朱哲仁，袁紅良

（1. 中國液化天然氣運(yùn)輸（控股）有限公司，香港特別行政區(qū) 999077）2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

中國首批大型LNG船振動(dòng)問題及解決方案研究

朱哲仁1，袁紅良2

（1. 中國液化天然氣運(yùn)輸（控股）有限公司，香港特別行政區(qū) 999077）2. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

闡述我國首批大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船（1.47×105m3）艉部局部振動(dòng)問題產(chǎn)生的原因及解決方案。通過在船體機(jī)艙線型區(qū)域加裝渦流發(fā)生器等附加裝置，改善流經(jīng)螺旋槳的流場并降低螺旋槳激振力，從而大幅度改善艉部的局部振動(dòng)。對于新造船的振動(dòng)問題，選擇正確的研究方案是成功解決問題的第一步，但受時(shí)間、成本等客觀條件的限制，在研究技術(shù)方案時(shí)可供選擇的手段往往不多，采用水下攝像觀測、傳感器信息采集和計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬分析等技術(shù)手段可大幅提高方案制訂的效率和準(zhǔn)確性。通過剖析 LNG船安裝、優(yōu)化渦流發(fā)生器解決振動(dòng)問題的案例，為相關(guān)問題及其解決方案的研究提供可借鑒的方法和經(jīng)驗(yàn)。

大型液化天然氣船；振動(dòng)；計(jì)算流體力學(xué)分析；渦流發(fā)生器

0 引 言

據(jù)了解，采用傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)推進(jìn)的大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船均不同程度地會(huì)經(jīng)歷振動(dòng)的產(chǎn)生并解決此問題的過程。受限于不同時(shí)期的技術(shù)手段，各有關(guān)船廠及船東在處理該問題時(shí)采用的方法和手段有所不同，達(dá)到的最終效果也存在一定差異。

由我國船廠建造的首批大型LNG船共6艘，采用4葉單槳、雙燃料主鍋爐+蒸汽輪機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，采用4個(gè)貨艙、貫通主甲板、下沉式艉部帶纜甲板及分體式橋樓機(jī)艙棚等典型的薄膜型LNG船布局設(shè)計(jì)。在新造船項(xiàng)目的船舶設(shè)計(jì)階段，采用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法預(yù)測流場和振動(dòng)的技術(shù)尚不成熟，水池試驗(yàn)仍是船廠和船東驗(yàn)證艉部流場狀況的主要手段。

首批LNG船水池試驗(yàn)的結(jié)果顯示，在船舶高速區(qū)段（對應(yīng)最大持續(xù)功率MCR的轉(zhuǎn)速）出現(xiàn)明顯的不平衡流場和低壓空泡區(qū)。分析結(jié)果表明，一階振頻、二階振頻和三階振頻不同程度地在艉部及機(jī)艙棚區(qū)域產(chǎn)生響應(yīng)，蒸汽輪機(jī)主冷卻器排出的冷卻水也一定程度地加劇艉部流場的不均勻性和不穩(wěn)定性，從而使振動(dòng)更甚。借鑒國際上主要LNG船建造廠的經(jīng)驗(yàn)，有觀點(diǎn)認(rèn)為大型單機(jī)單槳LNG船因有特定的船體線型、特定的船速（19.5kn）和特定的推進(jìn)系統(tǒng)（蒸汽機(jī)系統(tǒng)冷卻水量較大）等因素存在，振動(dòng)問題幾乎不可避免，只是振動(dòng)程度有所不同。

根據(jù)ISO 6954（1984）標(biāo)準(zhǔn)，船舶生活區(qū)128Hz頻率內(nèi)的最大振幅應(yīng)<4mm/s，對于機(jī)械處所和甲板區(qū)域，若振幅>9mm/s，則可認(rèn)定為不可接受。盡管該首制船安裝有船舶設(shè)計(jì)方推薦的渦流發(fā)生器（Vortex Generator，VG），但海試結(jié)果表明，艉部舵機(jī)間、艉部帶纜甲板及直升機(jī)平臺等區(qū)域的振動(dòng)依然偏大。振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)在主機(jī)MCR對應(yīng)的最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速附近，連續(xù)建造的1~5號船的情況基本上一致。由于振動(dòng)問題僅發(fā)生在螺旋槳最高轉(zhuǎn)速區(qū)段，船舶日常營運(yùn)過程中基本上可避開該轉(zhuǎn)速，因此相關(guān)問題并沒有影響船舶的正常營運(yùn)。

1 首制船減振方案及效果評估

1.1 方案研究及選擇

船廠、船東和船舶設(shè)計(jì)方研究出各種可供選擇的減振方案，包括：優(yōu)化船體線型；改變船體結(jié)構(gòu)和選擇合適的螺旋槳葉數(shù)避免發(fā)生共振；安裝船體附加裝置改善艉部流場；改變主冷凝器吸排水口的位置，使其影響降到最小；安裝船體脈沖削減裝置（Anti-PHV）減小激振力；安裝被動(dòng)振動(dòng)平衡裝置等。經(jīng)過分析，最終選擇安裝船體附加裝置VG（見圖1），并在此基礎(chǔ)上加裝Anti-PHV（見圖2）。安裝VG的目標(biāo)是改善艉部流場、減小激振力，從而達(dá)到改善振動(dòng)的目的，是主要的減振手段；安裝Anti-PHV可提高螺旋槳上部船體的強(qiáng)度，并有助于將一個(gè)大的脈沖“粉碎”成多個(gè)小的脈沖，可部分“化解”激振力，但其作用有限，本文不展開討論。

船舶設(shè)計(jì)方給出安裝VG和不安裝VG的CFD計(jì)算預(yù)測。預(yù)測結(jié)果表明，安裝VG后振動(dòng)有所減小。以1倍葉頻（5.5Hz）垂向振動(dòng)為例，安裝VG后艉部帶纜甲板的振幅從24mm/s降低到12.4mm/s，舵機(jī)間的振幅從9.6mm/s降低到7.6mm/s。2倍葉頻振動(dòng)不同區(qū)域的情況也有不同程度的改善。簡言之，該CFD計(jì)算預(yù)測給出安裝VG可改善艉部流場、減小振動(dòng)的結(jié)論。

1.2 首次安裝VG效果評估

首制船在出塢前安裝VG，實(shí)船測試結(jié)果并不理想，有關(guān)各方對CFD計(jì)算預(yù)測的準(zhǔn)確性及VG方案的有效性產(chǎn)生懷疑。經(jīng)研究決定，2號船出塢前不安裝 VG，并將其船海試振動(dòng)測量結(jié)果與首制船相比較，以確定VG的有效性。對比結(jié)果顯示，以艉部帶纜甲板和舵機(jī)間2個(gè)測量點(diǎn)為例，首制船和2號船1倍葉頻振幅分別為19.6mm/s與17.9mm/s，9.6mm/s與9.7mm/s，2船的振動(dòng)數(shù)據(jù)沒有本質(zhì)差別。

從前2艘船安裝VG和不安裝VG的振動(dòng)測量結(jié)果中可得出以下結(jié)論：

1) 姊妹船振動(dòng)模型的相似度很高，振動(dòng)形式差異不大；

2) 振動(dòng)偏高的情況僅出現(xiàn)在MCR對應(yīng)的高轉(zhuǎn)速區(qū)，且僅發(fā)生在艉部的舵機(jī)間、帶纜平臺和直升機(jī)平臺上下一線，振動(dòng)問題對船舶營運(yùn)的影響基本上可控；

3) 首制船安裝VG改善艉部振動(dòng)的效果不理想，但安裝VG后全船的總體振動(dòng)有所改善，在沒有更好的方案之前各船繼續(xù)采用該方案。

2 方案的再研究及應(yīng)用實(shí)效

2.1 6號船振動(dòng)問題解決方案研究

前5艘LNG船為連續(xù)建造的姊妹船，交船時(shí)間間隔較短，沒有足夠的時(shí)間窗口來研究、制訂行之有效的解決方案，振動(dòng)問題成為其建造上的一個(gè)缺憾。6號船的建造為該系列船振動(dòng)問題的解決提供了契機(jī)，其與前5艘船之間較長的交船間隔期為該問題的解決提供了可能，且已投入運(yùn)營的各船為該問題的解決提供了較為直觀的研究平臺。為徹底解決振動(dòng)問題，指定英國勞氏船級社下屬的ODS公司參與系列LNG船振動(dòng)問題解決方案的研究，初步確定的研究方向包括改善艉部流場、優(yōu)化螺旋槳和修改船體線型。

1) 改善艉部流場。

不改變船體線型，以改善艉部流場為目的，包括改善VG的安裝位置及形狀、改變主冷凝器冷卻水排水口位置和加噴壓縮空氣等。

2) 優(yōu)化螺旋槳。

研究結(jié)果表明，艉部結(jié)構(gòu)在螺旋槳轉(zhuǎn)速為79 r/m in（設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為83 r/m in）時(shí)產(chǎn)生共振，如采用5葉槳，共振區(qū)域?qū)⒁频?0 r/min附近，預(yù)計(jì)可使高速區(qū)段的振動(dòng)有所改善，但要考慮新的共振頻率下振動(dòng)模式的不確定性。此外，系列船更換螺旋槳成本較高也是需要考慮的因素之一。

3) 修改船體線型。

從設(shè)計(jì)新線型、水池試驗(yàn)到最終確定線型，修改設(shè)計(jì)的工作量大，在6號船上推進(jìn)的時(shí)間也非常緊迫。此外，即使改變線型會(huì)取得滿意效果，也僅是6號船的成功，解決不了包括前5艘船在內(nèi)的系列LNG船的振動(dòng)問題，故不作為主要研究方向。

綜合考慮各方面因素，選擇改善艉部流場的研究方向并將關(guān)注點(diǎn)集中到優(yōu)化VG和更深入地進(jìn)行CFD分析預(yù)測上。

2.2 實(shí)船水下測量

在確定研究方向之后，相關(guān)工作相繼展開，主要包括：

1) 考慮6號船取消直升機(jī)平臺的情況，對船體進(jìn)行建模，做有限元振動(dòng)預(yù)測分析（FEA）；

2) 在運(yùn)營船上進(jìn)行詳細(xì)的振動(dòng)測量，驗(yàn)證有限元分析結(jié)果和建模的準(zhǔn)確性；

3) 在螺旋槳上方的船體上安裝壓力傳感器，采集并記錄艉部流場脈沖壓力數(shù)據(jù)，安裝水下鏡頭對螺旋槳區(qū)域的空泡情況進(jìn)行觀測和攝像，確定激振力產(chǎn)生的直接原因，掌握第一手?jǐn)?shù)據(jù)；4) 利用CFD手段對不同的VG方案進(jìn)行對比測算，遴選出最佳的VG設(shè)計(jì)方案；5) 進(jìn)行水池試驗(yàn)并最終確定解決方案。

實(shí)船測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在2個(gè)與葉頻一致的強(qiáng)脈沖持續(xù)作用在船體上，說明螺旋槳產(chǎn)生較大的激振脈沖（見圖3）。與此同步的水下空泡攝像也證實(shí)了螺旋槳葉面和端部出現(xiàn)空泡及空泡爆裂對船體帶來的強(qiáng)烈沖擊。FEA預(yù)測結(jié)果顯示，船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的范圍較大，很多局部結(jié)構(gòu)是3倍或4倍葉頻共振，全面改變船體結(jié)構(gòu)是不切實(shí)際的，而更換螺旋槳方案的結(jié)果存在不確定性，同時(shí)也堅(jiān)定6號船解決振動(dòng)問題的技術(shù)方案傾向于改善流場、減少空泡及降低激振強(qiáng)度，以有效降低諧振振幅。

2.3 方案對比及選擇

綜合分析實(shí)船測試及其他方面的研究結(jié)果，確定利用 CFD模擬分析在不同形狀、位置和角度下改善流場的效果，對比選擇最佳方案。

利用CFD模擬分析的結(jié)果顯示，不同位置、不同角度的VG對艉部流場的影響大不相同。ODS公司從9個(gè)方案中篩選出的推薦方案為：采用原VG外形尺度設(shè)計(jì)，將原安裝在左側(cè)船體主冷凝器排水口前的VG移至船體后下方某位置。CFD模擬VG處于2個(gè)不同位置時(shí)的艉部流場（見圖4和圖5）。

方案編號 比例 螺旋槳 渦流發(fā)生器冷卻水出口渦流發(fā)生器設(shè)計(jì)方案方案編號 比例 螺旋槳 渦流發(fā)生器冷卻水出口渦流發(fā)生器設(shè)計(jì)方案23 實(shí)船 是 是 是 原始設(shè)計(jì)方案 24 實(shí)船 是 是 是 推薦方案

采用CFD模擬計(jì)算的結(jié)果顯示，采用新VG方案后螺旋槳空泡大幅減少，空泡產(chǎn)生的船體脈沖壓力峰谷差大幅降低（見圖6和圖7）。水池試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了新VG方案對改善艉部流場的效果。最終確定新VG方案為6號船振動(dòng)問題的解決方案。

2.4 方案應(yīng)用實(shí)效及推廣

6號船的海試取得圓滿成功，振動(dòng)測量報(bào)告顯示，在MCR工況下，振動(dòng)最大的艉部帶纜甲板振動(dòng)測量點(diǎn)上的振幅峰值降低到4.3mm/s，全船其他振動(dòng)測量點(diǎn)上的振幅峰值較前5艘船也普遍大幅度降低，乘員舒適度大幅提高，新方案取得滿意效果。6號船典型位置的海試振動(dòng)測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 6號船典型位置的海試振動(dòng)測量數(shù)據(jù)

在6號船上取得滿意的效果后，船東與船廠和船級社商討決定：在1~5號船上推廣實(shí)施6號船的振動(dòng)問題解決方案。以最先進(jìn)塢修改的3號船為例，在按新方案制作、定位和安裝VG之后，船東邀請專業(yè)機(jī)構(gòu)在試航條件下按照試航大綱重新進(jìn)行振動(dòng)測量。測量結(jié)果顯示，新方案實(shí)施后3號船的振動(dòng)大幅度減小，與6號船交船前海試的振動(dòng)數(shù)據(jù)十分接近，新方案在其他姊妹船上也取得了成功。3號船安裝新VG前后振動(dòng)測量數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 3號船安裝新VG前后振動(dòng)測量數(shù)據(jù)對比

與預(yù)期相同，該方案在6號船的姊妹船中具有普遍的適用性，各船取得的效果一致，系列LNG船振動(dòng)問題得到圓滿解決。各船換裝新VG都是在例行塢修時(shí)進(jìn)行的，未對船舶營運(yùn)造成任何影響。此外，作為塢修項(xiàng)目之一，實(shí)施該方案的工作量小、費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益突出。

3 結(jié) 語

在首次建造大型LNG船時(shí)，振動(dòng)問題是需解決的技術(shù)難題之一，受技術(shù)條件限制，國際上不同LNG船建造廠采用的解決方法各有不同，效果也各異，我國首批大型LNG船在解決該問題上走出了一條經(jīng)濟(jì)性好、效果佳的新路。

隨著CFD建模計(jì)算技術(shù)日臻成熟，CFD建模計(jì)算已成為船舶流場預(yù)測計(jì)算的一個(gè)可靠手段，可大幅提高水池試驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。首批傳統(tǒng)大型LNG船振動(dòng)問題的解決得益于CFD建模計(jì)算方法的成功運(yùn)用，相信CFD方法會(huì)在新船型開發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用，應(yīng)用前景也會(huì)越來越廣闊。

水池試驗(yàn)及實(shí)船油耗試驗(yàn)結(jié)果均證明，新VG的使用在解決系列LNG船振動(dòng)問題的同時(shí)，也使船舶螺旋槳的推進(jìn)效率有所提高，相應(yīng)地降低了船舶油耗。在該案例中，安裝VG在解決振動(dòng)問題的同時(shí)，也起到了船舶節(jié)能降耗的作用。根據(jù)船槳配合情況，設(shè)計(jì)合適的VG可有效提高船舶螺旋槳的效率、降低油耗，該領(lǐng)域值得持續(xù)關(guān)注和深入研究。

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Study on the Vibration and Solutions of China￠s First Series of LNG Carriers

ZHU Zhe-ren1，YUAN Hong-liang2
（1. China LNG Shipping (Holdings) Ltd, Hong Kong SAR. 999077, China；
2. Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

This paper elaborates the reason behind the local vibration of stern and its solutions for China’s first series of large Liquefied Natural Gas (LNG) carriers (1.47×105m3). Hull appendages (such as the vortex generator) around the engine region are installed to improve the flow passing the propeller and to reduce the propeller exciting forces. Thus, the local vibration at stern is significantly reduced. To solve the vibration problem of new buildings, selection of a correct research plan is the first step, but there are not many options available due to the limitations of time, cost and other conditions. However, the efficiency and correctness of the plan can be effectively improved w ith underwater imagery, sensor information collection and the simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD). The analysis on the vibration solution for installing and optim izing the vortex generators on LNG carriers would provide references and experience for the solutions of the similar problem.

large LNG carrier; vibration; CFD analysis; vortex generator

U661.44；U674.133.3

A

2095-4069 (2017) 03-0040-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.009

2016-04-15

朱哲仁，男，輪機(jī)長，1967年生。現(xiàn)從事液化天然氣（LNG）運(yùn)輸船項(xiàng)目開發(fā)相關(guān)工作。