大型LNG船雙軸系非平行布置設(shè)計

宋 煒， 段 斌

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海200129)

0 引 言

在中國為改善環(huán)境質(zhì)量而積極推進“煤改氣”戰(zhàn)略的背景下，2017年中國超越韓國成為世界第二大LNG進口國，全年進口LNG共計3 789萬t。2018年上半年，中國進口LNG總量達2 366.3萬t，較2017年同期增長51.3%。2017年7月初，國家發(fā)改委印發(fā)的《加快推進天然氣利用的意見》提出，到2020年，天然氣在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的占比力爭達到10%，地下儲氣庫形成有效工作氣量148億m3。2017年，中國從美國購買了360萬t LNG，但是2018年美國向中國的LNG出口逐步下降，尤其是在美國對中國300多種進口商品增收25%的關(guān)稅后，中國作為回應(yīng)也提高了美國進口商品的關(guān)稅，特別是對美國進口LNG增收了10%的關(guān)稅，此后完全停購。當前中國進口LNG的缺口由澳大利亞、卡塔爾、馬來西亞等填補，不過隨著北極地區(qū)的亞馬爾LNG項目陸續(xù)投產(chǎn)，俄羅斯將可能成為中國最大的LNG能源貿(mào)易伙伴。而對于美國，只能依靠歐盟和印度為多余的LNG買單。此外，隨著國際海事組織(IMO)對2020年全球限硫決議的堅決執(zhí)行，而且決定在2050年將溫室氣體降低至2008年的50%，航運業(yè)壓力倍增，勢必將在船舶節(jié)能環(huán)保方面增大投入。因此，無論從未來LNG貿(mào)易運輸?shù)恼w體量，還是從北美到印度的中遠貿(mào)易航線，以及IMO積極推進節(jié)能減排政策來看，船舶所有人與以往相比更加青睞節(jié)能型LNG船。

1 雙軸系非平行布置設(shè)計的技術(shù)特點

考慮到船岸兼容、操縱性和靈活性等多方面原因，當前市場主流船型是18萬m3LNG船，該尺度船型大多采用雙軸槳、雙尾鰭設(shè)計，該設(shè)計不僅滿足大型船舶高服務(wù)航速所需的動力要求，而且能優(yōu)化螺旋槳效率，提高船舶的推進效率和經(jīng)濟性，還可以提高船舶推進系統(tǒng)的冗余度、安全性并滿足許多港口的吃水限制[1]。

從17.2萬m3低速機推進LNG船與17.4萬m3電力推進LNG船的平行雙軸推進軸系設(shè)計評估和實船試驗結(jié)果反饋來看，我國在大型LNG船的多樣化推進系統(tǒng)設(shè)計上已積累了豐富的經(jīng)驗并取得了理想的效果。雙軸推進船的艉部流場因雙槳的相互干擾，槳內(nèi)側(cè)和外側(cè)的流場是不對稱的。受非對稱流場的影響，軸系所受到的水平方向彎矩甚至可以達到40%的垂向彎矩，這種水平彎矩與垂向彎矩的交叉疊加使軸系在運行時軌跡飄忽不定，給推進系統(tǒng)設(shè)計帶來了較大的挑戰(zhàn)，但是這些設(shè)計難點均已被攻克[2]。雖然這兩種船型的推進性能指標與油耗指標達到了國際水平，但隨著船型發(fā)展和技術(shù)進步，與國際領(lǐng)先船型相比，這兩型船在推進性能指標以及油耗指標方面存在一定差距，必須對現(xiàn)有船型設(shè)計以及設(shè)計理念上有所突破，才能開發(fā)出達到國際先進水平的LNG船以滿足客戶對船舶節(jié)能降耗更高層次的市場需求。

船型優(yōu)化從線型設(shè)計與推進性能兩方面來開展研究：一方面降低船型阻力，另一方面提高推進系統(tǒng)效率，從整體上降低船舶所需推進功率和能耗。在最新開發(fā)的17.4萬m3雙燃料電力推進LNG項目中，LNG船設(shè)計團隊提出通過采用雙軸系非平行布置設(shè)計方案來進一步改善雙艉鰭周圍的艉部流場，提高船舶推進效率，最終在實船項目中成功實施，如圖1所示。

圖1 雙軸系非平行布置圖

雙軸系非平行布置設(shè)計技術(shù)的主要應(yīng)用目的是使艉部伴流場更均勻，并增加螺旋槳盤面處來流。在設(shè)計船體線型和尾鰭時，考慮將雙軸系設(shè)計成與船中線具有一定夾角的傾斜布置，通過與尾鰭的良好配合，提高推進效率。

通過艉部流場CFD計算機模擬分析對比發(fā)現(xiàn)：

(1)雙軸系非平行布置設(shè)計螺旋槳盤面進水較平行軸系更加平滑，尤其在螺旋槳船中側(cè)(右側(cè))進水得到較大改善，如圖2所示，伴流因數(shù)達0.4，與先前的0.1左右相比有著可觀的量變，表明雙軸系非平行布置設(shè)計能使螺旋槳進水更加充分。

(2)雙軸系非平行布置設(shè)計螺旋槳頂部(近船尾底部)伴流因數(shù)為0.6左右，較平行軸系設(shè)計該處伴流因數(shù)0.8相比明顯降低。這表明雙軸系非平行布置設(shè)計從螺旋槳盤面甩出、沖擊到的船尾底部的水流流速減弱，能夠有效降低船舶尾部結(jié)構(gòu)受到的水流沖擊力，進而能夠在一定程度上改善船舶尾部以及機艙區(qū)域的船體振動。

圖2 雙軸平行與傾斜布置艉部流場對比

2 雙軸系非平行布置設(shè)計的技術(shù)挑戰(zhàn)

雙軸系非平行布置設(shè)計雖然能夠帶來推進效率的提升，但在設(shè)計和安裝上仍有很多技術(shù)難點與挑戰(zhàn)。

2.1 特殊傾斜設(shè)計的齒輪箱基座結(jié)構(gòu)

船舶航行時，螺旋槳巨大的推力(或拉力)通過軸系傳遞到齒輪箱本體推力軸承上，齒輪箱用數(shù)十個螺栓固定在齒輪箱基座上，進而將推力通過齒輪箱基座傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。齒輪箱基座作為螺旋槳推力傳遞的關(guān)鍵一環(huán)，其設(shè)計必須重點考慮兩個方面：一是齒輪箱基座本身的結(jié)構(gòu)強度須達到設(shè)計要求，能夠經(jīng)得住各種工況的考驗；二是需要考慮齒輪箱基座結(jié)構(gòu)與機艙雙層底結(jié)構(gòu)的有效對接，防止結(jié)構(gòu)鋼板錯位布置產(chǎn)生額外的剪力，導(dǎo)致基座變形進而危害船舶推進系統(tǒng)安全。

在齒輪箱基座結(jié)構(gòu)設(shè)計中，傾斜齒輪箱基座設(shè)計的關(guān)鍵點是齒輪箱軸承，尤其是齒輪箱推力軸承附近的結(jié)構(gòu)鋼板必須與螺旋槳推力方向相一致，也采用傾斜設(shè)計；同時，齒輪箱基座向船尾延伸以方便齒輪箱電動滑油泵的布置和安裝；還有為保證推進電機基座能夠與齒輪箱基座具有相同的熱膨脹和熱應(yīng)力，把齒輪箱基座向船首延伸，與推進電機基座連接成一體。綜合上述幾個方面的考慮，第一版傾斜齒輪箱基座設(shè)計如圖3所示。

圖3 第一版齒輪箱基座設(shè)計圖

在齒輪箱基座結(jié)構(gòu)與雙層底結(jié)構(gòu)對接時發(fā)現(xiàn)，齒輪箱基座下方的縱骨、肋骨都是標準(沿船長和船寬方向)設(shè)計，而且還各有一個強縱桁通過，雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計修改已不可避免。為盡可能減少雙層底設(shè)計修改，對第一版齒輪箱基座設(shè)計進行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容是除了齒輪箱推力軸承附近的基座結(jié)構(gòu)必須采用傾斜設(shè)計外，其余結(jié)構(gòu)盡可能采用標準設(shè)計。為此，在第一版齒輪箱基座設(shè)計圖基礎(chǔ)上，完成第二版圖紙的繪制，如圖4所示。

圖4 第二版齒輪箱基座設(shè)計圖

為驗證齒輪箱基座的結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求，完成了齒輪箱及其基座、局部雙層底結(jié)構(gòu)的有限元計算分析。計算結(jié)果顯示齒輪箱推力軸承處最大變形約為1.2 mm，基座最大變形僅為0.47 mm，均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5 齒輪箱基座有限元分析云圖

雖然有限元計算分析結(jié)果顯示齒輪箱基座設(shè)計滿足設(shè)計要求，但是齒輪箱基座艉部結(jié)構(gòu)變形明顯較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計偏強。為此，做進一步優(yōu)化，縮短齒輪箱基座艉部一檔，一方面可以節(jié)約鋼板材料(65 mm厚鋼板)，另一方面減少和降低齒輪箱基座安裝周期和難度，節(jié)省機艙空間，一舉多得。新優(yōu)化設(shè)計經(jīng)設(shè)備廠家校核后得以通過。最終版傾斜齒輪箱基座設(shè)計如圖6所示。

圖6 最終版傾斜齒輪箱基座設(shè)計圖

2.2 起吊設(shè)施的特殊布置

雙軸系的傾斜設(shè)計使得用于推進軸系、齒輪箱和推進電機起吊的工字梁也必須采用傾斜布置，如圖7所示。采用起吊工字梁的傾斜布置比常規(guī)平行工字梁布置更具有難度，體現(xiàn)在兩個方面：一是傾斜的艉軸抽出難度更大，設(shè)計方案更復(fù)雜。抽出傾斜的艉軸需先將兩號中間軸拆除移開并臨時放置，然后才能進一步拆除艉軸，因此整個艉軸抽出流程需要更多的機艙空間，還需要結(jié)合管路和電纜實際布置情況，合理設(shè)置軸系起吊輔助眼板，這給原本就密集布置的底層甲板帶來極大的挑戰(zhàn)。二是工字梁的反頂加強結(jié)構(gòu)也隨之傾斜布置，該斜向結(jié)構(gòu)跨度大，基本縱跨整個機艙區(qū)域，不可避免地使部分結(jié)構(gòu)伸入到結(jié)構(gòu)箱柜中，如雙燃料發(fā)動機的潤滑油循環(huán)艙，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)箱柜進行設(shè)計修改，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，如圖8所示。箱柜設(shè)計修改不僅需保證功能性相同，還需兼顧生產(chǎn)施工難度，形成有針對性的應(yīng)對方案。

圖7 工字梁的傾斜布置

圖8 主發(fā)電機潤滑油循環(huán)艙的結(jié)構(gòu)圖

2.3 機艙底層設(shè)備的優(yōu)化布置

在雙軸系非平行布置設(shè)計中傾斜角度選取2.4°。

在水池試驗中發(fā)現(xiàn)，雙軸系非傾斜角度在2°～3°時對推進效率貢獻最大。但是機艙底層設(shè)備眾多，尤其是在機艙首部，既有推進系統(tǒng)的齒輪箱和推進電機，又有大量壓載泵和冷卻海水泵，以及復(fù)雜的壓載水處理系統(tǒng)等，傾斜角度的選取將會影響底層設(shè)備的布置和雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計。

底層設(shè)備布置的首要問題是推進系統(tǒng)設(shè)備定位和布置。在雙艉鰭線型設(shè)計中，在艉鰭區(qū)域船體線型收緊且在兩鰭中間線型呈抬高趨勢，如圖9所示，特殊的線型設(shè)計對齒輪箱和推進電機最優(yōu)布置提出較高挑戰(zhàn)。考慮到為推進電機轉(zhuǎn)子預(yù)留抽出空間，齒輪箱定位應(yīng)盡可能偏向艉部。經(jīng)過反復(fù)校核齒輪箱布置安裝要求和船體線型的干涉，最終確定齒輪箱輸出端法蘭中心位置。

圖9 船體模型的艉部外形圖

在雙軸系傾斜角度的選取上，重點考慮機艙海水泵及其管路和閥件布置。機艙海水泵數(shù)量眾多，包括3臺2 500 m3/h的壓載泵、2臺1 800 m3/h的中冷海水泵、6臺主發(fā)電機冷卻海水泵和2臺液貨系統(tǒng)冷卻海水泵等，如圖10所示。機艙海水泵原則上盡量集中緊湊布置，海水管路長度盡可能短，閥件布置合理易操作；同時，推進電機抽出空間內(nèi)不能布置海水泵及其管路和閥件。通過對海水泵布置的專題研究，制定出機艙海水泵緊湊的“一”字集中布置方案。

當確認了齒輪箱定位和機艙海水泵的布置后，經(jīng)過計算和校核，最終確定雙軸系非平行角度為2.4°的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

圖10 底層機艙布置圖

2.4 軸舵系的匹配安裝

采用雙軸系非平行布置設(shè)計，而且雙舵系還為全懸掛舵設(shè)計，大幅提高了對船舶建造精度和工藝的要求。全懸掛舵設(shè)計是指舵葉整體全部懸掛于船體下面，無下支撐，性能較好。全懸掛舵系在安裝時，沒有鏜孔或者澆注環(huán)氧的中間步驟，這也意味著一旦分段搭載結(jié)束，舵系位置就完全固定下來，不能有任何調(diào)整，而軸系采用非平行布置設(shè)計，同樣的誤差在傾斜軸系上會放大，安裝精度必須嚴格控制。因此，如何實現(xiàn)軸舵系的匹配，對船體搭載精度及后續(xù)軸舵系照光鏜孔工藝提出了較高的要求。

面對新型軸舵系匹配安裝問題，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，認為必須保證軸系和舵系中心線的偏差值以確保船舶性能及舵效，在舵系無法鏜孔調(diào)整的情況下，僅靠軸系鏜孔調(diào)整遠遠不夠。因此，必須嚴格控制軸舵系關(guān)鍵分段的制作、總裝和搭載精度。最終總結(jié)出一套雙軸系非平行配合全懸掛舵的安裝工藝以及搭載精度控制方法。經(jīng)過實船驗證，該工藝很好地解決了新型雙軸系非平行—雙懸掛舵的匹配安裝問題，取得理想效果。

3 試航驗證

在推進系統(tǒng)各設(shè)備及軸舵系安裝完畢后進行試航驗證。在常規(guī)試航中，安排長達24 h的耐久試驗，包括8 h雙槳運行模式和左右推進鏈各8 h單槳運行模式。圖11所示的是在中央集成控制系統(tǒng)中推進系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控顯示頁面。單槳運行模式只使用一側(cè)的推進鏈，將另一側(cè)的推進軸系鎖止，能夠使LNG船即便在單槳運行模式下也具有良好的操控性能，能夠保障大型LNG船在單條推進鏈故障情況下保持自航能力的要求，這也是LNG船雙軸槳推進系統(tǒng)具有高冗余性特點的體現(xiàn)。

圖11 推進系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控顯示圖

在試航開始后，為保證齒輪箱的工作狀態(tài)，首先進行約10h的齒輪箱磨合試驗。在此過程中，切勿[][]在船舶高速段進行大舵角轉(zhuǎn)彎，時時監(jiān)控齒輪箱軸承的潤滑油溫度、壓力和振動幅度，一旦發(fā)現(xiàn)超出設(shè)計范圍，需要立刻停車檢查。在齒輪箱磨合試驗后，完成對齒輪嚙合狀態(tài)的取樣和確認，確認無誤后進行推進軸系的軸承磨合試驗。在推進軸系軸承磨合試驗過程中需密切關(guān)注艉管軸承溫度。傾斜布置的艉軸采用了特殊的雙斜坡設(shè)計以應(yīng)對非平行布置的雙軸系設(shè)計中水平彎矩與垂向彎矩耦合后復(fù)雜而又難以預(yù)判的軸系軌跡，從而避免極端工況下因油膜間隙過小產(chǎn)生干運轉(zhuǎn)而引起的軸系高溫和損壞，實現(xiàn)船舶全天候的安全可靠運行。為此，在艉軸承中安裝了固定式的軸系在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠時時掌握推進系統(tǒng)軸承工作狀態(tài)。

最終，通過實船試航，證明了非平行布置雙軸系推進系統(tǒng)的可靠性，同時也確認了雙軸系非平行布置設(shè)計達到預(yù)想的節(jié)能指標。

4 結(jié) 論

以一型17.4萬m3電力推進LNG船為研究載體，開展大型LNG船雙軸系非平行布置的設(shè)計研究，設(shè)計經(jīng)驗和結(jié)論總結(jié)如下：

(1) 在雙軸系非平行布置設(shè)計中，螺旋槳盤面進水較平行軸系更加平滑和充分，從螺旋槳盤面甩出、沖擊到的船尾底部的水流流速減弱，能夠降低船舶尾部結(jié)構(gòu)受到的水流沖擊力。

(2) 與常規(guī)雙軸系平行布置設(shè)計相比，采用傾斜軸系設(shè)計會導(dǎo)致齒輪箱基座結(jié)構(gòu)、軸系和設(shè)備起吊設(shè)施的布置、機艙底層設(shè)備布置等設(shè)計更為復(fù)雜，需進行特殊考慮。

(3) 通過對機艙底層設(shè)備的緊湊化布置，尤其是機艙海水泵的“一”字集中布置和推進電機轉(zhuǎn)子抽出空間的預(yù)留，確定推進軸系傾斜角度選取2.4°的技術(shù)方案。

(4) 通過實船試航中的不同負荷和工況的試驗，包括雙槳推進和單槳推進模式，驗證了雙軸系非平行布置設(shè)計的安全性和可靠性。