中大型客滚船的线型与推进系统研究

张敏健

（上海船舶研究设计院,上海 200032）

0 前言

绝大多数货船的推进系统是由一台柴油机（间或加减速齿轮箱）加一只螺旋桨组成。单桨船吃水深，阻力低，尾部具有良好的伴流场和较高的船身效率，且一般对货船的操纵性要求不是很高，因而这是一种最经济有效的推进方式。但是，对于客滚渡船，通常船速更快，主机功率更大，因而螺旋桨上的负荷变得很高，而吃水和桨径又受到限制，这就要求设双桨来分担负荷。同时，船舶航行的安全性和港口内的快速操纵性也要求客滚渡船设置双机、双桨和双舵。

随着动力系统和推进系统技术上取得不断突破与进步，针对中大型客滚渡船，一些新的推进理论与方式被提出来。随着吊舱式推进技术（Pod）和翼式推进（Wing Thrust）技术的不断完善，新的推进系统技术走向成熟，对传统推进模式的革新时代已经到来。

本文前半部分介绍传统的客滚渡船的线型设计理念和推进方式，并结合笔者的实际设计经历，谈谈体会。后半部分主要介绍当今国际上最新的推进系统理念，包括：

·吊舱式相对反转推进器（Podded CRP）；

·吊舱式翼式推进器（Wing Pods）和翼式推进器（Wing Thrust）。

1 传统设计

1.1 船舶线型

现代双机、双桨、双舵客滚渡船的线型设计多采用人字架尾轴、纵流型尾部，这一形式比另一种主流形式——双尾鳍线型更加普遍。

纵流型尾部主船体阻力低，较小尾部伴流峰值使螺旋桨产生的噪声和脉动压力减小，改善了旅客和船员在船上的生活环境，因而被广泛应用于客船和客滚渡船。但在设计时，设计师应注意对人字架等附体设计方案的把握。因为当船高速航行时，由人字架、尾轴等附体产生的附加阻力有大幅度增加的可能。另外，过长的尾轴会对船厂的尾轴加工、安装、使用中的维护保养带来困难，对尾轴架支撑轴承的结构可靠性也会产生影响，如图1所示。

由于湿表面面积的增加（大约5%～8%），双尾鳍线型导致摩擦阻力的增加，试验证明，虽然尾鳍后部伴流分数的显著增加，大大地提高了船舶的船身效率，克服了船舶阻力的额外增加，但同时也带来了螺旋桨产生的噪声和脉动压力增加的危险。复杂的线型和狭小的空间，给机舱布置和船厂的建造、施工带来不便，增加了建造成本，如图2所示。

双桨船的回转性能本无太大问题。值得注意的是，当采用双尾鳍线型、内旋定距桨时，转船力矩较外旋桨要小，特别是在左右桨一正一倒运行时，转船力距极小，因受初始条件的影响，船舶在转向的初始阶段，甚至会出现与预计相反方向的回转，存在着严重的不安全因素。当然，如采用外旋桨，或内旋可调桨，这一问题将不复存在。

1.2 船舶推进系统

1.2.1 机械推进

中大型客滚渡船常用的推进系统是由2台或4台中速柴油机、减速齿轮箱、2只可调式螺旋桨组成。这是一种就技术方面而言简单、安全、可靠，并且初投资较低的推进方式，因而被船东和设计师广泛采用。但是，这种推进方式的机械系统和轴系系统存在明显的缺陷。当船舶频繁以低速航行或进出港时，主机时常处于低负荷运行，并不是主机的最佳和最经济的工作状态。另外，一般设计师将螺旋桨的设计点定在其满负荷状态，此时螺旋桨处于最佳工作状态，而处于低速运行下的可调式螺旋桨，为保证轴发在船舶航行时的正常使用，主机的转速恒定不变，可调桨的转速也恒定不变，低负荷高转速的螺旋桨，其压力面容易产生空泡，导致其激振力水平和推进性能的恶化，尽管可通过调整螺距来改善这一情况，但受螺距调整范围的限制，效果有限。因此，设计师在设计桨叶，应充分注意船舶在高、中和低速航行中的时间分配，兼顾两头，达到效率、空泡和激振力水平基本平衡。

虽然双舵、双桨为船舶提供了很好的操纵性和回转性，但对于大多数经常进出于港口的客滚船，由舵产生的侧推力仍显不足，需另配置首、尾横向侧推，增加了投资成本。

1.2.2 柴油机－电力推进

与机械推进方式相比，柴油机－电力推进方式有其显著的优点。发电机组体积较小，布置容易，从而有效地扩大了货舱舱容。有的国外设计甚至将发电机组设于B/5双壳内，不但大大地增加了车辆舱的长度，而且使上下车通道更加便捷有效。这对于采用机械推进方式的机舱，布置上很难做到。

选取一台合适的电力推进器，可使船舶在各种工况，柴油机都处于最佳和最经济的工作状态，有效地降低了燃油消耗。另外，机组还能灵活地满足船上不同的需求，从而减少了船舶动力的整体配置。电力推进器还具有良好的力矩特性，能适应于广泛的速度范围，并能配置以定距桨，这就降低了螺旋桨压力面产生气化的风险。

当前，阻碍柴油机-电力推进系统广泛使用的主要障碍是初始投资过高，尤其是电力推进系统部分（包括变频器、变压器和马达等）。此外，能量转换时，过高损耗和较重的电力推进系统设备也是柴油机-电力推进系统的主要缺陷。

1.2.3 吊舱式推进系统

柴油机-电力推进器的另一优点是使电动吊舱式推进系统的使用成为可能。配置了双吊舱式推进系统的船舶性能上有着诸多优势，如改进了水动力特性，良好的船舶操纵性，降低了船体噪音和震动。在船舶全回转运动中，螺旋桨始终处于最佳工作状态，直接流入挂桨的水流减小了叶片上的脉动压力。由于取消轴系，降低了船舶航行阻力。良好的船舶操纵性，减少了船舶在港时间。如果是全回转吊舱式推进系统 （Azimuth Pods），则不必另设尾横向侧推。

从布置上来说，配置了双吊舱式推进系统的船舶所需的机舱空间可以减小，但是对于客滚船，双吊舱式推进系统的布置还是存在问题，因为双吊舱式推进系统不一定能布置在滚装甲板下，这就对车辆经过尾门处设置了障碍，导致车辆上下船不流畅，而这又是客滚船设计的关键之一。另外也有报告指出，在恶劣海况下，采用了吊舱式推进系统的船舶比普通的舵桨船具有更大的失速［1］。但是初始投资过大，仍是吊舱式推进系统不能顺利进入客滚船市场的主要原因。

2 新的船舶推进系统

近年来，针对中大型客滚船，提出了一些新的推进理论与方式。比如吊舱式相对反转推进器，吊舱式翼式推进器和翼式推进器等。它们具有共同的优点，都抛弃了双尾轴设计，采用单尾鳍线型、主推进器与一个或两个独立的推进器联合使用。

2.1 吊舱式相对反转推进器

吊舱式相对反转推进器的概念是：在一个电动推进桨毂上配置一个与主螺旋桨反向旋转的螺旋桨，将该推进器直接设置于尾鳍中线处、主螺旋桨后部，如图3所示。由柴油机驱动的主螺旋桨为可调桨，电动吊舱桨为定距桨。与传统配置的双桨、双人字架尾轴船舶相比，吊舱式相对反转推进器使船舶具有更好的水动力特性，这主要是有以下几个原因：

1）没有额外的附体，具有更低的航行阻力；

2）因为前后桨的旋转方向相反，后桨吸收了前桨在水流中留下的部分能量；

3）与人字架尾轴船型相比，尾鳍后部伴流分数的显著增加，提高了船舶的船身效率。

根据国外水池的船模试验报告，与常规的双桨、双人字架尾轴船舶相比，推进效率的提高在12%～17%之间，间或更高的值也有报告［2］。

与传统的单尾鳍线型船舶相比，在同等条件下，配置了吊舱式相对反转推进器的船舶所需的动力配置更小。这可以从两个方面找到答案：后桨吸收了前桨留在水流中的部分能量，提高了能量使用效率，这一优势仍然存在。但即同为单尾鳍线型船舶，二者相比，低阻力和良好的尾部伴流场特点已不复存在。在这种情况下，最大的得益来自于螺旋桨负荷的减小。吊舱式相对反转推进器将动力分配在前后两个螺旋桨上，大大减小了单个螺旋桨上的载荷，从而提高了螺旋桨的敞水效率。推进效率提高的幅度视具体情况而定，原则上说，主机功率越大，螺旋桨负荷越高，采用吊舱式相对反转推进器后收益也越大。从以上分析可以看出，就常规双桨船与单桨船相比较而言，采用吊舱式相对反转推进器后前者的受益更大，对高速中大型客滚船情况更是这样。

配置全回转吊舱式推进系统，可以大大改善船舶的操纵性，从而减少船舶的在港时间，对于经常进出港口的高速中大型客滚船尤其重要。

在吊舱式相对反转推进器的配置中，柴油机驱动的主推进器与电动吊舱式推进器之间的动力分配比例是一个非常关键的问题。由于电动吊舱式推进器的每千瓦费用大大高于机械推进器，所以功率分配的比例对船价影响很大。此外，电推器的能量损失也更大。因此，从两方面看，吊舱式推进器的功率选取应越小越好，而柴油机驱动的主推进器的功率选取应越大越好。但问题是怎样的功率分配比例会影响整个推进系统的总体效率。

在由“芬兰造船”（Finnish Shipbuilding）联合其它三家国际著名公司共同完成的叫做“ENVIROPAX”的研究和发展项目中，主柴油机功率和电动功率的比例分配是该项目中主要研究的课题之一。大量的船模试验是由芬兰VTT水池和荷兰MARIN水池完成。

在船模试验中，选取的电动吊舱式推进器功率与主柴油机功率的分配比例从20∶80到55∶45不等（Pod/Main），并使用了两组不同的吊舱式推进器和主螺旋桨。试验表明功率分配比例在前后桨的不同没有导致试验结果产生任何实质性的变化，也没有对推进效率产生明显的影响。值得注意是当功率分配比例相等（50∶50）时，在功率曲线上有一个很小的向好趋势。当功率分配比例相差最大时（20∶80），功率曲线有要求增大的趋势，但幅度也不大。当将吊舱式推进器更换成另一个尺寸更小的而其它条件不变时，在功率曲线上会产生一个向下的台阶，最小功率发生在置换了较小的吊舱式推进器模型之时，这是因为较小的吊舱式推进器具有更低的航行阻力［3］。

船模试验的结论是电动吊舱式推进器功率与主柴油机功率的分配比例为25∶75是整个推进系统效率的最佳点。从船舶经济性方面考虑也支持采用较小的电动吊舱式推进器。试验同时表明，限制将更大的功率分配于主螺旋桨主要是基于防止在正常的工作状态下该桨的负载过大。对于一个大功率推进系统，就必须将更大比率的功率分配给电动吊舱式推进器，以防止主螺旋桨过载。一条吊舱式相对反转推进器船舶的设计成功，意味着既能保证主螺旋桨各项设计参数的先进合理，同时配置了较小的电动吊舱式推进器。

“ENVIROPAX”研究项目的另一重点是研究在各种状态下主螺旋桨和吊舱式推进器所产生的空泡情况和船体激振力水平。该项试验是在荷兰MARIN的减压拖曳水池完成。试验结果表明，对于相对反转螺旋桨（Contra Rotation Propeller）系统，激振力水平整体良好，激振力主要产生于前桨，而后桨产生的激振力较低。当后桨操纵时，由于该桨上的空泡增加，导致压力增加，但激振力仍保持较低水平［3］。

2.2 吊舱式翼式推进器与翼式推进器

另一种组合推进系统包括1个由柴油机驱动的主螺旋桨，设置于尾鳍中线处，2个全方位回转推进器，左右舷各1个。推进器可以是电动吊舱式也可以是机械式操作，并据此分别叫做吊舱翼式推进器和翼式推进器，如图4所示。

这种设计可为船舶提供非常高效的推进效率，尤其是对特大功率推进系统，比如高速中大型客滚渡船。由于将载荷分配在3个螺旋桨，而不是2个，螺旋桨敞水效率得以进一步提高。与传统配置的双桨、双人字架尾轴船舶相比，没有过多的附体，简洁的船体线型，降低了船舶航行阻力。纵中部的单尾鳍线型，提供了良好的尾部伴流场，使船舶获得了更好的船身效率。设于两舷的全方位回转推进器的前方没有附体，处在完全敞开的流水区域，因此螺旋桨在360°的旋转范围内始终工作于最佳设计状态，改善了其推进效率。

配置了2个全方位回转推进器的船舶具有良好的船舶操纵性和回转性，不必在尾部另设横向侧推，减少了船舶在港时间。

吊舱式翼式推进器的工作原理是其整个系统的核心部分。尾鳍中线处的主螺旋桨为顺桨。该桨仅在船舶高速航行时工作，而在船舶中速和低速航行时，桨叶处于自由空转状态，顺流模式（改变螺距，使桨叶处于顺流方向），因此产生的阻力要大大的低于风车桨产生的阻力。当船舶低速航行时，仅以翼式推进器驱动，避免了主柴油机经常处于低负荷运行，从而克服了由此而产生的高油耗等不利因素。此外，由于可调桨不在低螺距高转速状态下工作，减小了可调桨压力面产生空泡的危险。这一推进系统适合服务于经常在高速、低速不断转化的中大型客滚船。

当高速航行时，船舶由设于尾鳍中线处主螺旋桨后的舵操纵。此时，翼式推进器的方向被锁住，降低了船舶在风暴天气下失速的可能，保证了较低的燃油消耗。配备高效舵能对船舶性能带来诸多好处。由于舵的鱼雷型外形改善了尾部伴流场，减小了船体激振力，提高了推进效率。舵叶后下部的襟翼可以更好地吸收水流中由螺旋桨而产生的旋转能量。另外，高效舵舵面积小，航行阻力低，因为是在船舶高速下使用，所以能够保证足够的舵效。

翼式推进器可以由电机驱动，也可以直接由柴油机驱动。此时，推进功率由柴油机提供，而辅机则提供船舶所需的电力。机械推进降低了船舶的初投资，减小了能量转化过程中的能耗。

3 结语

从上述分析可以看出，新的推进理论摈弃了传统的双舵、双人字架尾轴船型，采用单尾鳍线型，所需的功率配置大幅降低。具体的降低幅度视实际情况而定。 根据国外的报告［2，3］，降幅通常在 10%～20%之间。这主要因为前者的舵、尾轴、人字架、桨毂等附体增加了船舶的总阻力，尤其是对于具有高速、细长型船体带长尾轴特性的客滚渡船，这一幅度将会大大增加。而单尾鳍线型船本身又具有低阻力的特性。

对于航速大约在28 kn～30 kn的客滚船，采用双机、双桨、双尾轴推进船舶的功率配置，根据测算大约要比采用吊舱式相对反转推进器船舶的功率配置高15%左右。双机、双桨、双尾轴推进船舶的舵、尾轴等附体的湿表面积大约占整个船体湿表面积的6%，而吊舱式相对反转推进器船舶的附体湿表面积大约只占整个船体湿表面积的2.5%，因此，前者的附体湿表面积比后者大约3.6%，也就说，前者的船舶阻力或有效推力比后者大约11%～14%。根据试验所测得的船体裸体阻力及对附体附加阻力的估算，在设计航速下，船舶的有效推力收益可达2 800 kW，大于采用吊舱式相对反转推进器后功率收益的一半以上。因此，阻力的减小是采用吊舱式相对反转推进器后效率提高的最主要原因，其它收益来自于后桨对水流中能量的吸收和单尾鳍后部伴流场的改进，提高了推进效率。笔者所在单位上海船舶研究设计院配合广船国际共同完成的国家工业和信息化部立项的“大型客滚船核心技术研究”，委托荷兰MARIN水池完成的船模试验结果也证明了以上结论［4］。

由于有多种因素影响船舶的推进性能，因此，每一种推进方式的选取都应依据项目的自身情况、特点，选择最合适的推进方式。然而，有一些基本的特点，比如对单个推进器输出功率的限制，还是具有共性的。比如，每一单桨的输入功率不宜过高，在7m水深条件下，单桨最大负荷应不大于30MW。此外，吊舱式推进器和翼式推进器还会受到产品规格的限制。对吊舱式相对反转推进器，推进器之间的功率分配比例应不小于25/75（Pod/Main）。

只要选择了合适的推进系统，就能克服投资过高这一阻碍电力推进系统进入客滚渡船市场的主要障碍，建造出低成本、具有竞争力的新型客滚渡船。新的推进理论和技术为中大型客滚渡船的推进系统带来了革命性的变化。

［1］ Tragradh P.-SSPA，“Enhancing themanoeuvring performance ofRoRovessels”，RoRo2002Conference，Lloyds ListEvents，Lubeck，Germany，28th～30th May 2002.

［2］ PraefKe E.，Richards J.and EngelsKirchen J.-HSVA and Blohm Voss， “Counter rotating propellers without complex shafting fora fastmonohull ferry”，Presentation atFAST 2001，Southamton UK，September2001.

［3］ LevanderO.，Sipila H.，PaKaster R.，“ENVIROPAX ferries make promising progress”，Marine News-Wartsila Customer Magazine NR 1-2005，March 2005.

［4］ Calm watermodel tests for a RoPax ferry with CRP-POD propulsion system，（ReportNo：22374-1-DT）