某三用工作船動力定位功率估算方法研究

中圖分類號：U661.1 文獻標(biāo)志碼：A

Research on Power Estimation Method for Dynamic Positioning of a Multipurpose Support Vessel

YUAN De1， HUANG Tianxing2， ZHU Wenqian2， ZENG Jiangyi2（1.NavalReprfagoauia;goutioagoa

Abstract： This paper presents a computational method for estimating dynamic positioning （DP） power requirements during the preliminary design phase of a DP2-class multipurpose support vessel. The proposed approach employs empirical formulas to calculate environmental forces （wind， waves，and currents）acting on the hull，enabling the determination of individual thruster power outputs for station-keeping operations.The method demonstrates high computational efficiency and provides reliable reference values for preliminary DP power allocation.

Key words： dynamic positioning; power estimation; wind-wave-current loads; environmental forces

1 引言

動力定位（DP）是一種利用船舶自身推進系統(tǒng)，在不需要錨泊的情況下，使船舶利用其自身動力抵御海上風(fēng)、浪、流的影響，自動保持于設(shè)定位置和方位上的一項技術(shù)，其基本原理是通過感應(yīng)元件及時感應(yīng)和檢測船舶在外界擾動力作用下的水平漂移量和方位偏差，再根據(jù)外界擾動力的影響計算出所需的力和力矩，并對安裝于船舶或平臺上的各推進器進行推力分配計算，發(fā)出指令使各推進器產(chǎn)生相應(yīng)推力，從而使船舶或平臺不斷糾正偏移狀態(tài)，定位于所要求的位置。

船舶動力定位技術(shù)是伴隨著海洋石油工程開發(fā)而產(chǎn)生的，起源于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過60多年的發(fā)展，已是一門成熟的船舶技術(shù)，在各種船舶上均有應(yīng)用，如物探船、勘探船、科考船、半潛船、平臺供應(yīng)船、布纜船、風(fēng)電運維船、起重船以及鉆井船。

在研發(fā)設(shè)計一艘具備動力定位的船舶時，在初步設(shè)計階段即應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件，結(jié)合船舶主尺度和總布置，計算船舶的環(huán)境外力，進而估算各推進器的設(shè)備能力。本文以某三用工作船為例，分析方案設(shè)計階段，基于動力定位需求對各推進器所需功率進行分析和計算。

2 船舶主要參數(shù)

總長 /m 70.70;

垂線間長 /m 63.00;

型寬 /m （204 6.00;

型深 /m （2號 7.20;

吃水m 5.40;

水線以上側(cè)向投影面積（見圖1） /m² 490;

水線以上縱向投影面積（見圖2） /m² 240。

3 計算方法

在對動力定位系統(tǒng)進行設(shè)計時，需對船舶或平臺受到的環(huán)境載荷進行計算。在實際作業(yè)過程中，船舶或平臺受到的環(huán)境力主要有風(fēng)、浪、流，均為不規(guī)則、不定常載荷，難以精確計算。精確的分析定位能力需采用動態(tài)的時域運動模擬分析方法，考慮動態(tài)載荷，獲得實時定位信息，能更加直觀的評價定位能力

時域運動模擬分析需要采用專業(yè)的分析軟件進行分析和計算，如荷蘭MARIN研究所開發(fā)的DPCAP和DPSEMI軟件；此外，一些專業(yè)的供應(yīng)商如著名的動力定位生產(chǎn)公司Kongsberg等都有自己一整套包括定位能力計算和動態(tài)模擬的計算軟件。

在設(shè)計前期，為進行快速估算，將受到的環(huán)境力（風(fēng)、浪、流）視為定常力，通過簡化計算模型，引入經(jīng)驗系數(shù)及經(jīng)驗公式，考慮船體推力系統(tǒng)理論上產(chǎn)生的推力與外環(huán)境載荷靜態(tài)的平衡，雖然較為粗略，但計算簡便快捷，可在設(shè)計階段初步擬定方案使用[2]。

本項自選取某三用工作船作為研究對象，采用上述的第二種方法對動力定位功率進行粗略估算。

4工作海域環(huán)境條件

動力定位是船舶利用多個推進器產(chǎn)生的綜合推進能力抵御海上風(fēng)、浪、流對船的作用力影響，因此首先需要確定環(huán)境條件作為設(shè)計輸入。

環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)船舶的工作海域、作業(yè)工況來確定。本船作為無限航區(qū)作業(yè)船舶，經(jīng)與船東溝通確認(rèn)，采用標(biāo)準(zhǔn)的北海環(huán)境[設(shè)計條件作為最大環(huán)境條件輸入，其設(shè)計條件為風(fēng)速 17.36m/s 、流速 0.75m/s 、浪高 6.14m 0

5推進器配置

動力定位系統(tǒng)用于維持船舶的自身位置和首向位置，因此推進系統(tǒng)需要具備前后左右的推力，以抵御海上風(fēng)、浪、流對船的各個角度的作用力影響。目前具備動力定位的船舶較多地采用艉全回轉(zhuǎn)推進器和f側(cè)推組合，舵槳、吊艙等全回轉(zhuǎn)推進器兼具槳和舵的作用，可在360°的范圍內(nèi)具備 100% 的推力效果，產(chǎn)生前、后和左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的效果；結(jié)合側(cè)推的轉(zhuǎn)動推力效果，可滿足動力定位的推力要求。

根據(jù)不同DP附加標(biāo)志（如DP2、DP3）的要求，推進器的數(shù)量應(yīng)有相應(yīng)的冗余，在任意一個推進器發(fā)生故障（單點故障）時，仍有足夠的動力定位效果。

主推進器的數(shù)量和功率配置除考慮動力定位要求外，還應(yīng)考慮自由航行時航速所需的功率要求，以及其他如拖帶時拖力所需的功率要求等。

本船動力定位要求為DP2，推進器配置為：艉部采用兩個全回轉(zhuǎn)舵槳，部采用一個管式側(cè)推、一個可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器。

6 環(huán)境力計算

6.1風(fēng)力計算

將船舶作業(yè)時所受的風(fēng)力作為定常力進行計算，計算公式如下

式中： F_Xw 為縱向風(fēng)力，N； F_Yw 為側(cè)向風(fēng)力，N； F_w 為 風(fēng)力合力，N； C_Xw 為為無因次縱向風(fēng)力系數(shù)； C_Yw 為 為無因次側(cè)向風(fēng)力系數(shù)； ρ_w 為空氣密度， 1.28kg/m³ ： v_w 為 10m 處風(fēng)速， m/s ： A_T 為縱向受風(fēng)投影面積， m² ： A_L 為側(cè)向受風(fēng)投影面積， m² ○

計算中，取船對準(zhǔn)強風(fēng)向時的向角為 0^° ，風(fēng)力結(jié)算結(jié)果見表1。

6.2水流力計算

將船舶作業(yè)時所受的水流力力作為定常力進行計算，計算公式如下4

F_xc=0.5×C_xc×ρ_c×V_c²×L_BP×T

式中： F_xc 為縱向水流力，N； F_Yc 為側(cè)向水流力，N;F_c 為水流力合力，N； C_Xc 為為無因次縱向水流力系數(shù)； ΔC_Yc 為為無因次側(cè)向水流力系數(shù)；ｐｃ為海水密度，1025kg/m³ ; v_c 為水流速度， m/s ；T為船舶吃水， m L_BP 為垂線間長， m 。

取船對準(zhǔn)水流時的向角為 0^° ，水流力計算結(jié)果見表2。

6.3波浪力計算

波浪力的主體是高頻的振蕩力，這種力使浮體產(chǎn)生周期性的往復(fù)運動，運動幅值一般不大（約 1～3m ）。這種高頻振蕩力是不可能用推力器去克服的，也沒有必要去克服它。對動力定位裝置來說需要克服的波浪力主要是二階漂移力。漂移力可通過理論計算求取，如利用挪威船級社（DNV）編制的SESAM程序，通過理論計算求取波浪力和船舶運動[5。

此外，波浪力還可通過統(tǒng)計分析粗略估算，根據(jù)多年來對實船測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，波浪力一般占環(huán)境載荷的 5%～10%^[2] ，本文按 10% 計算。

F_wv=（F_w+F_c）×0.1

波浪力 F_wv 計算結(jié)果如表3。

7 動力定位功率計算

不考慮風(fēng)力和水流力在各個方向上投影面積和投影面積形心的變化，將船舶側(cè)受風(fēng)面積的形心a視為風(fēng)力的作用點，船舶水下側(cè)面積的形心b視為水流力的作用點，船舶設(shè)計水線的中點c視為波浪力的形心，船舶舵槳中心O作為原點，則通過測量總布置圖可知（見圖3）。

因此風(fēng) F_w 、浪 F_wv 、流 F_c 環(huán)境力和相對于舵槳中心O的力矩 M_w 、 M_wv 、 M_c 計算如表4。

從上可知，當(dāng)風(fēng)浪同向且艏向角為 80^° 時環(huán)境力最大，此時環(huán)境力合力為 138.94kN ，環(huán)境力總力矩為4720.3kN?m 。根據(jù)力矩平衡原理，推進器的推力和產(chǎn)生的力矩應(yīng)與環(huán)境力相等且方向相反。

考慮本船動力定位系統(tǒng)為DP2，即在某一臺推進設(shè)備失效時仍需要保持動力定位的能力。假設(shè)本船的管式側(cè)推推力為 F₁ ，可伸縮式推進器推力為 F₂ ，舵槳推力為 F₃ ，以下分別就可伸縮式推進器失效和一臺舵槳失效兩種工況進行計算，計算各推進器應(yīng)具備的最小推力。

管式側(cè)推、可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器和舵槳距舵槳中心的距離 Od 、Oe和Of如下。

Od=58.5m Oe=56.08m Of=-1.82m

工況一：可伸縮式推進器失效，管式側(cè)推推力 F₂ 和舵槳推力 F₃ 的推力合力及相對于舵槳中心0的力矩M₂ 、 M₃ 計算如下。

F₁+2×F₃=138.94

F₁×56.08-2×F₃×1.82=4720.3

得出 _F1=82.45kN . F₃=26.52kN. 0

工況二：一個舵槳失效，管式側(cè)推、可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器推力 F₂ 和舵槳推力 F₃ 的推力合力及相對于舵槳中心。的力矩計算如下。

F₁+F₂+F₃=138.94

F₁×58.5+F₂×56.08-F₃×1.82=4720.3_c

考慮管式側(cè)推和可伸縮式推進器力臂大小接近，推力相同情況下將更加優(yōu)化，因此得出 F₁=F₂=42.07 kN ； F₃=54.8kN 。

根據(jù)以上工況計算，管式側(cè)推和可伸縮式推進器推力應(yīng)不小于 82.45kN ，舵槳推力應(yīng)不小于54.8kN。實際選用的管式側(cè)推推力為 108kN ，可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器推力 135kN ，舵槳推力為 608kN ，滿足計算要求（見表5）。

8 結(jié)語

在船舶研發(fā)設(shè)計的初期，除應(yīng)第一時間進行主尺度、總布置論證和設(shè)計外，還應(yīng)對動力系統(tǒng)進行估算和配置，通過對動力定位的功率計算，能初步確定動力定位所需推進器的總功率和各推進器的功率分配，幫助設(shè)計人員選擇合適類型、數(shù)量和規(guī)格的推進器，避免因功率不足導(dǎo)致定位能力不夠，或功率過剩造成設(shè)備浪費。

本文基于經(jīng)驗公式計算出船舶的風(fēng)、浪、流等環(huán)境外力，進而估算出船舶進行動力定位時各推進器所需功率大小。經(jīng)后續(xù)設(shè)計驗證表明，初期的估算值與最終設(shè)備的選用值接近，表明該方法具備良好的可行性。該方法應(yīng)用方便，計算快捷，對動力定位功率的初步計算有良好的應(yīng)用參考價值。

參考文獻

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