豪華郵輪轉向推進系統的技術探討

楊 剛，孫瑞紅，葉欣梁 YANG Gang,SUN Ruihong,YE Xinliang

（上海工程技術大學 管理學院，上海 201620）

改革開放以來，我國船舶工業在造船模式、總產量和國際競爭力等方面實現了快速發展，船舶建造能力和水平明顯提高，造船能力國際領先，在造船三大指標方面連續保持世界第一，我國已經成為了全球矚目的船舶制造大國。但是與歐美等造船強國相比，目前豪華郵輪的建造經驗以及技術依然十分欠缺，豪華郵輪的自主設計和建造已經成為了我國由造船大國向強國轉變的亟待突破的領域。

早在2015年5月，國務院發布了《中國制造2025》，這份戰略性文件明確提及將突破豪華郵輪設計建造技術作為主要目標之一。2018年5月，中船動力有限公司牽頭論申報成功了《郵輪動力系統及輔助系統集成及調試技術研究》項目，該項目獲得了工信部的立項批復。這標志著中船動力開啟了本土豪華郵輪動力技術方面的實質性研究。2018年10月，在進博會期間召開的中央企業國際合作論壇上，中船集團與嘉年華集團及芬坎蒂尼集團簽訂了2+4艘Vista級郵輪建造合同，合同金額高達46.2億美元，并由上海外高橋造船廠負責承建。這意味著我國第一艘國產郵輪的建造已經進入了實質性的施工階段，這次發展機遇將大力推動我國船舶工業的轉型升級，但同時也面臨較大的建造風險和挑戰。

1 豪華郵輪轉向推進系統的特點及要求

為滿足豪華郵輪在海上轉向、進出狹窄航道與入港的機動性要求，郵輪配備的轉向操控裝置顯得極其重要。目前豪華郵輪大多數采用芬蘭瓦錫蘭公司的吊艙式推進器系統，同時在船的前面配備四套船首側推器輔助船只的航行，每只船首側推器的直徑將近有4米。盡管豪華郵輪的水下部分是流線型的，但是水上龐大的船體部分卻是郵輪設計建造的巨大挑戰。因為船體的風速剖面較大，同時豪華郵輪還面臨著海上變幻莫測的天氣。在惡劣的天氣條件下，船長要想操控郵輪順利航行，郵輪的轉向推進系統功不可沒。吊艙式推進器可以讓船只快速到達指定位置，保障了巨型船只在較小港口優良的轉向控制能力。這一系統不僅使得豪華郵輪有了無與倫比的轉向控制力和轉向精度，還大大提升了郵輪在航行過程中的可操作性。全回轉式吊艙推進器不僅是郵輪建造工業的一項革命性的成果，也是全球造船技術上的一項創舉。

2 豪華郵輪轉向推進技術的歷史演變（如圖1所示）

圖1 技術演變圖

（1）明輪推動技術：轉向控制技術源自于英國的造船工程師露西·柯林斯的發明——明輪。在這之后，美國工程師富爾頓應用明輪技術以及結合蒸汽機技術發明了克萊蒙特輪船，這種船能夠很好的行駛在江上及海上，它依靠明槳動力進行推進。由于明輪船擁有比較好的轉向控制能力，使得這一時期的船只擁有了穿越大西洋的能力。但是由于海上的風浪較大，船只左右晃動時，很容易造成明輪的空轉，就會浪費了很多的動力，同時明輪的體積較大、易損壞，明輪船逐漸被淘汰。

（2）螺旋槳推進技術：發明家柏內基于阿基米德螺旋泵的原理，他將這種螺旋泵的技術應用在了船只上面，螺旋槳可以在水中推動船只前進。1836年弗蘭西斯·史密斯獲得了旋轉螺旋槳的專利，這種螺旋槳可以用來驅動重達6噸的船只，后來他發明了縮短的螺旋槳，這種推進器克服了明輪的弱點，它成了現代螺旋槳推進器的前身。此后螺旋槳轉向推進系統成為海上船只的主要推進方式，這種推進技術距今已有將近180年的歷史。

（3）舵槳推進技術：這一技術起源于20世紀50年代，這是由德國工程師約瑟夫·貝克爾提出的，他設計了被稱為舵槳的裝置，它既可以有效控制船舶的行進方向，同時還可以為船舶的行進提供推動力。放置在水下的螺旋槳可以為船只提供動力，并且有效地控制船只前進的方向，這種船舶的動力源可以高效的滿足船舶的需要，這個發明是相對于螺旋槳推進技術是革命性的。

（4）全回轉式吊艙推進技術：借助于舵槳的理念，造船工程師將這一設計思想運用到豪華郵輪上，發明出了全回轉吊艙式推進系統。與傳統固定在船體的螺旋槳軸系推進系統以及舵槳推進系統不同，全回轉式吊艙可以實現垂直軸360度自由旋轉。當前全球豪華郵輪主要采用的是ABB公司生產的Azipod無齒輪吊艙推進系統。根據測算，這種推進器不僅可以提升10%到15%的效率，而且還可以節約大概70萬噸的燃油，一年平均可以節省相當于170萬美元的燃油和能耗，同時保證了高效的轉向控制和推進的性能。

3 郵輪轉向推進系統的技術分析

隨著技術的發展，目前豪華郵輪除依靠吊艙推進器之外，還需要借助船首側推器完成轉向控制。側推器是一種設于郵輪首部橫向管道內由電動機帶動的螺旋槳，這種靈活的螺旋槳能將一舷的水排向另一舷，借助海水的反作用力助推郵輪轉變方向。借助強大的轉向推進系統，體型巨大的豪華郵輪能夠靈活自如地從一條狹小的通道中駛離港口。

（1）模塊化程度高便于安裝維護

豪華郵輪配備著全回轉式吊艙推進器，這種推進器可以拆分為3個模塊，分別為回轉模塊、推進模塊和吊柱模塊，每一模塊都可以獨立加工，然后像搭樂高積木一樣完成組裝。郵輪的船尾有三套Azipod吊艙推進系統，也就是3只青銅螺旋槳，它們能360度轉向，這種螺旋槳系統既可以推著船只前進，也可以掌控船只的方向，每只寬達6米，而且重達45噸。

（2）較高的船舶轉向控制性能

每臺推進器的功率將近2 000萬瓦特，有著非常強勁的動力。郵輪的轉向推進系統包括3臺吊艙式推進器以及5.5兆千瓦的船首側推裝置，這一系統使得對船只的控制變得非常容易。例如，海洋量子號在全速的情況下，僅僅需要200米的半徑就可以實現回轉，而使用傳統推進器的郵輪回轉半徑則需要達到400米。轉向推進系統的螺旋槳不僅可以在水中快速的驅動豪華郵輪前進，而且讓豪華郵輪同時具備小型港口的轉向控制能力。這就可以讓郵輪能夠適應更小的港口，保持港口進出的機動性。對于普通郵輪來說，例如處女星號郵輪，它搭載的是傳統的推進器，每分鐘只能轉角20到25度。而使用全回轉式吊艙推進器的豪華郵輪即使在沒有船首側推器幫助的情況下，每分鐘依然可以實現轉角90到100度，它可以全方向產生助推力，幫助郵輪改變航向，滿足豪華郵輪日常海上航行時調整方向的需要。

（3）提高推進效率，更加環保降噪

近幾十年來，瓦錫蘭公司研發的Azipod吊艙式全回轉電力推進系統已經成為了全世界各種海洋船舶安全高效以及可靠的動力源。對于配備Azipod無齒輪吊艙式全回轉推進系統的豪華郵輪，其電動馬達位于船體外部的水下吊艙內，這樣的設計保證了船舶高效可靠運轉，同時也降低了噪聲。它可以360度旋轉來提高機動性和運營效率，與傳統的軸系推進系統相比，能降低多達20%的油耗。并且得益于轉向推進系統的低噪音低振動，該系統極大地改善了乘客和船員的舒適性。豪華郵輪配備Azipod吊艙式全回轉電力推進系統以后，可以節省很多的燃油，這也意味著配備Azipod的郵輪每年可以減少大量的二氧化碳。配備了Azipod的郵輪能夠很好地應對天氣的變化，加快船舶靠港的速度和準確性。

4 結束語

豪華郵輪需要頻繁停靠泊港，其特殊性要求郵輪必須具備較高的操縱能力，郵輪轉向推進系統憑借優異的性能可以很好地保證轉向的精度以及推進的效率。國外吊艙推進器技術已比較成熟，但是這種轉向推進系統依然是我國在該領域的技術短板，我國的科研院所和造船公司應積極開展技術攻關，立足自身進行科研，掌握豪華郵輪關鍵制造技術，早日研發出自己的吊艙式推進系統，實現郵輪國產化，在激烈的國際競爭中立于不敗之地。