/10°Z形操縱試驗(yàn)，和20°/20°Z形操縱試驗(yàn)，交替向兩舷操10°(20°)舵角使船舶偏離初始航向達(dá)10°(20°)。

根據(jù)“IMO/MSC.137(76)船舶操縱性標(biāo)準(zhǔn)，”Z形操縱試驗(yàn)的衡準(zhǔn)：該型船設(shè)計(jì)航速為14.5 kn，換算為7.459 m/s，可算得 10°/10°Z形操縱試驗(yàn)測(cè)得的第一超越角值不應(yīng)超過16.86°，第二超越角值不應(yīng)超過 35.30°，20°/20°Z形操縱試驗(yàn)第一超越角值不應(yīng)超過25°。操左/右舷10°舵角，首向角離初始航向改變10°時(shí)，船舶的縱距應(yīng)不超過2.5倍船長(zhǎng)。實(shí)船測(cè)得的Z形操縱試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表6、7。

表6 Z形操縱試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比(10°/10°)

表7 Z形操縱試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比(20°/20°)

由表6、7可見，對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)船船舶，其Z形操縱試驗(yàn)的數(shù)據(jù)均滿足IMO/MSC.137(76)決議的要求，偏航糾正能力和初始回轉(zhuǎn)能力與常規(guī)推進(jìn)的姊妹船相差不大。根據(jù)前述回轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果，采用混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的B船其回轉(zhuǎn)半徑較同系列姊妹船大，而超越角卻相差不大。綜合回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Z形操縱試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷，整體回轉(zhuǎn)性能變差，但初期小角度的航向糾正能力沒變，與舵葉面積加大5%響應(yīng)更快有關(guān)(舵機(jī)的操舵時(shí)間一致，平均都為24 s)。

2.5 航向穩(wěn)定性試驗(yàn)

航向穩(wěn)定性試驗(yàn)需要做2個(gè)試驗(yàn)，①在全速情況下穩(wěn)定直線航行3～5 min后，保持舵角不變，測(cè)量記錄羅經(jīng)航向讀數(shù)連續(xù)測(cè)量3～5 min，順流逆流各進(jìn)行1次；②在全速情況下穩(wěn)定直線航行3～5 min后，保持航向不變，測(cè)量記錄為保持航向不變所操舵的最大舵角，連續(xù)測(cè)定3～5 min。實(shí)船進(jìn)行航向穩(wěn)定性試驗(yàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比見表8。

由表8可見，混合對(duì)轉(zhuǎn)漿推進(jìn)系統(tǒng)的后槳無(wú)論是參與推進(jìn)作與否其航向穩(wěn)定性均優(yōu)于常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)的姊妹船。船舶前進(jìn)時(shí)，螺旋槳固定一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)水流形成的推出流有一定的偏轉(zhuǎn)方向，導(dǎo)致船舶固有航向偏轉(zhuǎn)性能，對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)的使用，后槳相對(duì)前槳反向旋轉(zhuǎn)工作，對(duì)推出流的偏轉(zhuǎn)起到改善的作用，因此船舶的航向穩(wěn)定性更好。在后槳不工作處于隨動(dòng)狀態(tài)的時(shí)候，也同樣改善了水流的偏轉(zhuǎn)，船舶的航向穩(wěn)定性更好。

表8 航向穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

3 結(jié)論

1)混合對(duì)轉(zhuǎn)漿推進(jìn)系統(tǒng)使慣性停船距離和倒車停船距離加大，停船性能有所降低，但是仍在IMO要求的范圍內(nèi)。建議提供后槳?jiǎng)x車裝置，可在緊急情況下緊急制動(dòng)后槳，改善船舶停船距離。

2)混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)使用時(shí)試驗(yàn)獲得的回轉(zhuǎn)性能參數(shù)遠(yuǎn)小于IMO要求的衡準(zhǔn)值，整體回轉(zhuǎn)性能較好，但其回轉(zhuǎn)直徑、戰(zhàn)術(shù)直徑和縱距仍有所變大，回轉(zhuǎn)能力有所降低。

3)通過回轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和Z形操縱試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，表明該型混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)雖然使船舶整體回轉(zhuǎn)性能相對(duì)常規(guī)推進(jìn)的姊妹船變差，但通過加大舵葉的面積使初期小角度的航向糾正能力保持基本不變。針對(duì)本例船型，舵葉面積增大5%，保持了航向糾正能力，回轉(zhuǎn)性能有所降低但仍保持原遠(yuǎn)小于IMO要求的衡準(zhǔn)，因此舵葉面積加大的比例較為合理。

4)混合對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)系統(tǒng)使用明顯地改善了船舶的航向穩(wěn)定性。

5)CRP-Rudderpod推進(jìn)系統(tǒng)全球首次在大型貨船上應(yīng)用，雖對(duì)船速的改善未達(dá)到預(yù)期的效果，但在常用轉(zhuǎn)速下可見CRP系統(tǒng)節(jié)油效果明顯，后續(xù)應(yīng)對(duì)前后槳功率匹配，螺旋槳參數(shù)選擇及匹配等問題進(jìn)一步研究，如適當(dāng)加大后槳的直徑或盤面比等，使其達(dá)到更好的提高推進(jìn)效率和節(jié)能效果。