某液化天然气运输船推进器选型研究

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(1.中海油能源发展采油服务公司,天津 300457;2.上海船舶研究设计院,上海 201203)

1 项目背景

为配合LNG物流网的建设，保障LNG站线间的运输需求，有必要研发和建造一种适用于国内沿海终端之间进行LNG二程驳运的小型LNG运输船。经过技术经济论证，30 000 m3LNG运输船应运而生，其功能定位如下。

1)适合国内沿海港口之间的LNG运输，且能从东南亚、澳洲或中东运送LNG至国内。

2)主要的目标航线为中国沿海的大型LNG接收终端和二级站之间，其航程距离都不远，单航次的日程较短，靠离港作业频繁。

3)具备进入长江航道，到达张家港的能力。

4)具备自力靠离港的能力。

从上述功能定位来看，30 000 m3LNG运输船在港口航道、内河狭窄水域航行的时间增加，靠离泊作业频繁。

在确定采用单桨还是双桨方案时，要考虑一个重要的船型参数——船宽吃水比。船宽吃水比越大，其操纵性能越难以保证。一般认为船宽吃水比小于2.5，则不需要双桨。船宽吃水比在2.5～4.0之间的既可以采用单桨，也可以采用双桨。船宽吃水比大于4.0的应该采用双桨[1]。30 000 m3LNG船的船宽吃水比为3.75，从这一角度判断既可以采用单桨也可以采用双桨。

由于LNG船受风面积大的特点，对于推进配置为单桨单舵的LNG运输船，无法实现自力靠离泊的目标。因此，单桨单舵推进方案是不能满足用船方新的要求的。

基于上述的原因，有必要要增加该船在低速下的操纵性能以达到优秀的港内机动性。双桨船型在港内机动性上占有绝对优势，能满足租船方的要求。另外LNG船的优秀机动性可以大大提高LNG船靠离码头时的安全性，这对于LNG船和码头都是至关重要的。

鉴于本船的用途基本固化且已明确，应该将推进配置由单桨单舵改为操纵性更好的双桨配置。

2 备选方案描述

为了选择最适合30 000 m3LNG运输船的推进配置，对以下几种推进方式进行比较。

方案1，常规轴系双机双可调桨电力推进。

方案2，常规轴系双机双定距桨电力推进。

方案3，全回转Z型机械传动的舵桨推进方式。

方案4，吊舱推进方式(azipod)。

文中所述4种方案均为双燃料电力(DFDE)推进系统。DFDE主推进系统包括双燃料发电柴油机、主发电机、主推进变压器、主推进变频器、主推进电机、主推进制动电阻和主推进控制系统、齿轮箱、轴系和螺旋桨以及舵系。

几种推进方案中，双燃料发电柴油机、主推进变压器、主推进变频器等设备配置相同，见表1。

表1 各种推进方案的相同部分

2.1 方案1，常规轴系双机双可调桨电力推进

通过双燃料主发电机组提供电源给主配电板，主配电板通过主推进变压器和主推进变频器馈电给主推进电机，由两台主推进电机驱动各驱动一套齿轮箱、轴系和可调螺距螺旋桨。

除表1所列设备外，其他主要设备见表2。

表2 推进方案1

2.2 方案2，常规轴系双机双定距桨电力推进

通过双燃料主发电机组提供电源给主配电板，主配电板通过主推进变压器和变频器馈电给主推进电机，由两台主推进电机各自驱动一台减速齿轮箱、轴系和定距螺旋桨。

除表1所列设备外，其他主要设备见表3。

表3 推进方案2

2.3 方案3，双全回转Z型机械传动的舵桨电力推进

通过双燃料主发电机组提供电源给主配电板，主配电板通过主推进变压器和主推进变频器馈电给两台主推进电机，由两台主推进电机各自驱动一套全回转舵桨系统。

除表1所列设备外，其他主要设备见表4。

表4 推进方案3

舵桨是靠机械轴系传动的全回转推进器，广泛运用在全回转拖船和有动力定位要求的海洋工程船舶上。瓦锡兰，Rolls Royce和Schottel等厂家都能提供舵桨设备。

根据推进器舱的安装空间(高度)以及采购成本对推进电机的不同要求，舵桨分为“Z”驱动型和“L”驱动型。上海船舶研究设计院已经设计过的几型船有“Z”型驱动也有“L”型驱动，其布置见图1～3。

图1 “海洋石油708”Z型舵桨布置

图2 “海洋石油286”L型舵桨布置

图3 R&R AZP 150拉式桨布置

从螺旋桨推进方式来分，全回转舵桨又可分为推式桨和拉式桨。推式桨广泛用于有系柱拖力要求的海洋拖船，多采用导管桨形式。船舶航速一般不大于15 kn。拉式桨是专为航速较高的船舶开发，它的布置形式决定了拉式桨具有更好的螺旋桨来流，从而得到更高的螺旋桨效率，见图4。

图4 拉式桨来流情况示意

对转桨是在同一个全回转推进器上安装两个螺旋桨，见图5。

图5 对转桨

对转桨的前部为主螺旋桨，为拉式桨，产生主要的推进力，因此拉式桨具有的优势对转桨也能拥有。同时，在推进器的后部设置一对转的螺旋桨可有效回收拉式桨尾流损失的能量，大大提高螺旋桨的效率。由于推进负荷由两个螺旋桨分担，桨叶的负荷也可以降低[2]。

本船的设计服务航速为16.5 kn，15%的海上风浪裕量。推进电机的功率大约为每台4 000 kW。适用的推进器见表5。图6为Rolls-Royce的Azipull拉式桨。

表5 适用(功率)推进器

图6 Rolls Royce 的Azipull舵桨

2.4 方案4，双紧凑型吊舱电力推进

通过双燃料主发电机组提供电源给主配电板，主配电板通过主推进变压器和主推进变频器馈电给两台紧凑型吊舱推进器的永磁电机，驱动吊舱的螺旋桨。吊舱推进器为360°全回转推进器。

除表1所列设备外，其他主要设备见表6。

表6 推进方案4

ABB的紧凑型Azipod吊舱推进器包含了一个转舵单元(Steering Unit)和一个推进单元(Thruster Unit)。转舵单元安装在船体内，可以提供360°全回转能力。推进单元呈“L”形布置，电机内置于浸没与海水中的吊舱内，配转速受控型定距螺旋桨，一般采用拉式桨布置[3]。

由于减少了曲折轴系之间的机械传动，吊舱推进的轴系效率要好于舵桨。ABB的紧凑型吊舱分为CO和CZ两种型号。CO型推进器用于豪华游艇、渡船和运输船等。CZ型是带导流罩的推进器，适合大推力的应用。本船适用的Azipod型号为CO1400型。

由于将电动机置于吊舱内，Azipod的水下吊舱部分长度要大于舵桨，见图7。以CO1 400为例，其长度达到6 m，而一般舵桨的长度仅为4 m。如果尾部的水下线型和空间不合适，就不能选用吊舱式推进器。对于30 000 m3LNG船，其船宽和线型都适合安装吊舱推进器。

图7 吊舱电力推进布置

3 操纵性能对比

需要指出的是本文中讨论的操纵性，也即30 000 m3LNG运输船所关注的操纵性能，并非常规航行中的操纵性能。

30 000 m3LNG运输船所关注的操纵性能是港内的机动性能，是在低航速甚至零航速下的操纵性能。包括了：①零航速掉头能力;②稳定航行最低航速能力;③水平横移能力。

全回转推进器(包括舵桨和吊舱)在操纵性能上的优异性能就体现在这种情况下。

3.1 单桨单舵船舶与双桨双舵船舶的港内操纵性对比

单桨单舵船舶在低速航行时，舵效会降低。在零航速下，舵力接近于零。单桨船舶在靠离码头时，需要使用多条拖船协助。

双桨双舵船舶与单桨船舶港内操纵方式最大的区别是：双桨双舵船舶在低速或零速时，可以利用自身的操纵设备——双桨、双舵、侧推器，实现船舶自身的横向运动，从而实现自力靠离码头。

双桨双舵船舶在横向运动操纵中，一个螺旋桨正转，一个螺旋桨反转；正转螺旋桨后面的舵操一舵角，反转螺旋桨后的舵，舵角置零。同时，首侧推工作，抵消船艏偏转的力矩。双桨双舵船在螺旋桨、舵、艏侧推的综合作用下可以横向运动，达到自主靠离泊的目的[4]。

双桨船在自力靠泊时的横向移动力来自艉部的舵力，艏部的侧推用于抵消反向的力矩，效率较低，操纵难度比较大。

3.2 全回转推进器的操纵性能

全回转推进系统中推进器轴线可以在水平面360°内自由回转，推进螺旋桨兼做动力舵，使船舶具有很好的操纵性能，加上艏侧推的配合，船舶可以在较小的半径内原地回转，也可以横移，船舶的操纵性、机动性大大提高，靠泊作业更加安全、快捷。[5]

在低速航行操纵性能方面，舵桨和吊舱推进方式性能接近。以下根据ABB提供的实船结果来分析全回转推进器的操纵性能。

1)回转性能。配备全回转推进器的船舶和配置常规轴系的姐妹船相比，回转性能优异。根据厂家的实测结果，前者的回转直径约为后者的50%～60%。

2)急停性能。吊舱推进船舶的急停距离一般为轴系船舶的60%～70%。

3)港口机动性能。依靠全回转推进器的灵活性，船舶可实现原地转向和自力靠泊。

另外，上海船舶研究设计院设计的烟大铁路轮渡渡船采用了Azipod加艏侧推的配置。通过船模试验和实船测试，可以证明烟大渡船具有优异的港内机动性能。

30 000 m3LNG运输船的主尺度和烟大线较为接近，因此烟大线的实船数据有很强的参考性。烟大线渡船的低速操纵性能主要体现在：①纯横移运动能力；②原地调头能力；③侧斜平移运动能力。

试航中，对以下几种特殊操纵性能进行了测试。

1)零航速调头试验。

表7为烟大线的实船原地掉头试验数据。

表7 烟大线原地掉头试验数据

2)保持航向稳定最低航速试验。最低航速为2.4 kn。

3)横移试验。横移能力是保证船舶自力靠离港的先决条件。表8为烟大线的实船横移试验数据。

表8 烟大线横移试验数据

从上述试验结果来看，配置了Azipod的船舶低速操纵性能极佳，在零航速时配合艏侧推联合操作可近似原地调头和船舶横移，完全可以实现自力靠离港作业。根据烟大线船东使用的经验，采用吊舱推进的“中铁渤海1号”、“中铁渤海2号”可在8级风时靠自身动力进行靠离码头作业，而渤海湾其他客滚船在这种条件下只能借助拖轮完成。这就大大加强了船舶的安全性，也减少了拖船开支。

4 结论

1)方案3(舵桨方案)的投资最高，其他方案都较为接近。

2)方案3(舵桨方案)和方案4(吊舱方案)操纵性能最佳，双桨方案其次，单桨方案较差。

3)方案4(吊舱方案)和方案3(舵桨方案)相比，由于吊舱方案水下部分布置有推进电机而导致其体积较大，将使同等直径的螺旋桨效率降低，而Z型舵桨方案推进电机位于船内，其水下部分可以进行最优化设计以保证螺旋桨的效率最大化。从整个推进链来说，Z型舵桨的效率要略高于吊舱推进型式。

对各个方案的综合对比如下。

4种方案的不同之处主要在于推进机械部分，见表9。

由于上述差异的存在，以及不同方案对船体布置和设计的影响，表10列出了各个方案在性能方面有所不同。

表9 4个方案的主要配置

表10 4个方案的主要性能

综上比较，采用Z型舵桨方案作为该船推进型式较合理。该船最终选择了Rolls-Royce的AZP 150拉式桨作为推进器。

[1] 吴秀恒,刘祖源,施生达,等.船舶操纵性[M].北京:国防工业出版社,2005.

[2] 王培生.全回转推进器的水动力性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

[3] 张庆文.吊舱电力推进装置及其螺旋桨设计研究[D].大连：大连理工大学，2005.

[4] 杜林海.双桨双舵船舶港内操纵性研究[D].大连：大连海事大学，2005.

[5] 刘洪梅,许文兵.吊舱推进与传统推进船舶操纵性能对比分析[J].船舶力学2011,15(5):7-11.