張慶文

中華人民共和國海事局法規(guī)處 北京 100736

吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用前景

張慶文

中華人民共和國海事局法規(guī)處 北京 100736

介紹吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)，分析營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，實(shí)例計算說明吊艙式CRP的方案與其它方案相比經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢明顯，具有廣闊的市場前景。

吊艙 吊艙式CRP 技術(shù)特點(diǎn) 經(jīng)濟(jì)性分析

對轉(zhuǎn)槳的概念早就被廣泛地應(yīng)用到很多船型上。傳統(tǒng)的對轉(zhuǎn)槳結(jié)構(gòu)是后槳和前槳分別安裝在同一軸線的內(nèi)外尾軸上，安裝后槳的內(nèi)尾軸通過彈性聯(lián)軸節(jié)與主機(jī)輸出軸直接連接，與主機(jī)轉(zhuǎn)向相同。帶前槳的外尾軸是空心的，套裝在內(nèi)尾軸上，主機(jī)通過對轉(zhuǎn)齒輪傳動器帶動外尾軸和前槳反向旋轉(zhuǎn)［1］。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及在高速船舶上吊艙（POD）式推進(jìn)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)積累，使新的對轉(zhuǎn)槳概念即吊艙式CRP（contra rotating pod）推進(jìn)器的廣泛應(yīng)用成為一種可能。

1 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)

1．1 吊艙式電力系統(tǒng)概念

吊艙式電力推進(jìn)應(yīng)用于電力推進(jìn)船舶［2］。具體來說，就是把電力推進(jìn)系統(tǒng)中的電動機(jī)置于船尾下可旋轉(zhuǎn)360°的流線型吊艙內(nèi)，由一臺變頻器供電和控制。吊艙的一端或兩端裝有定距槳，由電機(jī)直接驅(qū)動。螺旋槳和推進(jìn)電機(jī)共軸，兩者之間沒有其它的任何環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，通常制成一個獨(dú)立的模塊。推進(jìn)的方位角可以人為地控制和調(diào)節(jié)。

1．2 吊艙式電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

吊艙式電力推進(jìn)和傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)相比有如下一些優(yōu)點(diǎn)。

1）推進(jìn)效率高；

2）取消了尾軸、尾側(cè)推器、舵機(jī)系統(tǒng)等，不需專門的冷卻系統(tǒng)從而節(jié)省了艙容，簡化了安裝；

3）空間配置靈活，充分利用了艙容；

4）模塊化設(shè)計原理使吊艙模塊可以在船舶建造基本完成時安裝，縮短了建造周期；

5）噪聲低，振動小，廢氣排放減少；

6）推進(jìn)器可以在360°水平范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高了船舶的操縱性和機(jī)動性；

7）根據(jù)需要決定并入電網(wǎng)的發(fā)電機(jī)臺數(shù)，使機(jī)組運(yùn)行于理想負(fù)荷下，對燃油經(jīng)濟(jì)性有利，還可以減少維護(hù)工作，降低備件費(fèi)用。

2 吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)

2．1 工作原理

吊艙式CRP推進(jìn)概念由芬蘭的ABB工業(yè)公司提出。這種系統(tǒng)的布置方案為將一個可操縱的吊艙模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳之后，兩槳布置在同一軸線上，但沒有任何的物理連接。結(jié)構(gòu)見圖1。

牽引式的POD螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向和主螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種布置可以使水動力效率提高10%，原因?yàn)橹髀菪龢D(zhuǎn)產(chǎn)生的能量被POD槳吸收，選擇合適的螺旋槳載荷分配，單尾鰭擁有最光滑的船尾型線。

吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是原來舵的位置上換成了一臺牽引式的POD模塊，主螺旋槳仍由二沖程柴油機(jī)直接推進(jìn)或由四沖程柴油機(jī)帶減速齒輪箱推進(jìn)。當(dāng)然，也可以由機(jī)艙內(nèi)電機(jī)推進(jìn)以實(shí)現(xiàn)全電力推進(jìn)。船舶電站的發(fā)電能力需要提高，以使POD模塊達(dá)到在主螺旋槳故障時“安全返港”模式下的航速。

2．2 技術(shù)特點(diǎn)

1）主螺旋槳和POD槳的載荷比可以靈活調(diào)整，一般主螺旋槳分配60%～70%的載荷，POD槳分配40%～30%的載荷；

2）POD槳的直徑小于主螺旋槳的直徑以防止不同自航操舵角時受主螺旋槳可能發(fā)生的稍渦空泡的影響；

3）螺旋槳的葉數(shù)不同，以免螺旋槳共振；

4）POD槳的轉(zhuǎn)速一般比主螺旋槳的轉(zhuǎn)速高，以保證獲取螺旋槳的最佳效率；

5）POD槳的旋轉(zhuǎn)角為±100°（另一種選擇為

360°全回轉(zhuǎn)）。

在前后槳葉和轉(zhuǎn)速的選取上，為了使激振力減小，需滿足以下條件［3］

圖1 吊艙式CRP結(jié)構(gòu)示意圖

式中：Zfwd——前槳葉數(shù)；

Zaft——后槳葉數(shù)；

nfwd——前槳轉(zhuǎn)速，r／min；

naft——后槳轉(zhuǎn)速，r／min。載荷分布上，需滿足

式中：PD，fwd——前槳載荷；

PD，aft——后槳載荷。

2．3 技術(shù)優(yōu)勢

1）推進(jìn)效率高；

2）總裝機(jī)功率低；

3）兩臺相互獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)，提高了冗余性；

4）無需尾側(cè)推和舵；

5）聯(lián)合推進(jìn)作用于船體，激振力低；

6）原動機(jī)的選擇不受限制，功率步進(jìn)容易調(diào)整；

7）總體布置靈活性大；

8）操縱性能好，有動力定位功能。吊艙模塊繞垂直軸線自由旋轉(zhuǎn)，將螺旋槳推力直接作用于所需方向上，與隧道式推進(jìn)器相比螺旋槳直徑大，水動力性能損失?。?/p>

9）優(yōu)化了原動機(jī)的負(fù)荷，降低了廢氣排放。

3 全船綜合推進(jìn)系統(tǒng)

綜合推進(jìn)系統(tǒng)采用了電站原理。電站原理指船舶的日用電網(wǎng)和推進(jìn)動力電網(wǎng)是相通的，取代了單獨(dú)的負(fù)載電網(wǎng)和機(jī)械推進(jìn)用電網(wǎng)?？梢愿鶕?jù)不同的推進(jìn)功率需求相應(yīng)地調(diào)節(jié)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)數(shù)量，所需的功率下降時，一部分柴油機(jī)就可以停機(jī)，運(yùn)行的柴油機(jī)仍恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，工作在最優(yōu)負(fù)荷下［4-5］。

在一般海況下，兩套推進(jìn)系統(tǒng)與一個選定的運(yùn)行工況相對應(yīng)。圖2是吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)在船上布置的示意圖。

圖2 吊艙式CRP布置示意圖

圖3是對應(yīng)于圖2的吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)的全船線路圖。

圖3 吊艙式CRP推進(jìn)線路圖

可以看出，吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)所需要的額外的機(jī)械裝置是一臺變頻器和POD模塊及其輔助設(shè)備，其余的設(shè)備（發(fā)電機(jī)，主配電板和變壓器等）船上原已配備。

當(dāng)然，由于更高的電功率的需求，需要對電網(wǎng)進(jìn)行必要的升級。但是，總體裝置與單槳推進(jìn)的船舶相比，吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)并沒有徹底的改變。盡管需要安裝吊艙模塊和變頻器的空間，但省去了舵、尾側(cè)推等裝置，總體重量沒有增加反而減少。另外相互獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)提供了最大的冗余，在一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一個系統(tǒng)可以繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)行，保證了航行的安全性。

4 經(jīng)濟(jì)性

對于船東來說，經(jīng)濟(jì)性是需要考慮的首要因素。現(xiàn)在，船東對建造新船的評估標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從初期投資評估轉(zhuǎn)向全生命周期費(fèi)用（LCC）評估。LCC包括資金成本、營運(yùn)成本以及船舶的轉(zhuǎn)手價格和損毀價格。資金成本是指結(jié)合初期投資成正比的。營運(yùn)成本包括燃油、維護(hù)、人力和港口拖輪費(fèi)用等。燃油和拖輪費(fèi)用在吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)中最有潛力節(jié)省。由于吊艙式推進(jìn)模塊的良好的操縱性，船舶在港口內(nèi)無需拖輪輔助，而拖輪費(fèi)用是一項(xiàng)包含在LCC中的主要成本。

以一條12 000 TEU的ULCS（超大型集裝箱船）研究為例進(jìn)行說明，船舶的主要參數(shù)如下。

垂線間長380．0 m， 型寬52．5 m，

服務(wù)航速25．5 kn， 型深14．6 m，

裝載量 12 000 TEU。

基準(zhǔn)點(diǎn)定為20%的功率儲備裕度，90%的MCR運(yùn)行狀態(tài)。

4．1 初期投入總裝機(jī)功率的影響

12 000 TEU的ULCS最大電力負(fù)荷為13 MW，由服務(wù)負(fù)載、冷藏負(fù)載和推力負(fù)載構(gòu)成，在吊艙式CRP方案中，POD的負(fù)載為22 MW。

吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)有最好的水動力效率，同樣航速下螺旋槳所需功率對比見圖4。

圖4 同樣航速螺旋槳所需推進(jìn)功率

在確定總的推進(jìn)效率時，從主機(jī)傳送到螺旋槳處的整個功率鏈都要進(jìn)行考慮?？捎萌缦碌墓接嬎愕跖撌紺RP的總效率損失

總損失＝（POD負(fù)荷比×電力損失+主螺旋槳

負(fù)荷比×機(jī)械損失）×100%

計算得到同種航速所需的推進(jìn)總功率，見圖5。

圖5 同樣航速下所需推進(jìn)總功率

選取常用的單槳推進(jìn)和雙槳推進(jìn)系統(tǒng)與吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)比較，總裝機(jī)功率見表1。

表1 總裝機(jī)功率比較MW

表1表明，吊艙式CRP方案與其它方案相比的優(yōu)勢明顯，總裝機(jī)功率減少10%以上，計算發(fā)動機(jī)成本時，單價為210美元／kW。最終比較結(jié)果見表2。

表2 裝機(jī)功率造成的價格差異

可以看出，建造成本大為降低。另外，總的船舶建造周期縮短也使成本降低。

4．2 營運(yùn)成本

營運(yùn)成本包括燃油、滑油、維護(hù)、拖輪費(fèi)用等。具體分析計算需借助選定的航線。選取航線為：鹿特丹——Marsaxlokk——新加坡——香港。在此航線航行的速度主要有24、20、17 kn，3種航速所占用的比例為76%、4%和13%。其余的時間用于加速或減速上。一個航次中的消耗以吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)為參照，結(jié)果見表3。

結(jié)合總裝機(jī)功率的差異，在一個航次里，吊艙式CRP推進(jìn)比雙槳推進(jìn)可節(jié)省70 500美元，比單槳推進(jìn)節(jié)省44 200美元。

由于POD推進(jìn)器提供的優(yōu)越的操縱性能，在港口內(nèi)無需拖輪輔助，按平均每次需要一個拖輪，每次拖輪費(fèi)用為5 000美元，年節(jié)省成本37．5萬美元。

從獲取的時間效益看，由于其良好的操縱性能，在港口和近海航行節(jié)省的時間可用于以較低的速度和功率進(jìn)行遠(yuǎn)海航行。

假定船舶進(jìn)港或出港不需拖輪比使用拖輪輔助節(jié)省1 h，則進(jìn)出港共節(jié)省8 h。

通過蘇伊士運(yùn)河節(jié)省2 h，則一共可以節(jié)省10 h。

采用傳統(tǒng)推進(jìn)方式整個航程（19天）的平均速度為22．15 kn，則現(xiàn)在的航速可定為21．65 kn。如此一來，每年的燃料成本節(jié)省75萬美元。

另外，還應(yīng)該考慮到由于艙室合理布置增加運(yùn)量引起的收益。若以每個集裝箱運(yùn)費(fèi)200美元計，每個航程多運(yùn)送100個集裝箱，每年12航次，則可增加收益24萬美元。

扣除由于POD模塊使船價大約高2%的因素，以15年運(yùn)營期計算，與單槳船相比可累計節(jié)省成本1 000萬美元以上。需要指出的是，單槳推進(jìn)僅僅是水動力學(xué)中的假設(shè)，由于現(xiàn)在沒有建造如此大的螺旋槳的能力，稍渦空泡問題也無法解決，所以，可比方案僅有雙槳推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性上將有更明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

隨著船舶的大型化發(fā)展，柴油機(jī)單槳推進(jìn)已不能滿足推進(jìn)要求。吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)是最為可行的應(yīng)用方案。它提供了一種總成本更低的船型，對于廣闊營運(yùn)市場來說有很大的潛力。新概念的提出需要積累大量的經(jīng)驗(yàn)并對一些領(lǐng)域進(jìn)行深入的研究和實(shí)驗(yàn)，包括水動力性能、全船電網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置和建立新的船舶設(shè)計建造流程等?？傮w來說，吊艙式CRP系統(tǒng)對于船東和船廠來說都面臨著相同的使用電力推進(jìn)系統(tǒng)考驗(yàn)。吊艙式CRP系統(tǒng)對船東來說，主要工作是把新的系統(tǒng)介紹給船員熟悉并維護(hù)操縱，對船廠來說，必須修改現(xiàn)行的設(shè)計建造流程并建立起對應(yīng)于新概念的流程以保證從中獲益?？梢灶A(yù)見，吊艙式CRP系統(tǒng)將會對造船市場產(chǎn)生重大影響。

［1］李 斌．對轉(zhuǎn)螺旋槳在船舶上的應(yīng)用［J］．世界海運(yùn)，1994（1）：46-50．

［2］Alf Kare Adnanes．Maritime Electrical Installation And Diesel Electric Propulsion［J］．ABB AS Marine，2003（4）：5-6．

［3］Eckhard Praefke，John Richards．Counter Rotating Propellers Without Complex Shafting For A Fast Monohull Ferry：The 6th International Conference On Fast Sea Transportat．ion，September46．2001：3-5［C］．Shanghai：springer verlag．2000．

［4］Anders Backlund，Jukka Kuuskoski．The Contra Rotating Propeller（CRP）Concept With a Podded Drive：Motor Ship Conference，March28．2000：2-12［C］．Shanghai：springer verlag．2000．

Prospect and utilization of the podded CRP propulsion system

ZHANG Qing-wen
Dept．of Laws and Regulations China Maritime Safety Administration Beijing 100736

The configuration，characteristics and the economics of the podded contra rotating pod（CRP）system are discussed．Calculation of the practical examples shows that the CRPsystem is better in economy with bright future of application than other plans．

pod podded CRP system technical characteristics economy analysis

U661．31

A

1671-7953（2007）02-0057-04

2006-09-08

修回日期2006-09-25

張慶文（1980—），男，碩士。