于全虎

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)航標(biāo)監(jiān)管、維護(hù)巡檢和應(yīng)急反應(yīng)任務(wù)主要依靠小型航海保障工作船來(lái)完成，比較先進(jìn)的船型有航標(biāo)夾持船、電磁吸盤(pán)航標(biāo)船等，航標(biāo)拋設(shè)、撤除等作業(yè)一般由大、中型航標(biāo)船承擔(dān)。連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道配套新型航海保障工作船(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新型航保船)是一型多用途小型航海保障工作船(見(jiàn)圖1)，其主要作業(yè)能力覆蓋中、小型航標(biāo)船，造價(jià)卻低于中標(biāo)船。對(duì)該船主推進(jìn)和定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些考慮進(jìn)行闡述分析，希望對(duì)該型航標(biāo)船的推廣應(yīng)用及后續(xù)優(yōu)化提供一些基礎(chǔ)研究。

圖1 連云港港30萬(wàn)噸級(jí)航道配套新型航海保障工作船

1 小型航海保障工作船主推進(jìn)和定位功能需求分析

小型航海保障工作船主要承擔(dān)航標(biāo)監(jiān)管、維護(hù)巡檢和應(yīng)急反應(yīng)任務(wù)，因此需要較高的航速，以滿(mǎn)足快速反應(yīng)的要求；作業(yè)時(shí)船舶必須在低航速下逐漸接近航標(biāo)，這個(gè)過(guò)程中船與航標(biāo)都存在獨(dú)立的升沉、搖擺運(yùn)動(dòng)，所以船舶必須具有良好的操縱性和一定的穩(wěn)定定位能力。

2 船舶推進(jìn)系統(tǒng)形式特點(diǎn)分析

2.1 固定螺距螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)

船舶最常規(guī)的主推進(jìn)系統(tǒng)組成架構(gòu)為主機(jī)、齒輪箱(包括離合器)、艉軸和固定螺距螺旋槳(Fixed Pitch Propeller，F(xiàn)PP，以下簡(jiǎn)稱(chēng)定距槳)，其主要特點(diǎn)：

(1) 螺旋槳的最佳設(shè)計(jì)工況點(diǎn)只能有一個(gè)，即在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的最佳船、機(jī)、槳匹配點(diǎn)，螺旋槳的推進(jìn)特性曲線與主機(jī)的負(fù)荷特性曲線不能完全吻合，往往依據(jù)船舶的主要用途來(lái)設(shè)計(jì)螺旋槳的水動(dòng)力學(xué)特性。在船舶其他工況和軸系—螺旋槳轉(zhuǎn)速下，機(jī)、槳匹配性均較差，螺旋槳不能充分發(fā)揮出主機(jī)的最佳功率，反而導(dǎo)致主機(jī)能耗增大。

(2) 組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低，易于維護(hù)。

(3) 由于槳葉螺距是固定的，船舶的航行速度由螺旋槳的轉(zhuǎn)速確定，槳的轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)靠調(diào)整主機(jī)油門(mén)控制主機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。船舶倒車(chē)需要通過(guò)主機(jī)換向或齒輪箱換向來(lái)改變艉軸—螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，大部分齒輪箱只能在低傳動(dòng)效率下維持短時(shí)間倒車(chē)狀態(tài)。

(4) 柴油機(jī)存在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速(即怠速)，導(dǎo)致定距螺旋槳推進(jìn)船舶的低速航行性能普遍不佳。

2.2 可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)

可調(diào)螺距螺旋槳(Controllable Pitch Propeller，CPP，以下簡(jiǎn)稱(chēng)可調(diào)槳)是通過(guò)在槳轂中設(shè)計(jì)一套操縱機(jī)構(gòu)，操縱槳葉相對(duì)于槳轂轉(zhuǎn)動(dòng)從而進(jìn)行螺距調(diào)節(jié)的螺旋槳。槳的推力和扭矩同時(shí)隨轉(zhuǎn)速和螺距比的變化而改變，從而改變船舶的航速并實(shí)現(xiàn)正車(chē)、倒車(chē)工況。可調(diào)槳裝置主要由軸系、槳轂操縱機(jī)構(gòu)、槳葉、配油器、液壓操縱動(dòng)力系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)等構(gòu)成(圖2為杭齒馬森公司的可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng))，其主要特點(diǎn)[1]：

(1) 可調(diào)槳幾乎可在船用柴油機(jī)上限曲線、最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速線區(qū)域內(nèi)任意搭配轉(zhuǎn)速和螺距比，從而得到給定的航速、推力。

圖2 可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)

(2) 可調(diào)槳通過(guò)調(diào)節(jié)螺距，可以實(shí)現(xiàn)在任何工況下槳均能吸收主機(jī)全功率。重載時(shí)減小槳的螺距，輕載則增大螺距，可使主機(jī)保持不變的扭距和轉(zhuǎn)速，配合相應(yīng)的螺距比，主機(jī)能始終運(yùn)行在額定功率下，對(duì)于需要多種航行工況的船舶，可發(fā)出較大的推力，保持較高的航速。

(3) 通過(guò)螺距角的正、負(fù)調(diào)節(jié)可操控船舶的前進(jìn)和后退，與定距槳相比，可提供更大的反向推力；與定距槳反轉(zhuǎn)須通過(guò)主機(jī)或齒輪箱換向相比，正車(chē)轉(zhuǎn)倒車(chē)的時(shí)間更短；主機(jī)在高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)通過(guò)改變螺旋槳的螺距角可使船舶具有極慢的航速，極大地改善船舶的操縱避碰性能。

(4) 螺旋槳保持轉(zhuǎn)速不變時(shí)，通過(guò)改變螺距進(jìn)而改變推力、扭矩。船舶具有不同的航速，實(shí)現(xiàn)正車(chē)最大航速到倒車(chē)最大航速之間無(wú)級(jí)變速，能實(shí)現(xiàn)船舶超低速甚至微速航行，同時(shí)減少主機(jī)啟動(dòng)與停車(chē)次數(shù)，延長(zhǎng)主機(jī)壽命。

(5) 可調(diào)槳通過(guò)調(diào)節(jié)螺距改變推力和方向，可使主機(jī)恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。在船舶航行時(shí)將主機(jī)功率全部用于驅(qū)動(dòng)船舶全速前進(jìn)；在到達(dá)目的地作業(yè)時(shí)，主機(jī)的大部分功率可用于驅(qū)動(dòng)作業(yè)設(shè)備。

(6) 槳的不同螺距對(duì)應(yīng)不同的效率曲線，每一效率曲線上都有最大效率值，其效率比螺距不變的定距槳要高，經(jīng)濟(jì)性佳。

(7) 更便于集中遙控，順應(yīng)船舶自動(dòng)化程度以及未來(lái)智能船舶的發(fā)展趨勢(shì)。

2.3 全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)

全回轉(zhuǎn)舵槳(以下簡(jiǎn)稱(chēng)全回轉(zhuǎn))推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)舵和槳的一體化，同時(shí)具有螺旋槳的推進(jìn)能力及舵的操縱性能，因而船舶的操縱靈活性有了極大提高。由于螺旋槳能夠繞垂直于水平面方向的軸線做360°的旋轉(zhuǎn)，因此可提供任意航向角度上的最大推力，船舶的操縱性特別靈敏，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)車(chē)、倒車(chē)、橫向移動(dòng)、急停和原地轉(zhuǎn)動(dòng)。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)特別適合需要幾乎原地轉(zhuǎn)向的特種工程船。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)動(dòng)力機(jī)、軸系和舵槳推進(jìn)器構(gòu)成，根據(jù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力方式的不同，分為船用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)典型架構(gòu)如圖3所示。

圖3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)

2.4 全回轉(zhuǎn)可調(diào)螺距舵槳推進(jìn)系統(tǒng)

全回轉(zhuǎn)可調(diào)螺距舵槳(以下簡(jiǎn)稱(chēng)全回轉(zhuǎn)可調(diào)槳)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)器一般由上齒輪箱、井箱、中立軸、下齒輪箱、螺旋槳、導(dǎo)流管、舵角反饋裝置、液壓系統(tǒng)等組成?？勺兟菥嗦菪龢~、槳榖和調(diào)距機(jī)構(gòu)。導(dǎo)流管用于包覆舵槳裝置的螺旋槳，可以增強(qiáng)螺旋槳的水動(dòng)力性能，提高效率。全回轉(zhuǎn)可調(diào)螺距舵槳推進(jìn)系統(tǒng)典型構(gòu)成如圖4所示[2]。

圖4 全回轉(zhuǎn)可調(diào)螺距舵槳推進(jìn)系統(tǒng)

全回轉(zhuǎn)可調(diào)螺距舵槳推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了全回轉(zhuǎn)和可調(diào)槳兩種推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述兩者，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，維修保養(yǎng)需要較高的技能，后續(xù)使用費(fèi)用昂貴，目前實(shí)用案例較少。

2.5 電力推進(jìn)系統(tǒng)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由發(fā)電模塊、配電模塊、推進(jìn)模塊、推進(jìn)器模塊、能量控制管理模塊(Power Management System，PMS)等構(gòu)成，其主要特點(diǎn)[3]：

(1) 電機(jī)在各種正、反轉(zhuǎn)速下都能提供恒定轉(zhuǎn)矩，推進(jìn)系統(tǒng)可得到最佳工況特性，同時(shí)操縱控制簡(jiǎn)單，起動(dòng)加速性能、制動(dòng)性能、正反轉(zhuǎn)切換性能以及船舶的操縱性能優(yōu)良。

(2) 可根據(jù)用電設(shè)備的總需求功率確定在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量，因而發(fā)電機(jī)都能工作在理想負(fù)荷狀態(tài)，提高原動(dòng)機(jī)的燃燒效率，減少機(jī)器的尾氣排放，推進(jìn)系統(tǒng)更加綠色環(huán)保。

(3) 與機(jī)械軸系直接連接推進(jìn)相比，電力推進(jìn)有發(fā)動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而比機(jī)械推進(jìn)效率更低，尤其是采用中小功率推進(jìn)常用的交-直-交變頻調(diào)速，中間經(jīng)歷兩次電能轉(zhuǎn)換，效率會(huì)更低。

(4) 發(fā)電機(jī)可安裝于整體彈性座上，以額定狀態(tài)運(yùn)行，與機(jī)械軸系及船體結(jié)構(gòu)無(wú)連接，極大地降低了振動(dòng)和噪聲，非常有利于控制船舶的噪聲和振動(dòng)。

(5) 電力推進(jìn)比常規(guī)機(jī)械推進(jìn)初始投資成本更高，導(dǎo)致船舶建造成本高25%左右。

(6) 無(wú)需傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械軸系，僅需要?jiǎng)恿涂刂齐娎|連接，機(jī)電設(shè)備布置的靈活性大幅提高。

(7) 電力推進(jìn)含有較多的電氣、電力電子設(shè)備以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等，對(duì)船舶設(shè)計(jì)人員及船電維修技術(shù)人員的技能要求更高。

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要類(lèi)型有推進(jìn)電機(jī)通過(guò)軸系驅(qū)動(dòng)螺旋槳的形式和吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)(Electric Propulsion System，以下簡(jiǎn)稱(chēng)POD)。POD系統(tǒng)費(fèi)用很高，需要一定的安裝空間，小型船舶船體較小，不適宜安裝吊艙推進(jìn)系統(tǒng)。未來(lái)電力推進(jìn)還可與LNG燃?xì)獍l(fā)電機(jī)結(jié)合使用，進(jìn)一步提高其環(huán)保經(jīng)濟(jì)性。此外，帶超級(jí)電容或高效能鋰電單元的混合電力推進(jìn)系統(tǒng)可通過(guò)儲(chǔ)能單元回收多余電能的方式進(jìn)一步提高船舶節(jié)能率，同時(shí)解決電站供給功率與推進(jìn)功率提升的時(shí)間差問(wèn)題，可進(jìn)一步提高船舶中央電網(wǎng)供電的可靠性和穩(wěn)定性，也是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

2.6 小型航海保障工作船主推進(jìn)系統(tǒng)分析

可調(diào)槳、全回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜，安裝、保養(yǎng)及修理需要專(zhuān)業(yè)人員，且費(fèi)用遠(yuǎn)高于定距槳系統(tǒng)。全回轉(zhuǎn)可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)的復(fù)雜性、價(jià)格高的缺點(diǎn)更加明顯，目前還鮮有使用的例子。系統(tǒng)復(fù)雜必然帶來(lái)可靠性較差，并且可調(diào)槳由于槳轂較大，槳葉根部容易產(chǎn)生空泡，效率較定距槳低3%～4%，全回轉(zhuǎn)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率也低于定距槳。

3 小型航海保障工作船定位系統(tǒng)分析

海洋作業(yè)船舶的定位系統(tǒng)主要有錨泊定位、動(dòng)力定位(Dynamic Positioning，DP)、錨泊+動(dòng)力定位等3種主流形式。

3.1 錨泊定位

一般船舶上都必備錨泊定位系統(tǒng)，設(shè)置多個(gè)拋錨裝置，通過(guò)多點(diǎn)拋錨的方法控制船舶在水上的位置。這種定位方法的突出特點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠性高，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性好，常用于淺水區(qū)域作業(yè)。水深的增加會(huì)導(dǎo)致錨的抓底力減小，而且拋錨作業(yè)也越發(fā)困難，錨鏈長(zhǎng)度、強(qiáng)度和重量也要同步增加，水上的布鏈作業(yè)也會(huì)變得愈加復(fù)雜，導(dǎo)致錨泊定位系統(tǒng)布置困難，造價(jià)增加較大。

3.2 DP系統(tǒng)

DP系統(tǒng)的基本工作原理是系統(tǒng)的中央處理器將船舶的預(yù)估位置、船首方向等與設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)預(yù)設(shè)的控制策略，給推進(jìn)器發(fā)出指令，推進(jìn)器推動(dòng)船舶調(diào)整位置，保持船舶在設(shè)定點(diǎn)上的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。DP系統(tǒng)具備自動(dòng)采集風(fēng)、浪、流和其他環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪芰?，定位精度高、不破壞海床結(jié)構(gòu)、不受水深影響、成本不隨水深增加而提高，特別適用于海洋工程作業(yè)領(lǐng)域。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization，IMO)和各大船級(jí)社都對(duì)DP系統(tǒng)提出相應(yīng)規(guī)范要求[4-8]，主要考慮可靠性和冗余度設(shè)計(jì)將DP系統(tǒng)分為3個(gè)等級(jí)：DP1為單故障下可能發(fā)生定位失常；DP2為有源組件或發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、配電盤(pán)、遙控閥門(mén)等單故障時(shí)不會(huì)發(fā)生定位失常，但電纜、管道、手控閥等靜態(tài)元件發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生定位失常； DP3為任何單故障都不會(huì)導(dǎo)致定位失常。

3.3 錨泊+動(dòng)力定位

在1 500 m左右的水深范圍內(nèi)錨泊輔助動(dòng)力定位效果較為理想，錨泊輔助動(dòng)力定位結(jié)合錨泊定位和動(dòng)力定位的優(yōu)點(diǎn)，是較為理想的海上固定作業(yè)結(jié)構(gòu)物的定位方式。

3.4 小型航海保障工作船定位系統(tǒng)分析

根據(jù)航海保障工作船的作業(yè)特點(diǎn)，DP系統(tǒng)不需要船舶首向要求，因而可較大地降低動(dòng)力系統(tǒng)的功率配置要求，節(jié)省初期投資和后期維護(hù)費(fèi)用，DP系統(tǒng)更適合與電力推進(jìn)系統(tǒng)配合使用，主電力推進(jìn)裝置可兼作DP系統(tǒng)的推力器[9]。此外，側(cè)向推進(jìn)裝置和襟翼舵也是提高船舶低速下操縱性和定位能力的有效途徑。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于小型航海保障工作船主推進(jìn)和定位功能的需求分析，梳理對(duì)比目前主流船舶推進(jìn)系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定新型航保船的首制船采用常規(guī)定距槳推進(jìn)及錨泊定位的高性?xún)r(jià)比方案，符合該型船配備于基層航標(biāo)管理單位的定位，實(shí)現(xiàn)低造價(jià)、實(shí)用性強(qiáng)、突出的性?xún)r(jià)比、能廣泛推廣的研制目標(biāo)，可作為海事系統(tǒng)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)船型。同時(shí)通過(guò)對(duì)多種推進(jìn)和定位模式的分析，為今后通過(guò)模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇不同類(lèi)型的主推進(jìn)和定位形式，形成系列化船型構(gòu)建了技術(shù)基礎(chǔ)。航海保障單位可根據(jù)自身需求通過(guò)不同的模塊搭配進(jìn)行選擇性建造，在以航標(biāo)作業(yè)為主的基礎(chǔ)上派生出多用途船型，延長(zhǎng)基礎(chǔ)船型的技術(shù)壽命，形成更大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，符合當(dāng)今船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

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