小型航海保障工作船主推進及定位系統分析

于全虎

(江蘇省船舶設計研究所有限公司， 江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

目前國內航標監管、維護巡檢和應急反應任務主要依靠小型航海保障工作船來完成，比較先進的船型有航標夾持船、電磁吸盤航標船等，航標拋設、撤除等作業一般由大、中型航標船承擔。連云港港30萬噸級航道配套新型航海保障工作船(以下簡稱新型航保船)是一型多用途小型航海保障工作船(見圖1)，其主要作業能力覆蓋中、小型航標船，造價卻低于中標船。對該船主推進和定位系統設計中的一些考慮進行闡述分析，希望對該型航標船的推廣應用及后續優化提供一些基礎研究。

圖1 連云港港30萬噸級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和定位功能需求分析

小型航海保障工作船主要承擔航標監管、維護巡檢和應急反應任務，因此需要較高的航速，以滿足快速反應的要求；作業時船舶必須在低航速下逐漸接近航標，這個過程中船與航標都存在獨立的升沉、搖擺運動，所以船舶必須具有良好的操縱性和一定的穩定定位能力。

2 船舶推進系統形式特點分析

2.1 固定螺距螺旋槳推進系統

船舶最常規的主推進系統組成架構為主機、齒輪箱(包括離合器)、艉軸和固定螺距螺旋槳(Fixed Pitch Propeller，FPP，以下簡稱定距槳)，其主要特點：

(1) 螺旋槳的最佳設計工況點只能有一個，即在主機額定轉速下的最佳船、機、槳匹配點，螺旋槳的推進特性曲線與主機的負荷特性曲線不能完全吻合，往往依據船舶的主要用途來設計螺旋槳的水動力學特性。在船舶其他工況和軸系—螺旋槳轉速下，機、槳匹配性均較差，螺旋槳不能充分發揮出主機的最佳功率，反而導致主機能耗增大。

(2) 組成結構簡單，可靠性高，成本低，易于維護。

(3) 由于槳葉螺距是固定的，船舶的航行速度由螺旋槳的轉速確定，槳的轉速變化調節靠調整主機油門控制主機轉速實現。船舶倒車需要通過主機換向或齒輪箱換向來改變艉軸—螺旋槳的旋轉方向，大部分齒輪箱只能在低傳動效率下維持短時間倒車狀態。

(4) 柴油機存在最低穩定轉速(即怠速)，導致定距螺旋槳推進船舶的低速航行性能普遍不佳。

2.2 可調螺距螺旋槳推進系統

可調螺距螺旋槳(Controllable Pitch Propeller，CPP，以下簡稱可調槳)是通過在槳轂中設計一套操縱機構，操縱槳葉相對于槳轂轉動從而進行螺距調節的螺旋槳。槳的推力和扭矩同時隨轉速和螺距比的變化而改變，從而改變船舶的航速并實現正車、倒車工況。可調槳裝置主要由軸系、槳轂操縱機構、槳葉、配油器、液壓操縱動力系統和電子控制系統等構成(圖2為杭齒馬森公司的可調槳推進系統)，其主要特點[1]：

(1) 可調槳幾乎可在船用柴油機上限曲線、最低穩定轉速、最大轉速線區域內任意搭配轉速和螺距比，從而得到給定的航速、推力。

圖2 可調槳推進系統

(2) 可調槳通過調節螺距，可以實現在任何工況下槳均能吸收主機全功率。重載時減小槳的螺距，輕載則增大螺距，可使主機保持不變的扭距和轉速，配合相應的螺距比，主機能始終運行在額定功率下，對于需要多種航行工況的船舶，可發出較大的推力，保持較高的航速。

(3) 通過螺距角的正、負調節可操控船舶的前進和后退，與定距槳相比，可提供更大的反向推力；與定距槳反轉須通過主機或齒輪箱換向相比，正車轉倒車的時間更短；主機在高穩定轉速時通過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) 螺旋槳保持轉速不變時，通過改變螺距進而改變推力、扭矩。船舶具有不同的航速，實現正車最大航速到倒車最大航速之間無級變速，能實現船舶超低速甚至微速航行，同時減少主機啟動與停車次數，延長主機壽命。

(5) 可調槳通過調節螺距改變推力和方向，可使主機恒定轉速運行。在船舶航行時將主機功率全部用于驅動船舶全速前進；在到達目的地作業時，主機的大部分功率可用于驅動作業設備。

(6) 槳的不同螺距對應不同的效率曲線，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，經濟性佳。

(7) 更便于集中遙控，順應船舶自動化程度以及未來智能船舶的發展趨勢。

2.3 全回轉舵槳推進系統

全回轉舵槳(以下簡稱全回轉)推進系統的推進器實現舵和槳的一體化，同時具有螺旋槳的推進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，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，可實現進車、倒車、橫向移動、急停和原地轉動。全回轉推進系統特別適合需要幾乎原地轉向的特種工程船。

全回轉推進系統主要由驅動動力機、軸系和舵槳推進器構成，根據驅動動力方式的不同，分為船用發動機驅動、電力驅動及液壓驅動。全回轉推進系統典型架構如圖3所示。

圖3 全回轉推進系統

2.4 全回轉可調螺距舵槳推進系統

全回轉可調螺距舵槳(以下簡稱全回轉可調槳)推進系統的推進器一般由上齒輪箱、井箱、中立軸、下齒輪箱、螺旋槳、導流管、舵角反饋裝置、液壓系統等組成。可變螺距螺旋槳包括槳葉、槳榖和調距機構。導流管用于包覆舵槳裝置的螺旋槳，可以增強螺旋槳的水動力性能，提高效率。全回轉可調螺距舵槳推進系統典型構成如圖4所示[2]。

圖4 全回轉可調螺距舵槳推進系統

全回轉可調螺距舵槳推進系統結合了全回轉和可調槳兩種推進方式的優點，其缺點是價格遠遠高于上述兩者，結構極其復雜，維修保養需要較高的技能，后續使用費用昂貴，目前實用案例較少。

2.5 電力推進系統

船舶電力推進系統主要由發電模塊、配電模塊、推進模塊、推進器模塊、能量控制管理模塊(Power Management System，PMS)等構成，其主要特點[3]：

(1) 電機在各種正、反轉速下都能提供恒定轉矩，推進系統可得到最佳工況特性，同時操縱控制簡單，起動加速性能、制動性能、正反轉切換性能以及船舶的操縱性能優良。

(2) 可根據用電設備的總需求功率確定在網發電機數量，因而發電機都能工作在理想負荷狀態，提高原動機的燃燒效率，減少機器的尾氣排放，推進系統更加綠色環保。

(3) 與機械軸系直接連接推進相比，電力推進有發動機—發電機能量轉換環節，因而比機械推進效率更低，尤其是采用中小功率推進常用的交-直-交變頻調速，中間經歷兩次電能轉換，效率會更低。

(4) 發電機可安裝于整體彈性座上，以額定狀態運行，與機械軸系及船體結構無連接，極大地降低了振動和噪聲，非常有利于控制船舶的噪聲和振動。

(5) 電力推進比常規機械推進初始投資成本更高，導致船舶建造成本高25%左右。

(6) 無需傳統推進系統的機械軸系，僅需要動力和控制電纜連接，機電設備布置的靈活性大幅提高。

(7) 電力推進含有較多的電氣、電力電子設備以及自動控制系統等，對船舶設計人員及船電維修技術人員的技能要求更高。

船舶電力推進系統的主要類型有推進電機通過軸系驅動螺旋槳的形式和吊艙式電力推進系統(Electric Propulsion System，以下簡稱POD)。POD系統費用很高，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系統。未來電力推進還可與LNG燃氣發電機結合使用，進一步提高其環保經濟性。此外，帶超級電容或高效能鋰電單元的混合電力推進系統可通過儲能單元回收多余電能的方式進一步提高船舶節能率，同時解決電站供給功率與推進功率提升的時間差問題，可進一步提高船舶中央電網供電的可靠性和穩定性，也是船舶電力推進系統的發展方向之一。

2.6 小型航海保障工作船主推進系統分析

可調槳、全回轉系統的操縱機構復雜，安裝、保養及修理需要專業人員，且費用遠高于定距槳系統。全回轉可調槳推進系統結合了兩者的優點，但系統的復雜性、價格高的缺點更加明顯，目前還鮮有使用的例子。系統復雜必然帶來可靠性較差，并且可調槳由于槳轂較大，槳葉根部容易產生空泡，效率較定距槳低3%～4%，全回轉系統機械傳動結構復雜，效率也低于定距槳。

3 小型航海保障工作船定位系統分析

海洋作業船舶的定位系統主要有錨泊定位、動力定位(Dynamic Positioning，DP)、錨泊+動力定位等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，設置多個拋錨裝置，通過多點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是設備結構簡單、工作可靠性高，應用經濟性好，常用于淺水區域作業。水深的增加會導致錨的抓底力減小，而且拋錨作業也越發困難，錨鏈長度、強度和重量也要同步增加，水上的布鏈作業也會變得愈加復雜，導致錨泊定位系統布置困難，造價增加較大。

3.2 DP系統

DP系統的基本工作原理是系統的中央處理器將船舶的預估位置、船首方向等與設定點進行對比分析，通過預設的控制策略，給推進器發出指令，推進器推動船舶調整位置，保持船舶在設定點上的動態穩定。DP系統具備自動采集風、浪、流和其他環境因素數據并進行補償的能力，定位精度高、不破壞海床結構、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領域。國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)和各大船級社都對DP系統提出相應規范要求[4-8]，主要考慮可靠性和冗余度設計將DP系統分為3個等級：DP1為單故障下可能發生定位失常；DP2為有源組件或發電機、推進器、配電盤、遙控閥門等單故障時不會發生定位失常，但電纜、管道、手控閥等靜態元件發生故障時可能會發生定位失常； DP3為任何單故障都不會導致定位失常。

3.3 錨泊+動力定位

在1 500 m左右的水深范圍內錨泊輔助動力定位效果較為理想，錨泊輔助動力定位結合錨泊定位和動力定位的優點，是較為理想的海上固定作業結構物的定位方式。

3.4 小型航海保障工作船定位系統分析

根據航海保障工作船的作業特點，DP系統不需要船舶首向要求，因而可較大地降低動力系統的功率配置要求，節省初期投資和后期維護費用，DP系統更適合與電力推進系統配合使用，主電力推進裝置可兼作DP系統的推力器[9]。此外，側向推進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 語

基于小型航海保障工作船主推進和定位功能的需求分析，梳理對比目前主流船舶推進系統和定位系統的特點，確定新型航保船的首制船采用常規定距槳推進及錨泊定位的高性價比方案，符合該型船配備于基層航標管理單位的定位，實現低造價、實用性強、突出的性價比、能廣泛推廣的研制目標，可作為海事系統的基礎標準船型。同時通過對多種推進和定位模式的分析，為今后通過模塊化優化設計，選擇不同類型的主推進和定位形式，形成系列化船型構建了技術基礎。航海保障單位可根據自身需求通過不同的模塊搭配進行選擇性建造，在以航標作業為主的基礎上派生出多用途船型，延長基礎船型的技術壽命，形成更大的社會和經濟效益，符合當今船舶設計的發展趨勢。

[ 1 ] 郁玉峰，梅斌賢，徐高峰，等.大功率海工可調螺距全回轉推進系統[J]. 中外船舶科技，2015(4)：20-23.

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[ 3 ] 于全虎.長江車客渡船全電力推進關鍵技術研究[J].江蘇船舶，2016，33(4)：1-5.

[ 4 ] 吳德烽，楊國豪.船舶動力定位關鍵技術研究綜述[J].艦船科學技術，2014，36(7)：1-6.

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[ 7 ] 姜玉林. 動力系統在船舶電力推進動力定位中的應用探討[J].航海，2014(5)：63-65.

[ 8 ] 于全虎，劉錫華，常致.內河小型航標船關鍵技術的研究[J].江蘇船舶，2015(5)：1-3.

[ 9 ] 中國船級社.國內航行海船建造規范[M].北京：人民交通出版社，2012.

[10] 中國船級社.鋼質海船入級規范[M].北京：人民交通出版社，2015.