外掛式結構平臺吊艙推進裝置試驗驗證技術研究

張勇明,李葳蕤,宋志國

(啟東中遠海運海洋工程有限公司,江蘇 南通 226200)

0 引言

吊艙式推進裝置是近30年發展起來的一種新型船舶推進裝置,是極地船舶的核心設備。目前,極地船舶吊艙式推進裝置技術被國外少數公司所壟斷。國內高冰級大功率吊艙式推進裝置完全依賴進口,嚴重制約了我國極地船舶的自主配套,并成為極地船舶國產化發展的瓶頸因素[1]。

因此,本文將結合大型無動力駁船與外掛結構平臺上安裝的吊艙式推進器,在敞水區域開展極地高冰級大功率吊艙式推進裝置與船舶總體匹配、作業模式、環境適應性、運動性能及試驗驗證等技術研究,確保試驗數據更接近于推進器研發要求的準確性,實現6 MW級推進裝置工程樣機在360°范圍內旋轉,回轉角度控制精度不大于2°,具備實船安裝應用條件。

1 試驗驗證的技術基礎

試驗驗證是吊艙推進器核心能力之一,主要體現在以下3個方面:試驗驗證是確保型號任務一次成功的關鍵因素之一;試驗驗證是確保適航是否符合目標要求的重要方法之一;試驗驗證是持續獲得新技術、新裝備及新工藝的主要方法之一[2]。

1.1 吊艙式推進裝置簡述

吊艙的研制需要兼顧敞水性能、破冰性能和冰區航行的操縱性能。吊艙與船舶的匹配性的好壞會影響到極地船舶的推進效率、破冰能力和航行中的安全性,是吊艙研制成功的重要條件。

吊艙式推進裝置,即推進電機和螺旋槳都是在船體的外部,螺旋槳和低速電機直接連接,沒有中間軸和減速機構,只有少量的控制設備和系統布置在推進器艙內。其主要構成見圖1。

圖1 吊艙式推進裝置

吊艙式推進裝置是電推系統的核心系統,主要包括:轉舵單元、推進單元、電控系統、輔助系統等4大功能模塊。其中:電控系統包括主推進遙控系統、健康狀態監控系統和動力系統;輔助系統包括槳軸密封系統、潤滑系統、滑環單元、空氣冷卻系統及氣動控制系統。

吊艙式推進裝置的技術參數見表1。

表1 技術參數

1.2 吊艙式推進裝置的優勢

(1)采用拉式螺旋槳,體現出雙向破冰的優勢。

(2)冰區轉向靈活,操縱性優越。

(3)沒有機械方面強度限制(錐齒輪),配套功率大。

(4)電機直接驅動螺旋槳,響應速度快。

(5)抗過載能力強。

因此,高冰級大功率吊艙式推進裝置是極地船舶的首選。吊艙式推進裝置單套功率高達20 MW,吊艙推進電機可以在低轉速時輸出過載扭矩,使得吊艙式推進裝置可以輕松應對突變負荷的影響,甚至可以應付螺旋槳短時堵轉的情況;此外,吊艙式推進裝置可以360°回轉,可迅速為船舶任意航向航行提供最大扭矩,使船舶具有卓越的操縱性能。

吊艙式推進裝置與常規推進器對比見表2。

表2 吊艙式推進裝置與常規推進器對比

1.3 驗證的主要目的

驗證的主要目的:驗證吊艙式推進裝置的各功能及相關性能指標能否滿足設計要求;該推進裝置系統、部件及輔助系統是否適合預定的研發目標、符合監管機構的要求;是否能提供試驗數據記錄作為客戶及主管機構的接受依據。

1.4 驗證的對象分析

在已掌握相關的技術基礎之上,對極地吊艙式推進裝置的試驗驗證還需突破以下關鍵技術:

極地船舶吊艙式推進裝置操縱策略、吊艙推進系統接口匹配設計技術、可靠性的高精度回轉驅動技術、高沖擊載荷下的吊艙包結構安全性技術、高沖擊載荷下的螺旋槳可靠性連接技術、瞬時大負載作用的推進電機系統穩定運行技術。其中:最為重要的電氣遙控系統包含了主推進控制系統、吊艙狀態監控系統、動力啟動系統等,分布在各成員系統內部的機內測試裝置和傳感器完成對本系統或與連接的其他系統的故障檢測和狀態監控。吊艙式推進裝置遙控系統圖見圖2。

圖2 吊艙式推進裝置遙控系統圖

1.5 驗證的主要層次

(1)設備層即靜態試驗驗證

安保功能試驗:推進裝置安全保護與報警功能試驗正確性,各個系統部件及檢測點的檢查。

(2)系統層即水下動態綜合耐久試驗

①轉舵單元功能試驗驗證:驗證吊艙槳轉舵裝置是否滿足設計要求及正確性;

②推進單元功能試驗驗證:驗證吊艙槳的推進功能是否滿足設計要求。

(3)應用層即遙控控制功能試驗驗證

綜合運轉功能試驗驗證:驗證吊艙的空載運轉是否滿足設計要求及正確性。

2 試驗驗證的主要方案

2.1 試驗駁船

試驗驗證技術是研究吊艙式推進裝置流暢和水動力性能的一個重要手段。結合吊艙式推進裝置置于船體外的特性,根據吊艙槳系柱推力(約650 kN),采用駁船(船長122.4 m,型寬59.8 m,型深8.4 m,結構吃水5.5 m,甲板載荷100 kN/m2)接載外掛結構箱體平臺整體安裝吊艙式推進裝置的方案承載本次試驗驗證(見圖3)。駁船為非自航半潛甲板駁,與吊艙式推進裝置搭載后按規范進行穩性計算。

圖3 吊艙式推進裝置試驗平臺

2.2 外掛式結構平臺

作為承載本次試驗安裝主體的外掛結構平臺,結合設備重量及推進曲線,設計結構見圖4。

圖4 吊艙式推進裝置外掛結構平臺

2.3 結構有限元分析

船體結構模型每一個分段都由結構板材與加強筋組成單元,在骨架間距內包含了所有主要構件,常常是臨界分段的加筋板單元容易發生崩潰[3]。因此,建立分段有限元模型對底座進行強度校核。有限元模型見圖5。

圖5 有限元模型

根據DNV船規Part3推進裝置基座許用應力為0.67ReH,其中ReH為材料屈服強度。屈服合成應力匯總見表3。最大合成應力圖見圖6。

表3 屈服合成應力表

圖6 最大合成應力(單位:MPa)

2.4 全船穩性分析

在駁船尾部改裝外掛平臺勢必增加駁船結構質量,其中吊艙式推進裝置本體質量約為280 t,輔助設備及系統質量約為10 t,結構底座平臺質量為65 t,發電機組質量為160 t?；谝幏逗蚇APA軟件計算平臺要求[4-5],穩性衡準分別為:

(1)拖航工況下,穩性衡準數K不小于1。

(2)拖航工況下,本船復原力臂曲線的消失角應不小于18.7°。

(3)拖航工況下,本船最大復原力臂對應角或進水角為止的取較小復原力臂下的面積不小于0.08 m·rad。

(4)拖航工況下,本船最小修正后的初穩性高度不小于1 m。

根據計算軟件NAPA規定:本船原點縱向位置取在肋骨0號處,指向艏部方向為正;橫向取在船的中心線處,指向左舷為正,計算結果中左右舷分別用P、S表示;垂向取在船基線位置, 指向上方為正。模型見圖7,基于CCS規范的計算穩性曲線見圖8,穩性計算檢查結果見表4。

表4 穩性計算檢查結果

圖7 駁船模型穩性計算示意圖

圖8 計算穩性曲線

3 試驗驗證的資源配置

3.1 主電網的配置

根據吊艙推進器主電機功率6 MW及輔助設備用電負荷需求,主電網配置如下:

(1)8臺1 000 kW集裝箱式柴油發電機組,變頻啟動方式,自動同步及負載管理系統。

(2)1臺整流器及變壓器、2臺熱交換器、1臺深水冷卻泵。

3.2 DE軸承潤滑系統

設計臨時滑油油箱通過油處理單元連接管路到DE軸承接口。

4 試驗驗證的程序設計

根據對吊艙式推進裝置在敞水區域的試驗程序設計研究,在運行過程中對于大負載工況下吊艙式推進器的抗沖擊適應能力、推進電機循環冷卻能力、低速大扭矩與低速穩定性能力、分析槳葉與吊艙的相互作用與遠程遙控轉舵角度,建議至少不限于以下程序試驗驗證:

(1)啟動聯鎖功能試驗

①按照觸摸屏上啟動聯鎖條件順序,模擬所有聯鎖條件滿足啟動連鎖要求,主推變頻器處于遙控位置且變頻器“準備就緒”信號有輸出,觸摸屏上按“啟動”按鈕,變頻器“運行”信號有輸出;

②按照觸摸屏上啟動聯鎖條件順序,分別模擬每一條聯鎖條件不能滿足啟動連鎖要求后,且變頻器“準備就緒”信號有輸出,觸摸屏上按“啟動”按鈕,變頻器“運行”信號無輸出。

(2)降速功能試驗

按照降速條件順序,模擬每一條降速條件,轉速信號降為當前速度一半。

(3)停機功能試驗

按照觸停機條件順序,模擬每一條停機條件,停機指令發出停機信號。

(4)隨動及非隨動轉舵控制試驗

①在遙控調速模式下,激活備用控制功能,依次按下備用左舵/右舵按鈕,檢查制動器是否正確分閘和合閘,回轉裝置是否按照指令運行;

②試驗過程中,分別記錄低速(25 r/min)正轉1圈、反轉1圈狀態下的變頻器的電流和轉矩;

③試驗過程中,分別記錄回轉電機在全速下正轉2圈、反轉2圈時的回轉時間,回轉時間應不超過30 s/圈;

④試驗結束后測量回轉潤滑油箱內油溫和回轉滑動軸承的溫度無異常上升,并記錄回轉潤滑油箱內油溫和回轉滑動軸承的溫度值。

(5)舵角指示功能試驗

正轉、反轉各2圈的狀態下,使用備用回轉控制功能,將回轉裝置依次放置在0°、90°、180°及-90°舵角附近位置處。各位置狀態下,電氣舵角指示及實際舵角位置相差不超過±2°為合格。此項內容可與隨動轉舵控制試驗同時進行。

(6)推進遙控加減速控制功能試驗

①在遙控面板上按下“備用開”按鈕,激活備用控制系統;檢查槳軸轉速是否增加到設定轉速(25 r/min),旋轉方向為順時針;

②過程中,檢查槳軸密封無異常溫升和噪聲;

③試驗結束后測量回轉潤滑油箱內油溫和回轉滑動軸承的溫度無異常上升,并記錄回轉潤滑油箱內油溫和回轉滑動軸承的溫度值。

(7)綜合運轉及滿負載運轉功能試驗

①裝置處于遙控狀態,通過駕駛室手柄同時操作電機轉速和回轉角度,檢查吊艙裝置的運轉功能,螺旋槳轉速從0逐漸加速到25 r/min,同時回轉角度按0°—90°—180°—(-90°)—0°的順序進行操作;主推運轉時間不小于30 min;

②裝置處于遙控狀態,通過駕駛室手柄同時操作電機轉速和回轉角度,檢查吊艙裝置的運轉功能,螺旋槳轉速從25 r/min逐漸減速到0,同時回轉角度按0°—90°—180°—(-90°)—0°的順序進行操作;主推運轉時間不小于30 min。

5 結語

本文介紹了利用駁船加裝外掛平臺對吊艙式推進裝置進行安裝及試驗驗證其各項性能指標的技術方案。作為我國自主研發的大功率吊艙式電力推進裝置,應該加大力度開展基礎試驗和應用試驗的研究,加速試驗技術積累,彌補自身薄弱環節。該方案初步建立了吊艙式推進裝置的敞水區域和自航的試驗驗證方法,在直航或者斜航狀態下,螺旋槳推力、扭矩及吊艙阻力都達到了預期設計參數目標,也較好地檢驗了各輔助系統性能,記錄成冊,最后形成全面的最真實的試驗報告,為提高我國吊艙式推進器自主研制水平提供堅實的技術試驗驗證支撐。