章紅雨，齊江輝，鄭亞雄

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064)

海洋核動力平臺(以下簡稱“平臺”)是船舶工程與核能工程的結(jié)合，可為作業(yè)海域周圍的海洋平臺和島礁等用戶提供淡水和電力。平臺屬于長期系泊自航式船舶，尾部配置有兩套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。在平臺運(yùn)行期間，尾部推進(jìn)能夠在軟剛臂的安裝與解脫、平臺自航、定點(diǎn)排污和避碰等方面發(fā)揮重要作用。

眾多學(xué)者對在尾部推進(jìn)作用下的船舶動力響應(yīng)進(jìn)行了研究，嚴(yán)新平等[1]從水環(huán)境-船體-推進(jìn)系統(tǒng)動力學(xué)耦合作用、船模試驗(yàn)性能和實(shí)船航行性能等方面，綜合分析了大型船舶推進(jìn)系統(tǒng)與船體耦合的動力學(xué)問題。歐禮堅等[2]采用CFD對粘性流場中導(dǎo)管螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、表面壓力等水動力性能進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。魏春陽等[3]為界定噴水推進(jìn)器的流場控制體，聯(lián)合采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對所有區(qū)域進(jìn)行離散，選擇剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型，并采用穩(wěn)態(tài)多參考系方法求解系統(tǒng)流場。

雖然尾部推進(jìn)在平臺作業(yè)中需要發(fā)揮多種作用，但總體而言包含兩方面，即提供平臺縱向的推力和橫向的旋轉(zhuǎn)力。因此需要對在尾部推進(jìn)作用下的平臺動力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析，并以運(yùn)動和系泊力為目標(biāo)，論證尾部推進(jìn)在每一平臺作業(yè)中的作用。

1 理論概述

平臺由軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)長期定位于渤海海域，綜合考慮海洋環(huán)境條件對船體的激勵載荷，以及由軟剛臂配重提供的系泊回復(fù)力，其時域運(yùn)動方程為[4]：

Fw(t)+Fwd(t)+Fc(t)+Fm(t)

(1)

參考API規(guī)范，本文選用模塊法對平臺風(fēng)載荷進(jìn)行計算，即將水面以上部分分解為多個標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，最后將各構(gòu)件的風(fēng)載荷疊加得到總的載荷[6]。構(gòu)件i承受的風(fēng)載荷計算公式為：

(2)

則總的風(fēng)載荷為：

(3)

總的風(fēng)載荷矩為：

(4)

同樣參考API規(guī)范，選用模塊法計算流載荷，水下部分受到的流載荷計算公式為：

(5)

式中：Vc為設(shè)計流速；Css為流力系數(shù)，515.62 N·s2/m4；Cd為拖曳力系數(shù)；Ac(α)表示流向?yàn)闀r，平臺的迎流面積。

流載荷矩為：

Mc=Fcyx+Fcxy

(6)

式中：Fcx為平臺受到的縱向流載荷；Fcy為平臺受到的橫向流載荷；x為平臺的橫向流載荷距離參考點(diǎn)的力臂；y為平臺的縱向流載荷距離參考點(diǎn)的力臂。

2 計算模型和參數(shù)

2.1 坐標(biāo)系與方向規(guī)定

總體坐標(biāo)系原點(diǎn)位于平臺尾部基點(diǎn)，x軸為船長方向，y軸為船體左舷，z軸垂直向上。規(guī)定風(fēng)浪流傳播方向與總體坐標(biāo)系x軸逆時針夾角為正[7]，如圖1所示。

圖1 風(fēng)浪流方向規(guī)定

2.2 平臺模型

采用水動力學(xué)軟件AQWA對平臺進(jìn)行頻域和時域運(yùn)動響應(yīng)分析，船體網(wǎng)格劃分如圖2所示，共計 23 339個節(jié)點(diǎn)，7 658個單元；軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型如圖3所示，采用tube單元，系泊腿兩端節(jié)點(diǎn)與系泊支架、軟剛臂之間僅能自由轉(zhuǎn)動，軟剛臂末端與塔架相連且可以自由轉(zhuǎn)動[8]。

圖2 船體網(wǎng)格模型

圖3 軟剛臂單點(diǎn)系泊系統(tǒng)模型

2.3 尾部推力參數(shù)

基于平臺設(shè)計方案，初步確定于平臺尾部安裝2臺全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，推進(jìn)器的總功率為2×1 000 kW。根據(jù)NRP140舵槳推力-功率曲線估算，推進(jìn)器可以提供2×16 t～2×17 t的推力，因此選擇推力2×10 t、2×16 t和2×20 t用于計算。在總體坐標(biāo)系中，尾部推力作用點(diǎn)見表1。

表1 尾部推力作用點(diǎn)

2.4 環(huán)境條件

選取以下3種計算工況：

1)自航工況：平臺航行于靜水中，不需要考慮風(fēng)浪流等外部環(huán)境條件對其的影響。

2)作業(yè)工況：平臺在單點(diǎn)系泊狀態(tài)下作業(yè)，系泊系統(tǒng)的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)使得FPSO的系泊力趨于最小。

3)自由工況：在極端惡劣海況下，系泊系統(tǒng)失效后，平臺將進(jìn)行自由慢漂運(yùn)動，此種工況下可用尾部推進(jìn)裝置控制平臺的運(yùn)動。

作業(yè)工況和自由工況的參數(shù)如表2所示。

表2 作業(yè)工況和自由工況參數(shù)

由于平臺具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)[9]，圍繞單點(diǎn)系泊塔回轉(zhuǎn)，不考慮出現(xiàn)較大的橫向風(fēng)流作用。參考相關(guān)文獻(xiàn)[10-12]，選用6種風(fēng)浪流方向Case，見表3所示。

表3 風(fēng)浪流方向組合

3 計算結(jié)果

3.1 自航工況

為確定平臺在給定尾部推力下能夠達(dá)到的航速，計算靜水狀態(tài)下平臺各航速對應(yīng)的總阻力，見圖4?；趫D4結(jié)果插值可知，在尾部推力大小為2×10 t、2×16 t和2×20 t下，平臺能夠達(dá)到的航速分別為6.07 kn、7.66 kn和8.55 kn。由此可以看出，在給定一個尾部推力時，平臺能夠具備一定的靜水航速，此航速足夠平臺自行地移動，不需要拖船進(jìn)行拖航。

圖4 航速-靜水總阻力曲線

3.2 作業(yè)工況

在作業(yè)工況下，分析尾部推力對平臺的縱、橫向運(yùn)動以及水平系泊力的影響。在不同風(fēng)浪流方向組合下，平臺的艏向?qū)②呄蛴谝粋€平衡位置。沿平臺縱向施加一個尾部推力并不能改變平臺的平衡位置，只會影響系泊力的大小以及船艏與系泊塔架的最小安全距離。在不同Case下，縱向施加不同大小的尾部推力對平臺的縱向運(yùn)動和水平系泊力產(chǎn)生的影響如表4所示。

在不同Case下，平臺處于平衡位置時，橫向施加尾部推力可以使平臺圍繞固定塔架進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，沿橫向順時針或逆時針分別施加不同大小的尾部推力對平臺的艏向平衡位置、船艏與軟剛臂系統(tǒng)之間的最小距離以及水平系泊力的影響見表5～表7所示。

由計算結(jié)果可以看出，沿縱向施加尾部推力能夠增大平臺艏部與軟剛臂系統(tǒng)之間的距離，避免平臺和軟剛臂系統(tǒng)發(fā)生碰撞。沿橫向施加一個尾部推力時，可以改變平臺的艏部平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)排污。

表4 縱向尾部推力對縱向運(yùn)動和水平系泊力的影響

注：表4中“/”隔開的四組數(shù)據(jù)依次為無尾部推力、尾部推力2×10 t、2×16 t、2×20 t的結(jié)果。

表5 橫向尾部推力對艏向平衡位置的影響 (°)

注：表5～表7中“/”隔開的兩組數(shù)據(jù)分別為順時針橫向、逆時針橫向施加尾部推力的結(jié)果。

表6 橫向尾部推力對船艏-軟剛臂最小距離的影響 m

表7 橫向尾部推力對水平系泊力的影響 t

3.3 自由工況

根據(jù)總體對尾部推力避碰功能提出的設(shè)計指標(biāo)，在自由工況對應(yīng)的海況下單點(diǎn)系泊失效后，對船體在尾部推力作用下的運(yùn)動軌跡及避碰能力進(jìn)行了評估。

海洋核動力平臺作業(yè)區(qū)域?yàn)榻椫?6-1油田，該油田共有12座采油平臺，由于目前還沒有確定具體的場址位置，本文選取平臺作業(yè)場址周邊的一個海洋工程平臺作為參考障礙物，根據(jù)平臺的主尺度假定障礙物的尺寸為53.5 m(海洋平臺的最大寬度)+81.7 m(平臺總長的一半)=135.2 m。

選取Case2中的風(fēng)浪流方向組合，選取尾部推力的方向范圍為10°～90°，間隔為10°，同時始終保持在尾部推力作用過程中作用方向不變。分析不同尾部推力作用時，平臺與參考障礙物可以避免碰撞的最小安全距離以及尾部推力作用時間，計算結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 尾部推力作用方向-最小安全距離曲線

施加不同的尾部推力時，平臺與參考障礙物避免碰撞的最小安全距離以及最佳尾部推力的作用方向及時間如表8所示。由表8可以看出，自由工況時施加的尾部推力越大，最小安全距離以及尾部推力的作用時間就越小。

表8 最小安全距離

3.4 結(jié)果分析

本文通過研究尾部推進(jìn)裝置對平臺的自航能力、作業(yè)工況時的橫縱向運(yùn)動以及水平系泊力，以及自由工況時的運(yùn)動情況等幾方面產(chǎn)生的影響，分析得到的結(jié)論如下：

1)自航工況：給定一個尾部推力時，平臺能夠達(dá)到6～8kn的靜水航速，此航速足夠平臺自行地移動，不需要拖船進(jìn)行拖航；

2)作業(yè)工況：沿縱向施加一個尾部推力能夠增大平臺艏部與軟剛臂系統(tǒng)之間的距離，避免平臺和軟剛臂系統(tǒng)發(fā)生碰撞，然而效果并不顯著，水平系泊力反而會明顯增加；

3)作業(yè)工況：沿橫向施加一個尾部推力時，可以改變平臺的艏部平衡位置，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)排污。此時沿順時針或逆時針橫向方向施加尾部推力時，水平系泊力差別不大，且船艏-軟剛臂之間的距離也相差不大，但兩種方式對船艏平衡位置改變效果相差較大。這是由于尾部推力的存在會抵消一部分波浪、風(fēng)、流載荷，且橫向施加尾部推力會破壞平臺的風(fēng)標(biāo)效應(yīng)，使平臺不再處于最小環(huán)境力的位置，從而會改變船艏的平衡位置。

4)自由工況：由圖5和圖6可以看出，自由工況時施加的尾部推力越大，最小安全距離以及尾部推力的作用時間就越小，同時也可以看出只需要平臺與參考障礙物之間的距離大于最小安全距離，不同平臺就不會發(fā)生碰撞。

5)自由工況：通過圖5和圖6還可以看出，要在惡劣風(fēng)浪流作用下改變平臺位置，采用尾推方式，需要的推力過大，結(jié)合考慮平臺橫傾較大、對單點(diǎn)的附加作用、使用工況難以確定等因素，尾推并不適合在較高海況下調(diào)整船體艏向。

4 結(jié)論

1)在平臺自航工況、定點(diǎn)排污等作業(yè)情況下，尾部推進(jìn)裝置能夠發(fā)揮較大的作用；

2)在自由工況下需要避碰時，尾部推進(jìn)裝置可以發(fā)揮一定的作用，但是在單點(diǎn)系泊狀態(tài)下，尾部推進(jìn)裝置對避碰的作用較??；尾部推進(jìn)裝置并不能作為單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效后控制船體運(yùn)動的備用選擇，但開啟尾部推進(jìn)裝置后平臺有一定的偏航避碰能力。