康美澤，李小軍，韓康，汪春輝

1. 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2. 哈爾濱工程大學 船舶工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

日臻完善的造船規(guī)范對新建船舶的性能有著愈來愈高的要求，同時日益精進的造船技術為船舶性能的提升提供了保障。尤其是吊艙推進裝置的成功應用極大地提升了船舶的操縱性、安全性和經(jīng)濟性等性能，被廣泛應用于LNG(liquefied natural gas)運輸船、豪華郵輪和破冰船等對操縱性要求較高的船舶。

與槳舵操縱系統(tǒng)不同，吊艙推進裝置能夠在360°內(nèi)水平轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)矢量推進并完成船舶操縱，無需槳舵配合，因而在操縱策略上，配有吊艙推進裝置的船舶與常規(guī)推進器船舶有著很大的不同。近年來，國內(nèi)外已有眾多學者針對吊艙推進裝置展開研究，Oosterveld等[1]將KA系列導管槳與吊艙推進裝置組合并研究其水動力性能，Ball等[2]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)吊艙推進裝置操縱過程中會導致水動力載荷劇增，Yakolev等[3]發(fā)現(xiàn)采用理論分析與經(jīng)驗公式結合的方法可以較為準確地評估吊艙推進裝置的性能，Islam等[4-5]研究了艙體對邊界層厚度和渦旋發(fā)展的影響，Ball等[6]在研究中給出了吊艙推進裝置緊急制動和一般停靠下的操縱策略建議。張媛、韓陽等[7-8]對配有吊艙推進器的冰區(qū)船舶的操縱性特征進行了整理歸納。劉洪梅等[9]對比了傳統(tǒng)推進器與吊艙推進器水動力性能差異。

對現(xiàn)有研究成果進行整理歸納可以發(fā)現(xiàn)：目前為止，大部分學術成果主要集中在吊艙推進器的性能分析預報，僅有少量文獻研究了吊艙推進裝置的操縱策略。為了深入掌握吊艙推進器的操縱特點，并為吊艙推進器的設計提供基本工況要求，本文從吊艙推進系統(tǒng)組成、水動力特性和操縱策略幾個方面進行歸納和總結。

1 吊艙推進系統(tǒng)組成

應用吊艙推進裝置，船舶需配備專門的電氣系統(tǒng)，主要包括電力產(chǎn)生系統(tǒng)和電力分配系統(tǒng)，如圖1所示，涉及發(fā)電機組、控制臺、變壓器和頻率轉(zhuǎn)換器等主要部件。

圖1 吊艙推進電氣系統(tǒng)

吊艙推進裝置由多個子系統(tǒng)和部件組成，一般包括槳葉、電機和回轉(zhuǎn)裝置等結構，圖2為典型的Mermaid吊艙推進裝置示意圖[10]。吊艙推進裝置根據(jù)需要存在多種布局設計方式，如圖3所示，可以適配多種類型的船舶。

圖2 Mermaid吊艙結構

圖3 吊艙推進布局方式

吊艙推進裝置的操縱手柄一般可對吊艙主機轉(zhuǎn)速和吊艙的方向進行同時控制，如圖4(a)所示，并可通過操縱面板對操縱指令進行復查，如圖4(b)所示，避免操縱指令錯誤。

圖4 吊艙推進裝置操縱臺

2 轉(zhuǎn)向操縱

2.1 吊艙推進裝置性能變化

船舶以某一航速轉(zhuǎn)向時，槳盤面處的來流攻角和速度都將會發(fā)生劇烈變化，并且導致配備雙推進器的船舶左右兩側(cè)的吊艙推進裝置產(chǎn)生的力和力矩不同，這種差異主要由兩側(cè)推進器在船舶轉(zhuǎn)向時相對位置不同造成，與船體型線、艉鰭結構也有一定關系。圖5為船艉右舷吊艙推進裝置在船舶以恒定軸速轉(zhuǎn)向時水動力性能變化的典型示意圖，Kt為推力系數(shù)，Kq為扭矩系數(shù)，β為吊艙推進角度，轉(zhuǎn)向左舷方向為負，右舷方向為正。船艉左舷推進裝置性能變化依此類似[11]。

圖5 吊艙定軸速轉(zhuǎn)向性能變化

從圖5中可以看出，在船舶轉(zhuǎn)向時進行軸速控制是非常重要的，若保持軸速不變，當船舶向左轉(zhuǎn)向時，右舷的吊艙推進裝置會承受劇增的扭矩，可能導致吊艙主機過載而損壞，此外船舶的航速變化也會對吊艙推進裝置的負荷產(chǎn)生影響，在航速變化時，軸速的改變會對吊艙主機的負荷產(chǎn)生更加劇烈的影響。

在船舶轉(zhuǎn)向操縱過程中，吊艙推進裝置的性能都會產(chǎn)生顯著變化，圖6為吊艙推進回轉(zhuǎn)模型試驗中典型的測量結果[12]，T為推力，Q為扭矩，M為槳軸彎矩，ET為時間。從圖6中可以看出，相對于轉(zhuǎn)向之前記錄的穩(wěn)定數(shù)據(jù)而言，當船舶開始轉(zhuǎn)向吊艙回轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化時，吊艙推進裝置的力和力矩明顯增加。類似的，在轉(zhuǎn)向開始時，槳軸彎矩增加了某一數(shù)值但隨后衰減到一定程度并在轉(zhuǎn)向過程中保持穩(wěn)定，而吊艙推進裝置推力和扭矩沒有衰減過程，在船舶轉(zhuǎn)向過程中保持著數(shù)值增加后的狀態(tài)，并在船舶回轉(zhuǎn)后衰減到最初的數(shù)值，槳軸彎矩同樣在回轉(zhuǎn)后衰減到最初數(shù)值，但在衰減前經(jīng)歷了劇增過程。進行多次模型試驗發(fā)現(xiàn)，在恒定軸速下進行船舶轉(zhuǎn)向操縱，操縱后的推力和扭矩比操縱前分別高出約10%和50%，而槳軸彎矩的則可能是原來的5～6倍，在Z型操縱性試驗中可以得到類似的結論。

圖6 轉(zhuǎn)向操縱吊艙推進性能

2.2 操縱策略

限于篇幅，本文重點論述雙吊艙推進船舶轉(zhuǎn)向右舷情況下的操縱策略(下同)。船舶轉(zhuǎn)向時，吊艙推進裝置有多種操縱方式[13]，如圖7所示。a種操縱情況下，左舷吊艙處于90°位置指向船外，右舷吊艙位于0°位置，兩吊艙推進裝置來流均為正向來流。在該操縱策略下，由于左舷吊艙進流受到船體和右舷吊艙艙體干擾的影響，左舷吊艙發(fā)出的橫向力只能達到約80%的推力，而右舷縱向推力不受影響，顯然不是最佳的操縱策略。進行b種操縱時，與a種操縱類似，左舷吊艙來流會受到船體和右舷吊艙艙體的影響，但同時由于左舷吊艙處于反向來流工況，對吊艙推力性能不利，只能達到滿額推力的50%左右，右舷吊艙不受影響。在c種操縱策略下，左舷吊艙處于0°位置，右舷吊艙處于90°位置指向船體內(nèi)側(cè)，兩吊艙均處于正向來流工況，該種操縱策略下，兩吊艙來流受擾動較小，均能到達滿額推力；d種操縱策略與c種操縱策略主要區(qū)別右舷吊艙指向船體外側(cè)，受來流反向的影響，不能達到滿額推力。綜上，不考慮主機負荷問題，c種策略為較優(yōu)操縱策略，船舶轉(zhuǎn)向左舷時情況與之類似。

圖7 右轉(zhuǎn)向操縱

若尋求最大的轉(zhuǎn)向效率，則需將2個吊艙推進裝置都充分利用，在這種情況下船速下降明顯。文獻[13]通過研究發(fā)現(xiàn)當左舷推進為指向船外側(cè)75°，右舷推進器為指向船體內(nèi)測105°時，如圖8所示(圖中紅綠色圓弧為操縱手柄，對應吊艙推進角度，下同)，船舶能以較高的效率轉(zhuǎn)向右舷，吊艙裝置來流以及尾流受船體、艉鰭和艙體干擾較小，并且兩吊艙推進裝置在沿船體縱向產(chǎn)生的推力相互抵消，避免不必要的縱向推力。

3 減速控制

減速控制是船舶停泊靠岸或者兩船靠近前的關鍵操縱環(huán)節(jié)，正常情況下，停泊操縱時的航速較低以給舵手留出足夠的操縱時間和空間，進行減速操縱時需依據(jù)設備手冊逐步進行合適的操縱，通常有3種主要減速手段：定推進角度變轉(zhuǎn)速，定轉(zhuǎn)速變推進角度以及變轉(zhuǎn)速變推進角度。

圖8 快速右轉(zhuǎn)向操縱

進行定推進角度變轉(zhuǎn)速操縱時，兩吊艙推進裝置都指向船體內(nèi)側(cè)，吊艙艙體自身會產(chǎn)生較大的剎車力使得船舶航速降低，根據(jù)操縱空間等限制推進角度通常在30°～90°，此種減速方法效率較高，無需反轉(zhuǎn)螺旋槳，避免引起劇烈的空化振動和噪聲。采用該種操縱策略時，兩吊艙推進裝置的角度及功率必須一致，以抵消彼此的轉(zhuǎn)矩，保持航向穩(wěn)定。通過控制螺旋槳轉(zhuǎn)速可以控制船舶減速的程度，轉(zhuǎn)速越高，減速越明顯，如圖9(a)所示。若因兩船靠近進行減速操縱，例如領航船領航時，為減小螺旋槳尾流對領航船造成的干擾，兩吊艙推進裝置可均指向船體外側(cè)，并進行相應的轉(zhuǎn)速控制，如圖9(b)所示。

圖9 減速控制

進行定轉(zhuǎn)速變推進角度操縱時，舵手需對兩吊艙推進裝置的推進角度進行控制，與前種操縱策略一致，只需控制一個操縱變量；而進行變轉(zhuǎn)速變推進角度操縱時，舵手需同時控制轉(zhuǎn)速和角度，對操縱者的操縱水平要求較高，但航速控制效率最高。

4 緊急制動

通常配備吊艙推進裝置的船舶有2種緊急制動方式，一種為常規(guī)制動，直接將槳葉反向旋轉(zhuǎn)；另一種為將艙體也作為剎車力的“外八字”制動方式，如圖10所示。文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)進行常規(guī)制動時，槳軸的彎曲力矩的量級與自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下相同，但槳葉的推力和扭矩會在停車制動過程中劇烈變化，進行“外八字”制動時，軸向力和槳軸彎矩會顯著增加，吊艙推進裝置以25°位置進行定軸速制動時，槳軸載荷可達到自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的11倍，如圖11所示，F(xiàn)r為傅汝德數(shù)，la為槳軸彎矩峰值與常規(guī)狀態(tài)下彎矩的比值。

圖10 緊急制動方式

圖11 制動載荷

常規(guī)制動操作簡便，盡管多數(shù)吊艙推進裝置可以反轉(zhuǎn)螺旋槳，但反轉(zhuǎn)螺旋槳不是理想化的制動方式，可能對槳軸密封和機械齒輪造成不利影響，在航速較高時可能導致主機過載并可能引起劇烈的空化、振動和噪聲。同時，螺旋槳反轉(zhuǎn)時不能發(fā)揮主機功率，推進效率低，并存在制動延遲和制動距離長等不足。經(jīng)過實船實踐發(fā)現(xiàn)一艘典型的游船在22 Kn時進行常規(guī)制動，制動距離約2 000～2 800 m，滿足IMO關于15倍船長的制動標準[14-15]。

“外八字”制動時借助吊艙艙體形成的阻力，能夠有效縮短制動距離，并在制動時船舶有較好的控制，對整個推進系統(tǒng)有較小的影響，較常規(guī)制動方式更不易引起空化，但對制動航速和吊艙角度有嚴格要求，否則容易導致吊艙推進裝置發(fā)生磨損。為滿足該種制動方式的使用限制，吊艙推進裝置制造公司制定了相應的操縱流程。ABB設定15 Kn的制動航速限制，當航速大于15 Kn時逐步采用“外八字”制動，先將兩吊艙轉(zhuǎn)向船體外側(cè)45°，直至航速降至15 Kn，再將吊艙推進裝置轉(zhuǎn)至180°位置。以上文的游船在相同航速工況下進行“外八字”制動，制動距離約1 100～1 500 m，制動距離較常規(guī)制動縮短明顯。

5 結論

本文對雙吊艙推進船舶的操縱策略進行整理歸納，結合實船操縱經(jīng)驗對船舶轉(zhuǎn)向、減速和緊急制動下的操縱策略進行分析。進行右舷轉(zhuǎn)向操縱時，左舷推進為指向船外側(cè)75°，右舷推進器為指向船體內(nèi)測105°時轉(zhuǎn)向的效率最高。進行船舶減速操縱時，可以對吊艙推進角度和螺旋槳轉(zhuǎn)速單獨或者同時調(diào)整，不同操縱策略減速效果不同。船舶緊急制動時，“外八字”制動比常規(guī)制動方式效果更好。