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(1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司,天津 300457;2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 201203)

1 項(xiàng)目背景

為配合LNG物流網(wǎng)的建設(shè)，保障LNG站線間的運(yùn)輸需求，有必要研發(fā)和建造一種適用于國(guó)內(nèi)沿海終端之間進(jìn)行LNG二程駁運(yùn)的小型LNG運(yùn)輸船。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，30 000 m3LNG運(yùn)輸船應(yīng)運(yùn)而生，其功能定位如下。

1)適合國(guó)內(nèi)沿海港口之間的LNG運(yùn)輸，且能從東南亞、澳洲或中東運(yùn)送LNG至國(guó)內(nèi)。

2)主要的目標(biāo)航線為中國(guó)沿海的大型LNG接收終端和二級(jí)站之間，其航程距離都不遠(yuǎn)，單航次的日程較短，靠離港作業(yè)頻繁。

3)具備進(jìn)入長(zhǎng)江航道，到達(dá)張家港的能力。

4)具備自力靠離港的能力。

從上述功能定位來(lái)看，30 000 m3LNG運(yùn)輸船在港口航道、內(nèi)河狹窄水域航行的時(shí)間增加，靠離泊作業(yè)頻繁。

在確定采用單槳還是雙槳方案時(shí)，要考慮一個(gè)重要的船型參數(shù)——船寬吃水比。船寬吃水比越大，其操縱性能越難以保證。一般認(rèn)為船寬吃水比小于2.5，則不需要雙槳。船寬吃水比在2.5～4.0之間的既可以采用單槳，也可以采用雙槳。船寬吃水比大于4.0的應(yīng)該采用雙槳[1]。30 000 m3LNG船的船寬吃水比為3.75，從這一角度判斷既可以采用單槳也可以采用雙槳。

由于LNG船受風(fēng)面積大的特點(diǎn)，對(duì)于推進(jìn)配置為單槳單舵的LNG運(yùn)輸船，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自力靠離泊的目標(biāo)。因此，單槳單舵推進(jìn)方案是不能滿足用船方新的要求的。

基于上述的原因，有必要要增加該船在低速下的操縱性能以達(dá)到優(yōu)秀的港內(nèi)機(jī)動(dòng)性。雙槳船型在港內(nèi)機(jī)動(dòng)性上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，能滿足租船方的要求。另外LNG船的優(yōu)秀機(jī)動(dòng)性可以大大提高LNG船靠離碼頭時(shí)的安全性，這對(duì)于LNG船和碼頭都是至關(guān)重要的。

鑒于本船的用途基本固化且已明確，應(yīng)該將推進(jìn)配置由單槳單舵改為操縱性更好的雙槳配置。

2 備選方案描述

為了選擇最適合30 000 m3LNG運(yùn)輸船的推進(jìn)配置，對(duì)以下幾種推進(jìn)方式進(jìn)行比較。

方案1，常規(guī)軸系雙機(jī)雙可調(diào)槳電力推進(jìn)。

方案2，常規(guī)軸系雙機(jī)雙定距槳電力推進(jìn)。

方案3，全回轉(zhuǎn)Z型機(jī)械傳動(dòng)的舵槳推進(jìn)方式。

方案4，吊艙推進(jìn)方式(azipod)。

文中所述4種方案均為雙燃料電力(DFDE)推進(jìn)系統(tǒng)。DFDE主推進(jìn)系統(tǒng)包括雙燃料發(fā)電柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)、主推進(jìn)變壓器、主推進(jìn)變頻器、主推進(jìn)電機(jī)、主推進(jìn)制動(dòng)電阻和主推進(jìn)控制系統(tǒng)、齒輪箱、軸系和螺旋槳以及舵系。

幾種推進(jìn)方案中，雙燃料發(fā)電柴油機(jī)、主推進(jìn)變壓器、主推進(jìn)變頻器等設(shè)備配置相同，見表1。

表1 各種推進(jìn)方案的相同部分

2.1 方案1，常規(guī)軸系雙機(jī)雙可調(diào)槳電力推進(jìn)

通過(guò)雙燃料主發(fā)電機(jī)組提供電源給主配電板，主配電板通過(guò)主推進(jìn)變壓器和主推進(jìn)變頻器饋電給主推進(jìn)電機(jī)，由兩臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)各驅(qū)動(dòng)一套齒輪箱、軸系和可調(diào)螺距螺旋槳。

除表1所列設(shè)備外，其他主要設(shè)備見表2。

表2 推進(jìn)方案1

2.2 方案2，常規(guī)軸系雙機(jī)雙定距槳電力推進(jìn)

通過(guò)雙燃料主發(fā)電機(jī)組提供電源給主配電板，主配電板通過(guò)主推進(jìn)變壓器和變頻器饋電給主推進(jìn)電機(jī)，由兩臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)各自驅(qū)動(dòng)一臺(tái)減速齒輪箱、軸系和定距螺旋槳。

除表1所列設(shè)備外，其他主要設(shè)備見表3。

表3 推進(jìn)方案2

2.3 方案3，雙全回轉(zhuǎn)Z型機(jī)械傳動(dòng)的舵槳電力推進(jìn)

通過(guò)雙燃料主發(fā)電機(jī)組提供電源給主配電板，主配電板通過(guò)主推進(jìn)變壓器和主推進(jìn)變頻器饋電給兩臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)，由兩臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)各自驅(qū)動(dòng)一套全回轉(zhuǎn)舵槳系統(tǒng)。

除表1所列設(shè)備外，其他主要設(shè)備見表4。

表4 推進(jìn)方案3

舵槳是靠機(jī)械軸系傳動(dòng)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，廣泛運(yùn)用在全回轉(zhuǎn)拖船和有動(dòng)力定位要求的海洋工程船舶上。瓦錫蘭，Rolls Royce和Schottel等廠家都能提供舵槳設(shè)備。

根據(jù)推進(jìn)器艙的安裝空間(高度)以及采購(gòu)成本對(duì)推進(jìn)電機(jī)的不同要求，舵槳分為“Z”驅(qū)動(dòng)型和“L”驅(qū)動(dòng)型。上海船舶研究設(shè)計(jì)院已經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)的幾型船有“Z”型驅(qū)動(dòng)也有“L”型驅(qū)動(dòng)，其布置見圖1～3。

圖1 “海洋石油708”Z型舵槳布置

圖2 “海洋石油286”L型舵槳布置

圖3 R&R AZP 150拉式槳布置

從螺旋槳推進(jìn)方式來(lái)分，全回轉(zhuǎn)舵槳又可分為推式槳和拉式槳。推式槳廣泛用于有系柱拖力要求的海洋拖船，多采用導(dǎo)管槳形式。船舶航速一般不大于15 kn。拉式槳是專為航速較高的船舶開發(fā)，它的布置形式?jīng)Q定了拉式槳具有更好的螺旋槳來(lái)流，從而得到更高的螺旋槳效率，見圖4。

圖4 拉式槳來(lái)流情況示意

對(duì)轉(zhuǎn)槳是在同一個(gè)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器上安裝兩個(gè)螺旋槳，見圖5。

圖5 對(duì)轉(zhuǎn)槳

對(duì)轉(zhuǎn)槳的前部為主螺旋槳，為拉式槳，產(chǎn)生主要的推進(jìn)力，因此拉式槳具有的優(yōu)勢(shì)對(duì)轉(zhuǎn)槳也能擁有。同時(shí)，在推進(jìn)器的后部設(shè)置一對(duì)轉(zhuǎn)的螺旋槳可有效回收拉式槳尾流損失的能量，大大提高螺旋槳的效率。由于推進(jìn)負(fù)荷由兩個(gè)螺旋槳分擔(dān)，槳葉的負(fù)荷也可以降低[2]。

本船的設(shè)計(jì)服務(wù)航速為16.5 kn，15%的海上風(fēng)浪裕量。推進(jìn)電機(jī)的功率大約為每臺(tái)4 000 kW。適用的推進(jìn)器見表5。圖6為Rolls-Royce的Azipull拉式槳。

表5 適用(功率)推進(jìn)器

圖6 Rolls Royce 的Azipull舵槳

2.4 方案4，雙緊湊型吊艙電力推進(jìn)

通過(guò)雙燃料主發(fā)電機(jī)組提供電源給主配電板，主配電板通過(guò)主推進(jìn)變壓器和主推進(jìn)變頻器饋電給兩臺(tái)緊湊型吊艙推進(jìn)器的永磁電機(jī)，驅(qū)動(dòng)吊艙的螺旋槳。吊艙推進(jìn)器為360°全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。

除表1所列設(shè)備外，其他主要設(shè)備見表6。

表6 推進(jìn)方案4

ABB的緊湊型Azipod吊艙推進(jìn)器包含了一個(gè)轉(zhuǎn)舵單元(Steering Unit)和一個(gè)推進(jìn)單元(Thruster Unit)。轉(zhuǎn)舵單元安裝在船體內(nèi)，可以提供360°全回轉(zhuǎn)能力。推進(jìn)單元呈“L”形布置，電機(jī)內(nèi)置于浸沒(méi)與海水中的吊艙內(nèi)，配轉(zhuǎn)速受控型定距螺旋槳，一般采用拉式槳布置[3]。

由于減少了曲折軸系之間的機(jī)械傳動(dòng)，吊艙推進(jìn)的軸系效率要好于舵槳。ABB的緊湊型吊艙分為CO和CZ兩種型號(hào)。CO型推進(jìn)器用于豪華游艇、渡船和運(yùn)輸船等。CZ型是帶導(dǎo)流罩的推進(jìn)器，適合大推力的應(yīng)用。本船適用的Azipod型號(hào)為CO1400型。

由于將電動(dòng)機(jī)置于吊艙內(nèi)，Azipod的水下吊艙部分長(zhǎng)度要大于舵槳，見圖7。以CO1 400為例，其長(zhǎng)度達(dá)到6 m，而一般舵槳的長(zhǎng)度僅為4 m。如果尾部的水下線型和空間不合適，就不能選用吊艙式推進(jìn)器。對(duì)于30 000 m3LNG船，其船寬和線型都適合安裝吊艙推進(jìn)器。

圖7 吊艙電力推進(jìn)布置

3 操縱性能對(duì)比

需要指出的是本文中討論的操縱性，也即30 000 m3LNG運(yùn)輸船所關(guān)注的操縱性能，并非常規(guī)航行中的操縱性能。

30 000 m3LNG運(yùn)輸船所關(guān)注的操縱性能是港內(nèi)的機(jī)動(dòng)性能，是在低航速甚至零航速下的操縱性能。包括了：①零航速掉頭能力;②穩(wěn)定航行最低航速能力;③水平橫移能力。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器(包括舵槳和吊艙)在操縱性能上的優(yōu)異性能就體現(xiàn)在這種情況下。

3.1 單槳單舵船舶與雙槳雙舵船舶的港內(nèi)操縱性對(duì)比

單槳單舵船舶在低速航行時(shí)，舵效會(huì)降低。在零航速下，舵力接近于零。單槳船舶在靠離碼頭時(shí)，需要使用多條拖船協(xié)助。

雙槳雙舵船舶與單槳船舶港內(nèi)操縱方式最大的區(qū)別是：雙槳雙舵船舶在低速或零速時(shí)，可以利用自身的操縱設(shè)備——雙槳、雙舵、側(cè)推器，實(shí)現(xiàn)船舶自身的橫向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自力靠離碼頭。

雙槳雙舵船舶在橫向運(yùn)動(dòng)操縱中，一個(gè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，一個(gè)螺旋槳反轉(zhuǎn)；正轉(zhuǎn)螺旋槳后面的舵操一舵角，反轉(zhuǎn)螺旋槳后的舵，舵角置零。同時(shí)，首側(cè)推工作，抵消船艏偏轉(zhuǎn)的力矩。雙槳雙舵船在螺旋槳、舵、艏側(cè)推的綜合作用下可以橫向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自主靠離泊的目的[4]。

雙槳船在自力靠泊時(shí)的橫向移動(dòng)力來(lái)自艉部的舵力，艏部的側(cè)推用于抵消反向的力矩，效率較低，操縱難度比較大。

3.2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的操縱性能

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)器軸線可以在水平面360°內(nèi)自由回轉(zhuǎn)，推進(jìn)螺旋槳兼做動(dòng)力舵，使船舶具有很好的操縱性能，加上艏側(cè)推的配合，船舶可以在較小的半徑內(nèi)原地回轉(zhuǎn)，也可以橫移，船舶的操縱性、機(jī)動(dòng)性大大提高，靠泊作業(yè)更加安全、快捷。[5]

在低速航行操縱性能方面，舵槳和吊艙推進(jìn)方式性能接近。以下根據(jù)ABB提供的實(shí)船結(jié)果來(lái)分析全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的操縱性能。

1)回轉(zhuǎn)性能。配備全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船舶和配置常規(guī)軸系的姐妹船相比，回轉(zhuǎn)性能優(yōu)異。根據(jù)廠家的實(shí)測(cè)結(jié)果，前者的回轉(zhuǎn)直徑約為后者的50%～60%。

2)急停性能。吊艙推進(jìn)船舶的急停距離一般為軸系船舶的60%～70%。

3)港口機(jī)動(dòng)性能。依靠全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的靈活性，船舶可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和自力靠泊。

另外，上海船舶研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的煙大鐵路輪渡渡船采用了Azipod加艏側(cè)推的配置。通過(guò)船模試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試，可以證明煙大渡船具有優(yōu)異的港內(nèi)機(jī)動(dòng)性能。

30 000 m3LNG運(yùn)輸船的主尺度和煙大線較為接近，因此煙大線的實(shí)船數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的參考性。煙大線渡船的低速操縱性能主要體現(xiàn)在：①純橫移運(yùn)動(dòng)能力；②原地調(diào)頭能力；③側(cè)斜平移運(yùn)動(dòng)能力。

試航中，對(duì)以下幾種特殊操縱性能進(jìn)行了測(cè)試。

1)零航速調(diào)頭試驗(yàn)。

表7為煙大線的實(shí)船原地掉頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表7 煙大線原地掉頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2)保持航向穩(wěn)定最低航速試驗(yàn)。最低航速為2.4 kn。

3)橫移試驗(yàn)。橫移能力是保證船舶自力靠離港的先決條件。表8為煙大線的實(shí)船橫移試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表8 煙大線橫移試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從上述試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，配置了Azipod的船舶低速操縱性能極佳，在零航速時(shí)配合艏側(cè)推聯(lián)合操作可近似原地調(diào)頭和船舶橫移，完全可以實(shí)現(xiàn)自力靠離港作業(yè)。根據(jù)煙大線船東使用的經(jīng)驗(yàn)，采用吊艙推進(jìn)的“中鐵渤海1號(hào)”、“中鐵渤海2號(hào)”可在8級(jí)風(fēng)時(shí)靠自身動(dòng)力進(jìn)行靠離碼頭作業(yè)，而渤海灣其他客滾船在這種條件下只能借助拖輪完成。這就大大加強(qiáng)了船舶的安全性，也減少了拖船開支。

4 結(jié)論

1)方案3(舵槳方案)的投資最高，其他方案都較為接近。

2)方案3(舵槳方案)和方案4(吊艙方案)操縱性能最佳，雙槳方案其次，單槳方案較差。

3)方案4(吊艙方案)和方案3(舵槳方案)相比，由于吊艙方案水下部分布置有推進(jìn)電機(jī)而導(dǎo)致其體積較大，將使同等直徑的螺旋槳效率降低，而Z型舵槳方案推進(jìn)電機(jī)位于船內(nèi)，其水下部分可以進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)以保證螺旋槳的效率最大化。從整個(gè)推進(jìn)鏈來(lái)說(shuō)，Z型舵槳的效率要略高于吊艙推進(jìn)型式。

對(duì)各個(gè)方案的綜合對(duì)比如下。

4種方案的不同之處主要在于推進(jìn)機(jī)械部分，見表9。

由于上述差異的存在，以及不同方案對(duì)船體布置和設(shè)計(jì)的影響，表10列出了各個(gè)方案在性能方面有所不同。

表9 4個(gè)方案的主要配置

表10 4個(gè)方案的主要性能

綜上比較，采用Z型舵槳方案作為該船推進(jìn)型式較合理。該船最終選擇了Rolls-Royce的AZP 150拉式槳作為推進(jìn)器。

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