吊艙推進與傳統推進船舶操縱性能對比分析

劉洪梅，許文兵，陳 雄，肖 龍，鐘文軍，韓 陽

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2中國海洋石油總公司，北京 100010；3海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

吊艙推進與傳統推進船舶操縱性能對比分析

劉洪梅1，許文兵2，陳 雄1，肖 龍3，鐘文軍3，韓 陽1

（1中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2中國海洋石油總公司，北京 100010；3海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

吊艙推進器因具有提高船舶推進效率及操縱靈活等特點而越來越受到人們的重視。為深入研究吊艙推進船舶的操縱性能，文章對某深水鋪管起重船進行了吊艙推進操縱和舵操縱兩種方式下的操縱性模型對比試驗，試驗結果表明，吊艙推進操縱船舶的回轉運動性能及應舵性能要大大優于舵操縱船舶，而糾向和保持航向能力兩者相當；同時，文中對吊艙推進船舶的操縱性能進行了分析，可為實船操作提供一定的參考。

吊艙船舶；操縱性能；對比分析

1 引 言

吊艙式推進器（POD推進器）是近年來發展起來的一種新型的船舶電力推進系統，是目前船舶推進系統研究開發領域引人矚目的焦點。與傳統的螺旋槳推進方式相比，吊艙推進器在船舶設計、性能、制造及維護等方面有諸多優點。就船舶航行性能而言，由于整個POD推進器可由旋轉電動機或液壓馬達控制實現360°回轉，省去了舵及側推器等裝置，可全功率倒車，應急倒車反應快，可大幅度提高船舶操縱和緊急制動的能力；POD推進器的應用可使船尾型線得以改善，提升船尾流場品質，使得推進器在比較理想的伴流中工作，可充分改進船體流體性能，提高水動力性能；POD的螺旋槳比常規螺旋槳小，產生空泡現象的臨界速度高，螺旋槳誘導的船尾振動及輻射噪聲性能改善；POD推進器可以在船體靈活布置，以獲取最佳的推進性能[1]。

關于吊艙推進船舶的操縱性能，目前仍是研究的重點之一。國內外對此課題也相繼進行了試驗及理論計算研究，如Grygorowicz[2]等在循環水槽中對拖式與推式POD推進器的操縱水動力進行了試驗研究，Toxopeus[3]研究了高速吊艙船舶的操縱性能；在國內，海軍裝備研究院與上海交通大學較早開展了POD推進器水動力性能的理論計算及試驗研究[4]，中國船舶科學研究中心已形成POD推進器水動力性能的理論計算方法，并已在1989年開展了對吊艙推進船舶操縱性能模型試驗[5]。

盡管陸續有一些文獻發表，相對而言，吊艙推進還是一種非常新的技術，特別是在操縱性能上，國內外還未形成統一的研究結論及標準，本文通過吊艙推進及傳統推進船舶的操縱性模型試驗[6]，對兩種推進方式下的操縱性能進行對比分析，以更直觀地對吊艙推進船舶的操縱性能進行評估。

2 試驗對象及方案

2.1 試驗對象

為進行吊艙推進船舶與傳統推進船舶操縱性能的對比分析，本節選取某深水鋪管起重船為研究對象，該船為帶有呆木的雙吊艙推進船舶，進行傳統推進船舶操縱性試驗時，在該船模尾部加裝舵，吊艙推進器只作為推進系統。表1列出了試驗模型的有關參數。

表1 船模主要參數Tab.1 Main parameters of ship model

2.2 試驗方案

本次試驗主要進行了該船回轉性能、使用穩定性能、應舵性能的對比分析，在進行對比試驗之前，對兩種推進操縱方式下的船模進行了重心位置及慣量的調試，以保證與實船的相似，并進行了舵槳偏轉速率和轉舵速率的調試。表2列出了該船在吊艙推進操縱和傳統推進舵操縱兩種方式下的的操縱性試驗項目及內容。

表2 試驗項目及內容Tab.2 Test cases and content

3 試驗結果及對比分析

3.1 試驗結果

表3給出了該深水鋪管起重船在吊艙推進操縱和傳統推進舵操縱兩種方式下的試驗結果及對應的IMO操縱性標準，圖1～4為兩種操縱方式下操縱性試驗結果的對比曲線圖。

表3 試驗結果Tab.3 Results of tests

3.2 結果分析

通過該深水鋪管起重船吊艙推進操縱及舵操縱兩種方式下的操縱性模型試驗可以看出，吊艙推進操縱船舶的回轉運動性能要大大優于舵操縱船舶，且吊艙推進操縱船舶的應舵性能（即船舶對操舵或是吊艙偏轉的反應快慢程度）也要大大優于舵操縱船舶，而兩種操縱方式的糾向能力及保持航向能力相當。

無論是吊艙推進操縱還是舵操縱船舶，其回轉運動參數，如穩定回轉直徑、戰術直徑、最大縱距和橫距均隨著舵槳偏轉角或舵角的增大而減小，在吊艙推進操縱中較大的舵槳偏轉角下，其變化趨勢趨于平緩。相同舵角或偏轉角度下，其吊艙推進操縱船舶的穩定回轉直徑及戰術直徑約小于舵操縱船舶1～2倍船長，其最大縱距約小于舵系統的0.7倍船長，其橫距約小于舵系統船舶0.5～1倍船長；吊艙推進裝置具有全回轉的功能，其回轉能力大大提高，在70°舵槳偏轉角下其船舶基本繞其自身進行回轉，可實現實船在原地進行調頭等操作，而一般的舵裝置其限位角基本為左右舵35°，若想實現原地調頭，需利用側推等裝置完成。

在回轉運動中均存在一定的橫傾角，且為外傾。在吊艙推進操縱中，其最大回轉橫傾隨著舵槳偏轉角度增大而有所增大，變化趨勢在大的偏轉角下趨于平緩，而穩定橫傾隨舵槳偏轉角度增大而有所減小，在70°偏轉角下即船模繞其自身進行回轉運動時其穩定橫傾角基本為0；而普通推進船舶在回轉運動中的最大橫傾和穩定橫傾隨舵角增大而增大，而穩定橫傾的最大值基本出現在25°舵角。比較兩種推進操縱方式下的回轉橫傾角發現，在一般航速下（本船為12kns），吊艙推進操縱船舶的最大回轉橫傾要略大于舵操縱船舶約0.5°～0.7°，穩定回轉橫傾兩者相當，而在高航速下，吊艙推進操縱船舶回轉過程中的最大橫傾將大大提高，因此在吊艙推進高速船舶進行回轉運動時，應降低船速或減小偏轉角度以降低回轉運動所產生的最大橫傾。

與普通推進船舶相比較，吊艙推進船舶轉首力矩是由吊艙推進器在偏轉一定角度后其推力產生的，與舵力相比，吊艙推進器具有更大的量值，圖5給出了該船舶在兩種推進操縱方式下的轉首力矩計算值。由圖可知，在偏轉角（舵角）小于5°時，其舵力產生的轉首力矩要略大于吊艙推進器產生的轉首力矩，在偏轉角（舵角）5°～12°時，兩者產生的轉首力矩相當，在偏轉角（舵角）大于12°時，吊艙推進器產生的轉首力矩將大于舵力產生的轉首力矩，且隨偏轉角（舵角）的增大其趨勢更加明顯。其次，由于吊艙推進裝置在回轉運動中要偏轉一定角度，因此在船體縱向方向上的推力部分將有所減少，故穩定回轉運動中的速度較低，存在較小的速降值，圖6為該船在兩種推進操縱方式下進行回轉運動時其速降比較曲線，由圖可知，隨偏轉角的增大，其速度降低程度大大加強。正是由于轉首力矩的不同及回轉過程中速度的不同引起了吊艙推進船舶在回轉過程中較小的回轉直徑，同時也影響著回轉橫傾的大小。

與普通推進船舶相比，吊艙推進操縱船舶應舵性能的優勢更加明顯，其衡量值可用Z形試驗中的無因次初轉期來表示，從試驗結果可知，吊艙推進操縱船舶在10°/10°和20°/20°Z形試驗中的無因次初轉期均小于傳統推進船舶。圖7、圖8給出了該深水鋪管起重船兩種推進操縱方式下航向角在10°和20°舵槳偏轉角（舵角）下的變化曲線，由圖可知，在一定的偏轉角（舵角）下，吊艙推進船舶的航向能很快做出反應，向相應方向偏轉，其主要原因為吊艙推進偏轉角速度很快，實船上為偏轉180°時所需時間約15s，而普通舵裝置從左舵35°轉到右舵35°所需時間約30s。

吊艙推進操縱船舶的糾向和保持航向能力與舵操縱船舶相當。主要體現在Z形操縱試驗中的超越角和操舵保向試驗中的操舵頻率，從試驗數據上看，兩種方式下的試驗結果相差不大，且都能滿足IMO操縱性標準。影響使用穩定性能的因素主要包括船體線型尤其是尾部線型、裝載狀態及操縱系統，在本次對比試驗中，兩種推進操縱方式下試驗模型及重心位置、慣量等參數均相同，因此應具有相同的船舶固有穩定性，同時在10°和20°方向角下其吊艙推進器和舵力所產生的轉首力矩相差不大。

4 結 語

本文對某吊艙推進深水鋪管起重船進行了回轉試驗、Z形試驗及操舵保向試驗，為進一步研究吊艙推進船舶與傳統推進船舶的操縱性能對比，對該船設計了一對舵，增設在吊艙推進器后，并完成了相應的對比試驗。

本文對吊艙推進船舶和傳統推進船舶的操縱性能進行了對比分析，得到了以下主要結論：吊艙推進操縱船舶的回轉運動性能、應舵性能均優于舵操縱船舶，而糾向和保持航向能力與舵操縱船舶能力相當；吊艙推進船舶在回轉運動中的最大橫傾角隨偏轉角度的增大而增大，而穩定橫傾角隨偏轉角度的增大而有所減小，這一點與舵操縱船舶有所不同。

本文的對比試驗研究為吊艙推進船舶的操縱性能提供了更加全面、可靠的技術基礎，為吊艙推進船舶的實船操作提供了一定的參考資料。

[1]馬 聘.吊艙推進技術[M].上海:上海交通大學出版社,2007:4.

[2]Grygorowicz M,Szantyr J A.Open water experiments with two pod propulsor models[C]//In:Atlar M,Clarke D,Glover E J,et al,eds.Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion.University of Newcastle,UK,2004,2004:357-370.

[3]Toxopeus S,Loeff G.Manoeuvring aspects of fast ships with pods[C]//Proceedings of the 3rd International EuroConference on High-Performance Marine Vehicles HIPER 02.Bergen,2002:392-406.

[4]Ma Cheng,Qian Zhengfang,Yang Chenjun,et al.Research on hydrodynamic computation model of pod propulsion[C]//In:Atlar M,Clarke D,Glover E J,et al,eds.Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion.University of Newcastle,UK,2004,2004:527-547.

[5]甘品章.新型對江渡輪操縱性試驗研究[R].無錫:中國船舶科學研究中心技術報告,1989.

[6]劉洪梅.深水鋪管起重船航向穩定性模型試驗[R].無錫:中國船舶科學研究中心技術報告,2010.

Maneuvering performance comparison between POD and conventional ships

LIU Hong-mei1,XU Wen-bing2,CHEN Xiong1,XIAO Long3,ZHONG Wen-jun3,HAN Yang1
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 China National Offshore Oil Corporation,Beijing 100010,China;3 China National Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China)

Podded propulsor attracts much more attention because of its improved thrusting efficiency and maneuvering.In order to further study the maneuvering performance of POD ships,the comparative model tests were carried out for POD and conventional ships.And the test results show that the turning ability and initial turning ability of the POD ship are much better than those of conventional ship,and the course-keeping ability of POD and conventional ships is much the same.In this paper,the maneuvering performance for POD ships is also analysed and these researches are very valuable for maneuvering the POD ships.

POD ships;maneuvering performance;comparison

U661.33

A

1007-7294（2011）05-0463-05

2011-03-15基金項目：國家重大科技專項“深水鋪管起重船及配套工程技術”課題經費資助（2008ZX05027-002）

劉洪梅（1980-），女，中國船舶科學研究中心工程師，主要從事船舶航行性能研究；

許文兵（1976-），男，中國海洋石油總公司高級工程師。