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        全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器線型設(shè)計

        2014-12-04 09:29:18朱東華魏菲菲
        船舶設(shè)計通訊 2014年2期
        關(guān)鍵詞:尾鰭吊艙線型

        朱東華 魏菲菲

        (上海船舶研究設(shè)計院,上海201203)

        0 前言

        全回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器(又稱POD推進(jìn)器,簡稱吊艙式推進(jìn)器)是由動力驅(qū)動固定在水下船體之外吊艙之內(nèi)的螺旋槳,吊艙可以繞其縱軸360°旋轉(zhuǎn),自由地向任何方向推進(jìn)。

        吊艙式推進(jìn)器的概念是在20世紀(jì)80年代末提出的,是一種全新的推進(jìn)理念。它集推進(jìn)和操舵裝置于一體,極大地增加了船舶設(shè)計、建造和使用的靈活性。

        吊艙式推進(jìn)器廣泛應(yīng)用在客船(郵輪或渡輪)、大型集裝箱船、鉆井平臺、海洋工程支援船、客滾船、游艇、科學(xué)考察船、打撈船和 LNG 船上[1]。

        1 吊艙式推進(jìn)器特點(diǎn)[2-3]

        1.1 優(yōu)點(diǎn)

        吊艙式推進(jìn)器和傳統(tǒng)推進(jìn)器比較有許多優(yōu)點(diǎn):

        1)節(jié)能減排。選用吊艙式推進(jìn)器可以調(diào)節(jié)電機(jī)(或液壓馬達(dá))的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)外部變化的載荷,發(fā)動機(jī)將處在最佳狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn),提高了能效水平,延長了發(fā)動機(jī)的壽命,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

        2)操縱性能好。推進(jìn)器可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),極大地提高了船舶的操縱性和機(jī)動性。

        3)噪聲更低、振動更小。與常規(guī)槳相比,吊艙式推進(jìn)器的槳盤面處可得到更均勻的來流,從而明顯減少振動、降低噪聲。

        4)結(jié)構(gòu)簡單可靠。

        5)提高艙容利用率。采用吊艙式推進(jìn)器可以重新優(yōu)化尾部線型,充分利用機(jī)艙艙容,使船體設(shè)計尤其是船尾和集控室部分的設(shè)計具有很大的靈活性。

        6)安裝維護(hù)方便。采用模塊化設(shè)計、安裝,縮短了船舶建造和維修周期。

        1.2 缺點(diǎn)

        1)一次性投資成本增加。

        2)由于船舶安裝了多種新型設(shè)備,因此需要高素質(zhì)的高級船員。

        3)盡管吊艙維護(hù)要求低,但一旦發(fā)生故障需要大修時,因維修空間有限,往往更麻煩。

        4)吊艙安置于船體外部,易受攻擊,抗沖擊能力弱。

        5)需要采用多種措施來降低水下噪聲。

        2 優(yōu)秀的水動力特性

        吊艙式推進(jìn)器較傳統(tǒng)推進(jìn)器有更佳的水動力性能,主要原因是:

        1)螺旋槳的來流更加順暢(見圖1),發(fā)生空泡的危險性更小,故使螺旋槳的效率可以設(shè)計得更高。

        圖1 吊艙式推進(jìn)器槳前來流與傳統(tǒng)推進(jìn)器的比較

        2)可選擇合適的推進(jìn)器安裝位置。

        3)螺旋槳后的流線型機(jī)體可提升水動力效率。

        3 代表性廠商和產(chǎn)品

        幾大船用設(shè)備生產(chǎn)廠商先后推出了不同型號的吊艙式推進(jìn)器,并在民用船舶上得到了廣泛應(yīng)用[4]。

        3.1 ABB公司的Azipod系列推進(jìn)器

        ABB公司于1990年研制的Azipod系統(tǒng)開創(chuàng)了吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的先河,取得了巨大的成功。目前Azipod主要有三種型式:標(biāo)準(zhǔn)型、緊湊型、對轉(zhuǎn)式,單機(jī)功率最大可達(dá)40 MW,如圖2所示。

        圖2 三種型式的Azipod

        3.2 Rolls Royce的Azipull型推進(jìn)器

        Rolls Royce的Azipull型推進(jìn)器也是市場占有率很好的吊艙推進(jìn)系統(tǒng),水動力性能優(yōu)良(見圖3)。

        3.3 Mermaid推進(jìn)器

        瑞典Kamewa公司和法國Alstom公司合作開發(fā)了以導(dǎo)流罩原理為基礎(chǔ)的電力推進(jìn)裝置Mermaid推進(jìn)器。其實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

        3.4 SSP推進(jìn)器

        SSP吊艙式推進(jìn)器系統(tǒng)是德國西門子(Siemens)公司與肖特爾(Schottel)公司合作的產(chǎn)品,功率輸出范圍在5~30 MW之間。其推進(jìn)裝置示意圖如圖5所示。

        3.5 Steerprop ECO系列推進(jìn)器

        Steerprop公司是芬蘭一家較新的吊艙推進(jìn)器公司,其較為代表性的系列為ECO系列,如圖6所示。

        圖3 Ro-Ro的Azipull型推進(jìn)器

        圖4 Mermaid吊艙推進(jìn)器

        圖5 SSP吊艙推進(jìn)器

        圖6 Steerprop ECO吊艙推進(jìn)器

        4 吊艙式推進(jìn)器線型設(shè)計時的注意事項[3]

        4.1 尾部線型

        根據(jù)Steerprop公司提供的設(shè)計手冊——海洋工程船舶(中文版),裝有吊艙推進(jìn)器的船舶線型設(shè)計應(yīng)該使用縱向引流的尾部,即水流是沿著船體底部縱向,而不是沿著船體兩邊流向推進(jìn)器的。船體尾部線型與船體基線的夾角應(yīng)該盡可能的小。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),最合適的夾角為17°~18°(見圖7);如果夾角過大,會導(dǎo)致水流分離,在螺旋槳前端產(chǎn)生亂流,從而嚴(yán)重降低推進(jìn)器的性能。

        圖7 尾部線型與基線的夾角

        尾部縱剖線不必是S型的,橫剖面應(yīng)該在尾封板處有一個輕微的V型角度,以減少船尾在遇到海浪時產(chǎn)生抨擊的風(fēng)險。

        在有些船舶的設(shè)計中,推進(jìn)器可能會超出船體基線以下,這種情況應(yīng)合理設(shè)計尾鰭的大小與其相配,來保護(hù)推進(jìn)器。

        尾封板應(yīng)該設(shè)計得盡可能少的浸沒在水中,浸沒水中會大幅度的增加船體阻力。螺旋槳與船體尾封板不應(yīng)該安裝過于接近,以免倒車和剎車時推進(jìn)器產(chǎn)生的空泡現(xiàn)象。

        在保證航向穩(wěn)定性的情況下,尾鰭一般盡可能做得小。短小的尾鰭可以使得船舶更加靈活,能夠促進(jìn)船舶向后的航向保持和性能。在推進(jìn)器任何方向運(yùn)行時,尾鰭都最好不要超出螺旋槳的位置,尤其是船舶向后航行時,太長的尾鰭將會阻擋螺旋槳帶出的水流,使得船的回轉(zhuǎn)能力降低(見圖8)。

        圖8 尾鰭不宜超出螺旋槳的位置

        4.2 安裝底座距法蘭面的高度

        安裝底座距離法蘭面推薦的最小高度為300~500 mm(見圖9)。這取決于底座的大小和型式,最小高度是由強(qiáng)度需求和安裝工藝來決定的。設(shè)計尾部縱剖線時需考慮此最小高度的影響,以免將來影響安裝。

        圖9 最小安裝底座高度示意圖

        4.3 推進(jìn)器安裝間距

        為了提高船舶整體性能,尤其是操縱性,兩個推進(jìn)器之間的安裝間距應(yīng)盡可能的遠(yuǎn)。建議最小的間距為單個推進(jìn)器回轉(zhuǎn)直徑+500 mm。為了防止推進(jìn)器在船體橫傾時觸碰到防波堤或相鄰船舶的船體,建議推進(jìn)器安裝中心位置至舷側(cè)的距離應(yīng)大于推進(jìn)器回轉(zhuǎn)半徑+500 mm的距離(見圖10)。

        圖10 安裝間距示意圖

        4.4 推進(jìn)器傾斜和傾角

        推進(jìn)器不需要完全垂直的安裝,如果有必要可以在縱向或橫向上有些傾斜(見圖11)??v向小角度傾斜有助于增加螺旋槳葉梢與船體的間隙,對螺旋槳設(shè)計及預(yù)防空泡、減小振動有積極的意義;另外也可以在壓載時增加螺旋槳的浸沒深度。如果主機(jī)內(nèi)部布置的問題需要靠船中位置安裝的話,就可以通過推進(jìn)器向舷側(cè)外橫向傾斜的方式來保證推進(jìn)器之間的間距最大化。最大傾斜角度可以視具體情況而定。

        圖11 推進(jìn)器傾斜角示意圖

        4.5 Headboxes的設(shè)計

        有些船舶的尾部縱剖線是有斜度的,就需要增加一個流線型的過渡來連接主船體和推進(jìn)器,這就是Headboxes(見圖12)。由于它本身需要增加附體阻力,并且對螺旋槳的流場也有一定影響,所以Headboxes的設(shè)計應(yīng)值得重視。筆者就見過一條采用吊艙式推進(jìn)器的船舶,僅優(yōu)化推進(jìn)器和Headboxes的橫向安裝角度(Thruster and Headbox setting angle),收到功率 Pd就獲得了 2.1%的收益。

        圖12 Headboxes示意圖

        5 結(jié)語

        綜上所述,吊艙式推進(jìn)器正以它獨(dú)特的魅力漸漸占領(lǐng)各種船型領(lǐng)域,就連ITTC也成立了吊艙式推進(jìn)器專家委員會對其進(jìn)行研究。隨著它重要性的增強(qiáng),相信會有越來越多的組織機(jī)構(gòu)給予其更多的關(guān)注。

        [1]馬聘.吊艙推進(jìn)技術(shù)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2007.

        [2]沈興榮,蔡躍進(jìn),蔡榮泉,等.吊艙式推進(jìn)器水動力性能研究綜述[J].船舶力學(xué),2011,15(1-2):189-196.

        [3]咸屹,聶文天.吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)器的現(xiàn)狀及展望[J].江蘇船舶,2007,24(6):28-37.

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