固定吊艙式混合對轉槳推進系統對船舶操縱性能的影響分析

林福泉

(中國船級社廈門分社，福建 廈門 361000)

對轉槳推進系統由同心的沿船長方向前后直線排列的，轉向相反的2個螺旋槳組成，前螺旋槳和后螺旋槳均產生向前的作用力，前槳尾流中的渦動能量由后槳回收利用從而實現節能[1]。根據其具體構造不同可分為3種形式:①驅動前后2個相反方向旋轉的螺旋槳的軸由內外同心的2根軸組成。外部中空的軸帶動前槳轉動，內部的軸連接后槳；主機發出的功率在彈性聯軸節處分為兩部分，一半被傳遞到反轉齒輪機構用于驅動前槳，另一半直接驅動后槳，該種型式齒輪機構復雜，機械密封容易失效[1-2]；②柴油機直接通過軸系驅動前槳推進，其后布置一個吊艙式推進器，電動吊艙裝置可360°回轉代替舵控制船舶航向,常規推進和電力推進混合，故被稱為吊艙式混合對轉槳推進系統(CRP-POD)，該種型式成本高，技術基本掌握在ABB等少數廠家手中[3]；③前槳與第二種形式相同，吊艙推進器固定在掛舵臂上不可Z向旋轉，吊艙后設置有經過改進的舵葉，如圖1所示，這種固定式吊艙對轉槳推進系統稱為CRP-Rudderpod。CRP-Rudderpod對轉槳推進系統概念由2010年歐盟與第七框架計劃內的TRIPOD聯盟提出，該方案使系統更加簡單，活動部件數量減少，系統可靠性增加，降低了CRP系統的安裝和維護成本，使得CRP系統具備廣泛應用可能和良好的推廣價值，同時使營運船改造安裝CRP系統也變得更易于實現[5]。

圖1 兩種推進系統外觀

通過與常規推進系統比較，顯然采用CRP-Rudderpod推進系統時舵葉距離螺旋槳的距離較大。根據舵效產生的原理，正車時，流經舵葉的水流，分為螺旋槳正車帶來的排出流和船舶前進相對水自身流速產生的水流速度的頂流，兩者共同作用在有一定角度的舵葉上形成轉向力矩。在相同的船速及相同的舵角的情況下，螺旋槳正車帶來的排出流越大舵效越好。使用CRP-Rudderpod推進系統時，螺旋槳位置與舵葉的位置距離加大，可能影響螺旋槳正車帶來的排出流作用在舵葉上的力，從而影響舵效，影響船舶操縱性能。

由于CRP-Rudderpod推進系統自概念提出以來未有實船安裝應用，設計時無參考數據，國內對于CRP系統的研究仍處在模型試驗和水動力性能數值模擬階段[4]。因此，考慮通過對首次實船安裝的CRP-Rudderpod推進系統進行航行試驗，測試和分析該系統對船舶操縱性能的影響，對后續混合對轉槳推進系統的開發和設計提供實例數據參考。

1 試驗船舶基本情況

以某船廠建造的應用固定吊艙式混合對轉槳推進系統的集裝箱船為研究對象，將其航行試驗獲得的數據與其姊妹船首制船的數據進行對比。混合對轉槳推進系統工作時，具有對轉推進模式和單主機推進模式，考慮對轉槳推進系統前后槳互相影響可能對舵效有影響而導致船舶操縱性能發生變化，因此試驗針對對轉推進模式和單主機推進模式2種模式分別進行測量和分析。

為下文中討論方便簡稱使用常規推進的首制船為A船，使用固定吊艙式混合對轉槳推進系統的船舶稱為B船，當B船工作在對轉槳推進模式時稱為B1船，在單主槳推進模式時稱為B2船。

A船和B船為同一船廠建造的姊妹船，船型參數相同，見表1。

表1 某船廠建造的集裝箱船船舶參數

螺旋槳參數不同，其對比情況見表2。

表2 A、B船螺旋槳參數對比

對比發現，螺旋槳位置距離舵葉中心線的位置距離發生了變化，從原來的3 270 mm變成5 130 mm。由于在設計時已預見螺旋槳與舵葉位置的變化可能對船舶操縱性能影響較大，因此，加大舵葉的面積用以改善舵效，舵葉面積從A船的26.4 m2，增加到B船27.72 m2。對轉推進模式時，主機通過軸帶發電機-變頻器分配一部分功率給吊艙，設計前、后槳的功率分配為5∶1。

2 試驗對比

航行試驗按照GB-T3471—2011《海船系泊及航行試驗通則》和IMO/MSC.137(76)[5]《船舶操縱性標準》的要求進行。需要完成的船舶性能試驗項目包括：測速試驗，停船試驗，回轉性能試驗，航向穩定性試驗，Z型操縱試驗等。航行試驗時，A、B船在同一海域進行，水深50 m，風浪條件相近，壓載狀態相同，首吃水3.4 m，尾吃水7.2 m，排水量21 781.72 t。

2.1 測速試驗分析

混合對轉槳推進系統船舶B與常規推進姊妹船A的測速對比見圖2。測速同時測得的對應的主機功率百分比下的油耗對比見圖3。

圖2 航速對比

圖3 油耗對比

對比可以看出，使用混合對轉槳推進系統的船速曲線B1在主機功率50%，75%和100%時均低于常規推進船A，對轉槳在75%～90%時后槳的提速效果增加，并在90%略超過A船航速。B2船曲線其后槳為隨動狀態，航速較低。混合對轉槳推進系統并沒有使得船速得到有效提高，但綜合圖4的油耗情況，B1模式時其主機消耗的油耗降低很多，再通過測得的軸功率比對發現，B1模式下測得的總軸功率約為常規推進船舶的88%～93%，因此可以推斷在選型時螺旋槳尺寸前槳偏小，前后槳功率匹配還需進一步優化。此外，發現B2模式下后槳隨動時，在高轉速下隨動的后槳對水流具有較大改善作用，油耗降低異常明顯。

2.2 停船試驗

停船試驗分為主機停車慣性停船試驗和主機全速倒車停船試驗。考慮對轉推進模式時，船舶速度比單主槳推進模式快，只要在對轉模式下慣性和停船性能滿足要求，則在單主槳推進模式下也能滿足要求，因此慣性和停船試驗僅進行對轉推進模式工況的測量，單主槳推進模式不進行試驗測量對比。慣性停船試驗和倒車停船試驗數據對比見表3、4。

表3 慣性停船試驗結果

由表3可見，B船在航速較低的情況下慣性停船的航跡行程和縱距還較其常規推進姊妹船更長，停船時間也較其他姊妹船更長，表明后槳在慣性停船過程中隨水流轉動，一定程度上起到引流的作用，加大了慣性停船的距離。

由表4可見，B船在航速稍低的情況下倒車停船的航跡行程還較其他常規推進姊妹船長很多，停船時間也較其他姊妹船長很多。B船倒車停船時有兩個因素影響：①全速倒車時只有前槳反向轉動，后槳處于隨動狀態，后槳隨動相對前槳在水流前端，對水流形成一定的擾動，影響了前槳倒車的效果。②如表2所示，B船的前槳直徑比常規推進的姊妹船小，槳葉少1葉，因此形成的倒車反向推力也較小。這2個因素共同作用，加大了倒車停船的距離。但是，根據“IMO/MSC.137(76)《船舶操縱性標準》規定全速倒車停船試驗測得的航跡行程不應超過15倍船長，測得的數據仍在2 800 m的標準范圍內。

表4 倒車停船試驗結果

2.3 回轉試驗

回轉試驗以全速度穩定航行開始操舵至兩舷各35°，待船首向角變化達到540°以上完成一個回轉試驗。從該試驗獲得戰術直徑、縱距、橫距和回轉直徑等重要信息，以表征船舶的緊急偏轉避碰能力，因此，回轉試驗數據用于衡量船舶的操縱性能至關重要。A船、B船在兩個模式下的回轉試驗數據對比見表5。

表5 回轉試驗數據對比

由表5可見：

1)根據“IMO/MSC.137(76)《船舶操縱性標準》”規定回轉能力衡準：回轉圈操縱時，縱距應不超過4.5倍船長，回轉圈直徑應不超過5倍船長。從以上對比表格可以看出，B船裝的對轉槳推進系統，回轉能力的縱距和回轉直徑均遠小于衡準值796.5 m和885 m，因此，混合對轉槳推進系統的使用仍保持回轉能力較好。

2)與常規推進姊妹船A相比，B1船在對轉槳推進系統工作的情況下，初始航速較低，但回轉直徑、戰術直徑和縱距仍較大，表明對轉槳推進系統的安裝使回轉能力有所降低。

3)B2和B1相比，單主槳推進模式吊艙隨動的情況下，初始航速較低，但回轉直徑、戰術直徑和縱距比對轉推進工作模式大，表明吊艙不參與推進時，前槳的推出流作用在舵葉上形成舵效的力矩受到后槳的影響，整體回轉能力進一步降低。

2.4 Z形操縱試驗

Z形操縱試驗系指當船舶偏離初始航向達到給定角度時交替向兩舷操一定舵角的操縱，用于衡量偏航糾正能力和航向穩定能力。Z形操縱試驗分為10°/10°Z形操縱試驗，和20°/20°Z形操縱試驗，交替向兩舷操10°(20°)舵角使船舶偏離初始航向達10°(20°)。

根據“IMO/MSC.137(76)船舶操縱性標準，”Z形操縱試驗的衡準：該型船設計航速為14.5 kn，換算為7.459 m/s，可算得 10°/10°Z形操縱試驗測得的第一超越角值不應超過16.86°，第二超越角值不應超過 35.30°，20°/20°Z形操縱試驗第一超越角值不應超過25°。操左/右舷10°舵角，首向角離初始航向改變10°時，船舶的縱距應不超過2.5倍船長。實船測得的Z形操縱試驗數據對比見表6、7。

表6 Z形操縱試驗數據的對比(10°/10°)

表7 Z形操縱試驗數據的對比(20°/20°)

由表6、7可見，對轉槳推進系統船船舶，其Z形操縱試驗的數據均滿足IMO/MSC.137(76)決議的要求，偏航糾正能力和初始回轉能力與常規推進的姊妹船相差不大。根據前述回轉試驗結果，采用混合對轉槳推進系統的B船其回轉半徑較同系列姊妹船大，而超越角卻相差不大。綜合回轉試驗數據和Z形操縱試驗數據可以推斷，整體回轉性能變差，但初期小角度的航向糾正能力沒變，與舵葉面積加大5%響應更快有關(舵機的操舵時間一致，平均都為24 s)。

2.5 航向穩定性試驗

航向穩定性試驗需要做2個試驗，①在全速情況下穩定直線航行3～5 min后，保持舵角不變，測量記錄羅經航向讀數連續測量3～5 min，順流逆流各進行1次；②在全速情況下穩定直線航行3～5 min后，保持航向不變，測量記錄為保持航向不變所操舵的最大舵角，連續測定3～5 min。實船進行航向穩定性試驗，數據對比見表8。

由表8可見，混合對轉漿推進系統的后槳無論是參與推進作與否其航向穩定性均優于常規推進系統的姊妹船。船舶前進時，螺旋槳固定一個方向旋轉，帶動水流形成的推出流有一定的偏轉方向，導致船舶固有航向偏轉性能，對轉槳推進系統的使用，后槳相對前槳反向旋轉工作，對推出流的偏轉起到改善的作用，因此船舶的航向穩定性更好。在后槳不工作處于隨動狀態的時候，也同樣改善了水流的偏轉，船舶的航向穩定性更好。

表8 航向穩定性試驗數據的對比

3 結論

1)混合對轉漿推進系統使慣性停船距離和倒車停船距離加大，停船性能有所降低，但是仍在IMO要求的范圍內。建議提供后槳剎車裝置，可在緊急情況下緊急制動后槳，改善船舶停船距離。

2)混合對轉槳推進系統使用時試驗獲得的回轉性能參數遠小于IMO要求的衡準值，整體回轉性能較好，但其回轉直徑、戰術直徑和縱距仍有所變大，回轉能力有所降低。

3)通過回轉試驗數據和Z形操縱試驗數據綜合分析，表明該型混合對轉槳推進系統雖然使船舶整體回轉性能相對常規推進的姊妹船變差，但通過加大舵葉的面積使初期小角度的航向糾正能力保持基本不變。針對本例船型，舵葉面積增大5%，保持了航向糾正能力，回轉性能有所降低但仍保持原遠小于IMO要求的衡準，因此舵葉面積加大的比例較為合理。

4)混合對轉槳推進系統使用明顯地改善了船舶的航向穩定性。

5)CRP-Rudderpod推進系統全球首次在大型貨船上應用，雖對船速的改善未達到預期的效果，但在常用轉速下可見CRP系統節油效果明顯，后續應對前后槳功率匹配，螺旋槳參數選擇及匹配等問題進一步研究，如適當加大后槳的直徑或盤面比等，使其達到更好的提高推進效率和節能效果。