吊艙推進器在海事測繪船舶的應(yīng)用

胥祺 嚴明 戴紅偉

（東海航海保障中心上海海事測繪中心，上海 200090）

摘要：本文簡述了當(dāng)前海事測繪船舶工作環(huán)境、設(shè)備條件，對比國內(nèi)外測繪行業(yè)船舶的科技手段，從而闡述吊艙推進器在海事測繪船舶的應(yīng)用;還歸納了新型船舶在結(jié)構(gòu)布局、操縱性、測量精確性、經(jīng)濟性、環(huán)保性等方面的優(yōu)勢，為海事測量船舶的發(fā)展及建造提供參考。

關(guān)鍵詞：海事測繪;吊艙推進器;發(fā)展;建造

0 引言

海事測繪作為海上交通安全的重要技術(shù)保障，在整個航運經(jīng)濟中扮演著卜分重要的角色。總體上，我國海事系統(tǒng)的海道測量能力較弱，測量范圍主要集中在沿海和部分離岸50n mile以內(nèi)的沿海水域，尚不能開展近海水域內(nèi)的航路和專題水域交通測量。作為海道測量的基礎(chǔ)作業(yè)平臺，全國海事系統(tǒng)僅有各類測量船艇17艘，且主要是300t及以下排水量的小型船艇，還沒有真正意義上的大型專業(yè)測量船，僅有l(wèi)艘由東海航保中心原大型航標(biāo)船改造的測量船“海巡166”，該船建成于1977年，至今服役已近42年。

為滿足日益增長的沿海水域交通測繪工程需求，交通運輸部提出了“專屬經(jīng)濟區(qū)海事測繪”的發(fā)展戰(zhàn)略，計劃將海事測繪范圍由沿海向近海及遠洋拓展。在新的發(fā)展形勢和要求之下，海事測繪面臨著良好的發(fā)展機遇，也存在著測量船舶和裝備能力不足的巨大挑戰(zhàn)。

目前，發(fā)達國家的測量船舶越發(fā)注重測量功能的綜合性、測量區(qū)域多用性，因此船舶動力推進系統(tǒng)也越來越注重它的設(shè)備先進、運行可靠、維護管理簡捷、功能優(yōu)良、振動噪聲低等性能。值得一提的是英國的2艘水文地貌考察船（見圖1），各配置ABB公司的2xl700 kW的吊艙推進器，全船長90.6m，設(shè)計航速為15kn，噸位為3470t。首船“HMS Echo”號榮登當(dāng)年年度全球最佳船舶榜，促成英國船東選定吊艙推進器系統(tǒng)的主要因素是吊艙推進系統(tǒng)的低維護成本、低噪聲和操作簡單。

我國目前裝備吊艙推進的船舶，如“雪龍2”號破冰考察船、中科院青島海洋所“科學(xué)”號以及中國海洋大學(xué)新一代海洋綜合科考船“東方紅3”號考察船等。吊艙推進船舶的先進性能在各個船型均得到充分的驗證。首艘由中國自行設(shè)計的采用緊湊型吊艙裝置的全電力推進系統(tǒng)船舶“中國海監(jiān)83”號（見圖2），在2005年投入使用至今。該船操縱性極佳，可靠性好，船體振動輕微。此外，該船的吊艙式電力推進系統(tǒng)與常規(guī)推進系統(tǒng)相比，燃油可節(jié)約10%-15%。功率管理系統(tǒng)可根據(jù)負載的要求，智能選擇投入運行發(fā)電機組的數(shù)量，從而到最佳的經(jīng)濟效率。

2 吊艙推進器船舶概述

作為一種新一代的全電力推進器，吊艙式推進器在20世紀(jì)90年代早期開始投入應(yīng)用。在吊艙推進系統(tǒng)中，電動機安裝在一個浸沒于水中的可旋轉(zhuǎn)吊艙中，螺距螺旋槳（FPP槳）軸直接與電機轉(zhuǎn)軸相連接，發(fā)電機組給船舶電站供電，進而帶動推進電機旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。與傳統(tǒng)的螺旋槳推進方式相比，吊艙推進器減除了軸系、縮減了艉軸間，船體艉部可優(yōu)化設(shè)計成平緩流線型，進而提高船舶推進效率;省去舵及側(cè)推器并提高船舶操縱和緊急機動能力;降低螺旋槳空泡、船艉振動及水下輻射噪聲等。

3 吊艙推進器船舶的操縱性能

得益于吊艙推進器快速回轉(zhuǎn)的特性及優(yōu)異的橫向推力，船舶的快速反應(yīng)和應(yīng)付緊急情況下避撞等操縱性能得以大幅提高。

3.1 緊急停船性能

緊急制動時，吊艙推進器采用獨特的制動方式，在保持螺旋槳轉(zhuǎn)速的同時進行180°回轉(zhuǎn)，從而改變拉力的方向?qū)⒋爸苿印?/p>

3.2機動性能及DP定位性能

吊艙式電力推進系統(tǒng)有更好的倒車性能，可以采用回轉(zhuǎn)的方式倒車，也可以通過直接反轉(zhuǎn)螺旋槳的方式，尤其是大風(fēng)浪天作業(yè)時，其靈活操縱優(yōu)勢更加明顯，即使在8級風(fēng)的情況下仍能自行靠近目標(biāo)，增加船舶在惡劣海況下的工作能力。

轉(zhuǎn)舵速度：在操控模式下，吊艙推進器的電力轉(zhuǎn)舵速度為12°/s。

反轉(zhuǎn)速度：DP定位時吊艙推進器可以直接反轉(zhuǎn)螺旋槳迅速改變推（拉）力的方向，達到快速反轉(zhuǎn)效果。而軸系推進器一般先停轉(zhuǎn)螺旋槳，然后再反轉(zhuǎn)。

單臺故障影響：因其快速轉(zhuǎn)舵及直接反轉(zhuǎn)的特性，吊艙推進的船舶在單臺故障時依靠單臺推進器快速改變推力方向，仍能保持較好動態(tài)定位能力.

4 吊艙推進器船舶的測量精確性、舒適性

吊艙推進系統(tǒng)因為獨特的軸系結(jié)構(gòu)設(shè)計、原動機轉(zhuǎn)速固定，對船體的振動噪聲大大降低;螺旋槳的針對性設(shè)計、防氣泡船體一體化多波束導(dǎo)流罩的應(yīng)用、新型變頻器的研發(fā)也滿足DNV SILENT R的靜音要求。振動噪聲低的船舶設(shè)計提高了測量設(shè)備測量數(shù)據(jù)的精確性，也提高了在船人員生活及工作的舒適度。

4.1 艙室振動噪聲

采用吊艙推進的船舶，振動噪聲大大降低。體現(xiàn)以下幾個方面：

（l）由于吊艙推進船舶沒有中間傳動的傳動軸系和變速齒輪箱，螺旋槳與船體之間也不存在剛性連接，對船體產(chǎn)生的振動噪聲得以大幅改善。

（2）軸系或Z推一般采用推式槳，來流流場受艉部構(gòu)件影響產(chǎn)生紊流，吊艙式電力推進器采用拉式槳，其螺旋槳盤面正對水流，能獲得均勻的流暢，從而有效降低螺旋槳的激振力。

4.2水下輻射噪聲

測繪是海事測量船舶的主要作業(yè)，而水下輻射噪聲對測量精確性和高效性有不可忽略的影響。

參照DNV SILENTR的標(biāo)準(zhǔn)，分為：（l） Silent（R）;（2） Silent（F）;（3） Silent（A）; （4） Silent（S）;（5）Silent（E），見圖5。

螺旋槳低頻和電機的高頻電磁噪聲是吊艙推進船舶水下輻射噪聲主要來源。由于采用拉式螺旋槳，流暢均勻，5葉槳設(shè)計，并且螺旋槳負荷非常低，llkn航速時，螺旋槳功率僅600kW左右，螺旋槳的水下噪聲將得到最大限度的降低。可專門設(shè)計螺旋槳，采用防氣泡船體一體化多波束導(dǎo)流罩和最新系列ACS880變頻器，優(yōu)化變頻器的控制模式，將吊艙水下電磁噪聲控制到最低水平并滿足科考船靜音DNV SILENTR的要求。

從“向陽紅3”號科學(xué)考察船看，采用吊艙式推進船舶設(shè)計，在經(jīng)濟航速和最大航速工況下全船61個住艙均滿足中國船級社舒適度（COMF）2級標(biāo)準(zhǔn)，遠遠優(yōu)于通常科考船所能達到的噪聲級別，全船噪聲最低的艙室噪聲實測僅為38.9dB;此外，經(jīng)挪威船級社水下噪聲測量部門的標(biāo)準(zhǔn)測量，本船在O-llkn的全航速段水下輻射噪聲均滿足挪威DNVGL船級社最高等級SilentR的要求并獲得認證。減振降噪設(shè)計與建造實施的成功，為船上工作人員提供了更加舒適的生活和工作環(huán)境，為船載精密科學(xué)儀器提供了精確的測量環(huán)境。“東方紅3”號船即將成為全球首艘獲得DNV GL水下輻射噪聲最高等級SilentR證書，這也為海事吊艙推進船舶提供一個很好的參考。

5 吊艙推進器船舶的經(jīng)濟性能

5.1推進效率

吊艙電力推進作為一種新型電力推進器，與常規(guī)柴電電力推進和機械推進相比，有著更高的推進效率（見圖6），具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（l）采用拉式槳設(shè)計的吊艙，拉式螺旋槳能夠產(chǎn)生非常好且均勻的伴流區(qū)，可提高螺旋槳流體動力效率并減少空泡現(xiàn)象。

（2）推進器的螺旋槳直接安裝在推進電機的轉(zhuǎn)軸上，無任何中間傳動能量損失。

（3）吊艙推進船舶消除了常規(guī)艉軸，船體艉部可設(shè)計成平緩流線型，從而降低船體阻力。

（4）吊艙推進的船舶不配備減速齒輪箱，中間軸承，艉管軸承等設(shè)備，內(nèi)部也無傘形齒輪等傳動機構(gòu)，相應(yīng)節(jié)約這些設(shè)備的潤滑及冷卻需要的輔助動力能源。

5.2運行成本

（l）燃油消耗

燃油消耗成本取決于運行時電站的負載需求。與其他推進相比，吊艙推進節(jié)約燃油消耗，據(jù)運行的“中國海監(jiān)50”及煙大線鐵路輪渡反饋，其配備Azipod電力推進系統(tǒng)的運行船舶比同類其他推進方式的船舶節(jié)約l5%-25%的燃油。

（2）滑油消耗

滑油消耗成本取決于消耗滑油設(shè)備的數(shù)量及更換周期，吊艙推進系統(tǒng)不配備減速齒輪箱，中間軸承，艉管軸承等設(shè)備，相應(yīng)的滑油消耗不再需要;無艉軸管滑油泄漏風(fēng)險，避免因滑油意外泄漏引起的滑油消耗。

（3）運行可靠

吊艙推進系統(tǒng)設(shè)計簡單，統(tǒng)計的平均可靠性高在99.8%以上，運行時間已經(jīng)突破700萬h，無運行方面的風(fēng)險。

5.3 維護保養(yǎng)

吊艙推進器僅有一根傳動軸，可省卻大量軸系推進系統(tǒng)所需設(shè)備，設(shè)備的維護保養(yǎng)大大簡化。日常主要維護是定期更換空氣濾芯，定期更換少量的潤滑油。5年周期維護原材料費用大概是30萬每臺，主要維護內(nèi)容是更換艉軸密封。吊艙維護保養(yǎng)簡單方便：檢修時間最長可達10年;所有維護工作都可以在干船塢內(nèi)完成;48h內(nèi)即可完成密封件和軸承的更換;吊艙推進系統(tǒng)水下安裝在24h內(nèi)完成。

6 吊艙推進器船舶的環(huán)保性能

隨著海洋資源的開發(fā)、深海戰(zhàn)略的拓展，人類對海洋的探求力度加大，但也對海洋環(huán)境破壞加劇，各種海洋環(huán)保公約相繼而出。因此，環(huán)保性能也是海事測繪船舶發(fā)展中不可忽視的一面。

6.1 大氣環(huán)境

吊艙推進船舶是通過負荷加載使中速柴油機在恒速工況附近運行，較其他推進方式的船舶節(jié)能且減少廢氣的排放量，降低大氣污染。

6.2 海洋環(huán)境

海洋污染很大一部分與船舶滑油泄漏相關(guān)，軸系或Z型推進系統(tǒng)需要高達以噸汁的潤滑油，如果軸系艉管及Z型推進器的密封發(fā)生泄漏，內(nèi)部的滑油會泄漏到海水中造成海洋污染。

吊艙式電力推進器僅推力軸承需要約60L左右的潤滑油，且采用密閉油殼式自潤滑方式，完全與海水隔離，從根源上杜絕推進系統(tǒng)常見的軸系艉管滑油泄漏或機械全回轉(zhuǎn)滑油泄漏問題，避免對日益惡化的海洋環(huán)境造成污染。

7 吊艙推進器與機械推進器對比（見表1）

吊艙是無齒輪傳動的推進器，同機械推進器（Z型傳動或者L型傳動，也稱為舵槳）有本質(zhì)區(qū)別，見圖7。

8 結(jié)束語

隨著國家提出建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議等的部署，海洋經(jīng)濟及航運貿(mào)易將迎來新的發(fā)展機遇。面對新形勢和新要求，為保障國家戰(zhàn)略實施和經(jīng)濟社會安全發(fā)展，有效履行相關(guān)國際公約，提升我國海事部門執(zhí)行深遠海測任務(wù)的綜合能力，滿足多海域任務(wù)的執(zhí)行要求，保障國家海洋戰(zhàn)略實施。建造新型測量船舶對我國海事發(fā)展有著積極的意義，爭取早日擁有吊艙式推進船舶，參與測量領(lǐng)域的國際競爭。

參考文獻

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