,, ,

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129)

大型船舶對(duì)推進(jìn)功率、推進(jìn)效率、安全可靠性都有更高的要求，雙艉推進(jìn)成為大型船舶的優(yōu)選方案。如超大型LNG船(21萬～26萬m3級(jí)別)，已有43艘建成船舶采用兩臺(tái)6S70ME-C或7S70ME-C主機(jī)雙軸推進(jìn)。

大型船舶采用雙軸推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)明顯[1-2]。

1)滿足大型船舶高服務(wù)航速所需的動(dòng)力要求。例如集裝箱船的設(shè)計(jì)航速通常在22 kn以上，需要很高的推進(jìn)功率。采用雙軸系設(shè)計(jì)能有效解決單一推進(jìn)裝置無法滿足較大推進(jìn)功率的限制，并為推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更多的彈性，以取得最優(yōu)的螺旋槳轉(zhuǎn)速、直徑和螺距，從而最大程度地優(yōu)化螺旋槳效率[3]。

2)優(yōu)化螺旋槳效率，提高船舶的推進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性。大型化船舶的型寬尺寸也會(huì)較大，雙螺旋槳的設(shè)計(jì)有利于獲得比單艉船型更佳的進(jìn)流狀況，并且在螺旋槳軸和舵與船舶中心線的相對(duì)角度布置上有更多的彈性選擇，有利于提高推進(jìn)效率。船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，大型高功率船舶采用雙艉推進(jìn)比采用單艉推進(jìn)往往可以降低5%以上的推進(jìn)功率[4-5]。

3)提高船舶推進(jìn)系統(tǒng)的冗余度和航行安全性。雙軸系設(shè)計(jì)使船舶在單側(cè)軸系或動(dòng)力設(shè)備故障時(shí)，仍然可以依靠另一側(cè)的軸系以一定的航速保持航行，增強(qiáng)了船舶的航行安全性，為特種危險(xiǎn)品或大宗高價(jià)值貨物的運(yùn)輸提供了保障。

4)提高大型船舶的操縱性。大型船舶由于體型龐大，慣性也較大，進(jìn)出港口對(duì)低速操控有更高的要求。采用雙軸系設(shè)計(jì)既可以用單機(jī)運(yùn)行獲得較低的航速，也可以左右機(jī)異向操控，提高舵效，從而獲得更為穩(wěn)定和靈活的低速操縱性，可以有效解決大型船舶操縱性難題。

1 雙軸系設(shè)計(jì)面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)

以一艘采用2臺(tái)6S70ME-C低速機(jī)推進(jìn)的大型LNG船舶為例，圍繞大型高功率推進(jìn)的雙艉船型的軸系設(shè)計(jì)難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)方法展開探討。

1.1 特殊的雙艉線性對(duì)軸系拆裝帶來的限制

單艉船舶艉部空間相對(duì)較寬松，而且線性及結(jié)構(gòu)一般為規(guī)則的豎直分布，軸系拆裝比較容易，見圖1。

圖1 典型單艉結(jié)構(gòu)示意

雙艉船舶艉部空間比單艉窄小很多，且線性和結(jié)構(gòu)呈非豎直的傾斜分布，給需要豎直起吊拆裝的軸系布置帶來了困難，見圖2。

圖2 典型雙艉結(jié)構(gòu)示意

1.2 特殊的雙艉槳內(nèi)、外非對(duì)稱流場(chǎng)對(duì)軸系對(duì)中設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

雙軸推進(jìn)與單軸推進(jìn)相比有著本質(zhì)上的不同：單軸推進(jìn)船的艉部槳兩側(cè)流場(chǎng)基本均勻?qū)ΨQ分布，見圖3。

圖3 典型單艉流場(chǎng)分布示意

而雙軸推進(jìn)船的艉部流場(chǎng)因雙槳的相互干擾影響，槳內(nèi)、外側(cè)的流場(chǎng)是不對(duì)稱的，見圖4，這種不對(duì)稱的流場(chǎng)使軸系受力異常復(fù)雜，對(duì)軸系設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

圖4 典型雙艉流場(chǎng)分布示意(右舷)

通過該型船的CFD動(dòng)載荷分析，發(fā)現(xiàn)雙艉船型上由于受非對(duì)稱流場(chǎng)的影響，軸系上所受到的水平方向彎矩Mz遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單艉船型，甚至可以達(dá)到40%的垂向方向彎矩MY，見圖5。

圖5 螺旋槳負(fù)荷坐標(biāo)系

這種水平與垂向彎矩的交叉疊加使軸系運(yùn)行時(shí)軌跡飄忽不定，給對(duì)中設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。

2 雙軸系設(shè)計(jì)方法

針對(duì)上述難點(diǎn)，在該型船的雙軸系設(shè)計(jì)過程中采用船艉部有限元模型變形分析，螺旋槳的水動(dòng)力學(xué)分析，以及多種軸系專業(yè)分析軟件的綜合應(yīng)用手段，通過融入螺旋槳的動(dòng)載荷模擬分析、船體靜/動(dòng)態(tài)變形模擬分析、艉管軸承潤滑接觸模擬分析等全面的數(shù)字化仿真手段，研判軸系運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)，完成軸系對(duì)中、軸系縱向振動(dòng)、回旋振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等分析，形成可以全面覆蓋各種極端惡劣工況下安全推進(jìn)的雙軸系推進(jìn)方案。

2.1 雙艉線型、結(jié)構(gòu)與軸系布置相協(xié)同

針對(duì)雙艉線型特點(diǎn)，總體、結(jié)構(gòu)和輪機(jī)等專業(yè)設(shè)計(jì)人員在完成艉部船體設(shè)計(jì)過程中緊密配合，從各專業(yè)角度進(jìn)行調(diào)整，使線型、結(jié)構(gòu)與軸系布置相融洽，使得軸線上方拆裝通道暢通，形成合理方案。

2.2 開展綜合性的對(duì)中分析論證

該型船在軸系設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行系統(tǒng)全面的軸系對(duì)中分析，包括干塢、輕船、壓載和滿載的靜態(tài)分析，以及全速直行和大舵角轉(zhuǎn)彎的動(dòng)態(tài)分析等共12個(gè)典型工況分析。在對(duì)中設(shè)計(jì)中通過考慮船體變形，對(duì)軸承實(shí)船運(yùn)行的實(shí)際位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位；通過螺旋槳?jiǎng)討B(tài)負(fù)荷分析，推斷軸系動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)將所受的各種載荷及彎矩，對(duì)軸線軌跡進(jìn)行預(yù)判；通過艉管軸承潤滑接觸分析，對(duì)軸承型線與軸線軌跡的耦合、匹配進(jìn)行安全評(píng)估。通過上述手段的綜合應(yīng)用，不斷調(diào)整優(yōu)化軸系對(duì)中設(shè)計(jì)，形成與軸系實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)相貼合的可靠方案。

2.2.1 軸系對(duì)中模型分析

首先在軸系對(duì)中模塊中建立軸系和螺旋槳的模型，見圖6，作為所有分析的基礎(chǔ)和主線。

圖6 軸系對(duì)中模型

在此基礎(chǔ)上，通過在邊界條件中融入螺旋槳受力計(jì)算、船體的變形計(jì)算和軸承接觸分析等預(yù)報(bào)參數(shù)，不斷逼近船舶運(yùn)行時(shí)軸系真實(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行分析、比對(duì)、校核和調(diào)整，以得到優(yōu)化的對(duì)中設(shè)計(jì)方案。

2.2.2 船體變形模擬分析

建立全船有限元模型見圖7，計(jì)算得到船舶在不同吃水和不同裝載工況時(shí)船體結(jié)構(gòu)受力變形的數(shù)值，從而推斷在不同工況下，各個(gè)軸承中心在垂直方向和水平方向可能出現(xiàn)的偏移。

圖7 有限元模型

對(duì)大型船舶而言，船體結(jié)構(gòu)變形量的影響比中小型船舶更加明顯。在對(duì)中模型中，建立船體變形的邊界條件進(jìn)而分析軸承位置的偏移是十分必要的，見圖8，也是使軸承定位及型線設(shè)計(jì)與軸系軌跡線能充分匹配、耦合的重要方面。

圖8 船體變形引起的軸承位置偏移

2.2.3 螺旋槳受力分析

由于雙艉船舶的艉部流場(chǎng)對(duì)螺旋槳呈現(xiàn)非對(duì)稱的特性，需要通過螺旋槳3D建模，并借助CFD手段進(jìn)行螺旋槳在該種特定流場(chǎng)下的水動(dòng)力學(xué)分析，通過模擬計(jì)算得到在滿載/壓載工況下，船舶在設(shè)計(jì)航速下直行和左、右35°大舵角轉(zhuǎn)彎時(shí)螺旋槳受力及彎矩情況，見圖9，以便對(duì)軸系實(shí)際受力狀況和可能的軌跡線進(jìn)行預(yù)判。

由艉部流場(chǎng)模擬圖(見圖10)和螺旋槳受力分析發(fā)現(xiàn)：該船在以設(shè)計(jì)航速向左、右進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)，雙槳內(nèi)、外側(cè)的進(jìn)流流速差異極大，導(dǎo)致外側(cè)螺旋槳受到的水平彎矩變化很大，該水平與垂向彎矩疊加將使軸系的運(yùn)行軌跡非常難以確定，并使前軸承有上端受力的傾向，是軸系運(yùn)行中最危險(xiǎn)的工況，也是對(duì)中設(shè)計(jì)中最棘手的問題。

圖9 螺旋槳水動(dòng)力負(fù)荷示意

圖10 雙艉船大角度轉(zhuǎn)彎時(shí)艉部流場(chǎng)模擬

2.2.4 艉管軸承接觸模擬分析

艉管軸承接觸模擬分析的主要作用是通過CFD手段對(duì)軸承型線在軸系動(dòng)態(tài)運(yùn)行的軌跡狀況下進(jìn)行艉管軸承壓力及間隙分布的模擬分析，從而對(duì)軸承最小間隙進(jìn)行預(yù)報(bào)，以評(píng)估軸承型線與軸系動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的耦合匹配性，以確保船舶在最為惡劣的工況下，艉管軸承仍然能夠建立理想的潤滑油膜，防止干運(yùn)轉(zhuǎn)。

在完成各個(gè)子模塊的分析后，再將每個(gè)分析結(jié)果輸入到軸系對(duì)中軟件中，確定最終的對(duì)中方案,見圖11。

圖11 軸系對(duì)中示意

3 解決方案

經(jīng)過對(duì)艉管軸承模型的反復(fù)調(diào)整再計(jì)算過程，最終確定以采取特殊的艉管軸承雙斜坡設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)水平彎矩與垂向彎矩復(fù)合影響產(chǎn)生的對(duì)中難題。具有如下優(yōu)點(diǎn)。

該雙斜坡的艉管軸承能夠有效滿足各個(gè)工況的負(fù)荷要求。艉管軸承的第一道斜坡主要是解決船舶在設(shè)計(jì)航速直行時(shí)軸系負(fù)荷的優(yōu)化分配；而第二道斜坡則是針對(duì)軸系在最為惡劣工況下運(yùn)轉(zhuǎn)情況設(shè)計(jì)的，經(jīng)過反復(fù)思考、計(jì)算論證，最終舍棄向下單一方向斜坡的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，而是采用了特殊的圓錐形設(shè)計(jì)，見圖12。

圖12 艉管后軸承的雙斜坡設(shè)計(jì)

這樣可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)軸承型線與軸系各種可能的軌跡線更佳的匹配、耦合，避免極端工況下因油膜間隙過小產(chǎn)生干運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的軸系高溫及損壞，保證船舶全天候可靠運(yùn)行。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，大型船舶的雙軸系設(shè)計(jì)在國內(nèi)較少應(yīng)用，但隨著船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)，雙軸系設(shè)計(jì)將會(huì)得到更多的應(yīng)用。雙軸系設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)克服船舶航行時(shí)槳內(nèi)、外側(cè)非對(duì)稱流場(chǎng)引起的附加水平彎矩的難題。在軸系設(shè)計(jì)中，綜合采用各種CFD技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行預(yù)報(bào)，使軸承型線設(shè)計(jì)更加貼合軸系運(yùn)行的軌跡線，進(jìn)而獲得大型高功率船舶安全航行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是解決設(shè)計(jì)難題的有效方法。

[1] 朱永凱，時(shí)光志，汪偉奎，等.國內(nèi)3萬m3LNG運(yùn)輸船開發(fā)研究[J].船海工程，2014，43(2)：71-73.

[2] 夏華波，楊學(xué)利，朱永凱，等.3萬m3LNG船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J〗.船海工程，2014，43(4)：9-14.

[3] 李 源.大型LNG船設(shè)計(jì)演變軌跡[J]. 中國船檢，2012(5)：58-62.

[4] 宋吉衛(wèi)，陳紅梅.大型液化氣船線性設(shè)計(jì)若干問題研究[J].上海造船，2011(4)：1-3.

[5] 段 斌，鄧 愷，宋 煒，等.大型集裝箱船能效設(shè)計(jì)指數(shù)計(jì)算與優(yōu)化研究[J]. 上海造船，2012(3)：22-30.