程偉俊，蔣愛國，朱征宇，張 磊

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 燕郊 065201）

0 引 言

隨著深海石油和天然氣勘探活動日益頻繁，作業(yè)水深不斷增加，海洋鉆井平臺在某些海域遭遇惡劣氣候狀況的概率逐漸增大，作業(yè)難度不斷提高；同時，有關(guān)其航行性能、操縱性能及定位系統(tǒng)的要求日益嚴(yán)苛。因此，需實現(xiàn)鉆井平臺推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)突破，優(yōu)化其推進(jìn)性能、提升其推進(jìn)效率，同時，必須兼顧平臺操縱的靈活性。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)是一種推進(jìn)與操控合一，可提供任意方向推力的全方向推進(jìn)裝置，是滿足鉆井平臺動力定位特殊要求的推進(jìn)與操控合一的動力系統(tǒng)[1]。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的軸是豎向立軸，螺旋槳可繞軸線作360°的回轉(zhuǎn)，可在任意方向上獲得最大推力；鉆井平臺能實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)、橫向移動、急速后退和在微速范圍內(nèi)操舵等特殊操縱。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器憑借自身可觀的推進(jìn)效率、優(yōu)良的操縱性能及便捷的安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，受到業(yè)內(nèi)相關(guān)人員的廣泛關(guān)注。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器已成為船舶與海洋鉆井平臺動力定位依賴的重要裝備。

1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器研究現(xiàn)狀

肖爾特公司是較早開始生產(chǎn)全回轉(zhuǎn)螺旋槳的廠家，其主要產(chǎn)品有Z型回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和Z型雙槳全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，其中Z型雙槳全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器SPR對船舶的舵槳系統(tǒng)進(jìn)行了性能優(yōu)化，可提升20%的推進(jìn)效率[2]。羅羅公司開發(fā)的 Azipull全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器具有流線型附體，利用單機(jī)低速齒輪傳動，采用牽引式螺旋槳，將其應(yīng)用到海洋供給船上，對提高船舶的推進(jìn)效率有很大作用[3]。

然而，隨著研究的不斷深入，推力系統(tǒng)的水力干擾問題成為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)推力設(shè)計中需重點(diǎn)考慮的問題。在船體底部工作的推進(jìn)器與船體和附近推進(jìn)器之間會產(chǎn)生復(fù)雜的相互干擾。目前尚無較為完善的理論方法來精確計算這些干擾，大多數(shù)預(yù)測還是通過基于模型試驗的半經(jīng)驗方法進(jìn)行。

LEHN[3]和MOBERG等[4]等對2個螺旋槳呈前后布置的形式進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，2個螺旋槳距離越近，干擾問題越嚴(yán)重，船舶尾流會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)對下游螺旋槳產(chǎn)生影響，在16倍直徑距離處推力損失仍在25%左右[4]。

由于船體形式和推進(jìn)器方向有很多種，螺旋槳與船體之間的干擾問題較為復(fù)雜。在實際設(shè)計中，需考慮的干擾形式有以下幾種。

(1) 摩擦力：當(dāng)在平坦的船體底部安裝推進(jìn)器時，推進(jìn)器尾流將緊貼船底板，產(chǎn)生與推力方向相反的摩擦力，導(dǎo)致推力衰減，衰減幅度為 20%～25%；當(dāng)在船體端部安裝推進(jìn)器時，尾流在沿著船體流向另一端的過程中會產(chǎn)生很大的摩擦力。

(2) 柯安達(dá)效應(yīng)：當(dāng)船體表面（如舭部連接處）為曲面時，螺旋槳尾流沿著曲面擴(kuò)散，在曲面附近形成低壓區(qū)域，造成壓差阻力，從而抵消部分推力。NIENHUIS[5]曾用不同形式的舭部和舭部半徑進(jìn)行研究，結(jié)果顯示：舭部半徑越大，推力器距離舭部越遠(yuǎn)，則柯安達(dá)效應(yīng)越強(qiáng)，壓差阻力越大，推力衰減可達(dá)到15%。

(3) 雙浮體的影響：ENGLISH[6]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺旋槳安裝在非?？拷教沟拇w底部且距離大半徑艙部較遠(yuǎn)時，尾流跡線偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)29°，大大超過開放水域中的尾流擴(kuò)散角8°～10°。這會對雙浮箱半潛式平臺造成相當(dāng)大的影響，因為向上偏轉(zhuǎn)的尾流會直接沖擊到另一個浮箱，導(dǎo)致總推力損失。NIENHUIS[5]曾測量另一個浮箱受到的力為螺旋槳推力的8%～12%。

經(jīng)過近幾年的研究，大部分相關(guān)學(xué)者及公司都得到相同的結(jié)論，即：當(dāng)上游螺旋槳改變角度或增加距離時，可減小其尾流對下游螺旋槳直接而強(qiáng)烈的沖擊，同時可減少推進(jìn)器尾流與船體間的相互干擾，且干擾問題能得到改善。NIENHUIS[5]和LEHN[3]的試驗結(jié)果都證明了這一點(diǎn)，其對不同的角度和不同的距離進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果一致，改變角度能大大改善推力損失狀況，特別是當(dāng)兩槳之間的距離較大時，在 10°范圍內(nèi)的角度調(diào)整對避免干擾非常有效。

2 傾角推進(jìn)器性能

瓦錫蘭公司制造出一種新的推進(jìn)器，使得動力定位裝置的性能得到進(jìn)一步提高。在設(shè)計過程中，不僅優(yōu)化單個推進(jìn)器在開放水域的動態(tài)性能，還分析完整的船舶推進(jìn)性能?；谠撛O(shè)計制造推進(jìn)器螺旋槳軸向下傾斜8°的推進(jìn)器。圖1為直角推進(jìn)器和傾角推進(jìn)器直觀圖。本文基于瓦錫蘭公司的8°傾角推進(jìn)器進(jìn)行性能分析。

圖1 直角推進(jìn)器與傾角推進(jìn)器直觀圖

2.1 傾角推進(jìn)器在鉆井平臺航行時的性能

對于鉆井平臺或鉆井船而言，航行是其重要的操作工況。圖2給出BULTEN等[7]通過數(shù)值模擬得到的直角推進(jìn)器和傾角推進(jìn)器水力學(xué)分析及模型試驗的流線圖。從圖2中可看出，艉部流線的差異是顯而易見的，在鉆井平臺或鉆井船航行期間，直角推進(jìn)器的推力衰減系數(shù)約為 0.22，而 8°傾角推進(jìn)器的衰減系數(shù)僅為0.01，這很好地解釋了為何圖2中傾角推進(jìn)器的尾流沒有與船底發(fā)生任何接觸。

2.2 傾角推進(jìn)器與船體的作用

推進(jìn)器與船體相互作用的流線圖見圖3和圖4。圖3為推進(jìn)器與船體沿平坦的船體表面相互作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的直角推進(jìn)器在相同距離處下游的流線與船底板之間產(chǎn)生相互作用。在虛線標(biāo)示區(qū)域，由于與船體的相互作用，流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致沿船體的流速加快，因此摩擦損失增加。傾角推進(jìn)器的流線充分向下偏轉(zhuǎn)避免與平的船底板相互作用。對于給定的船體長度，傾角推進(jìn)器的推力衰減在5%左右；直角推進(jìn)器的推力損失在20%左右。

圖2 航行時2種推進(jìn)器對比

圖4中的流線指示半潛式鉆井平臺推進(jìn)器側(cè)推的方向。傳統(tǒng)的直角推進(jìn)器的尾流與第二浮箱相互作用，可通過流線的偏轉(zhuǎn)及船體表面增加的側(cè)壓力清晰地判斷。傾角推進(jìn)器的尾流向下偏轉(zhuǎn)，因而沒有觀察到其與第二浮箱有明顯的相互作用。直角推進(jìn)器的推力衰減系數(shù)約為50%，而傾角推進(jìn)器僅＜5%。

流線可用來估算螺旋槳推出的水流的偏轉(zhuǎn)量和尾流的擴(kuò)大角度。常規(guī)的直角推進(jìn)器的尾流與水平軸線成一條直線與預(yù)期是一致的。但是，8°傾角推進(jìn)器產(chǎn)生的有效推力軸線只向下偏轉(zhuǎn)5°，相對于軸線有明顯的角度減小。尾流在2種情況相對于軸線的擴(kuò)大角度都大約為4°。5°的有效推力軸線結(jié)合4°的尾流擴(kuò)展角直接導(dǎo)致尾流最小向下偏轉(zhuǎn)1°。傾角推進(jìn)器推出的水流向下偏轉(zhuǎn)限制在1°，因此不會對浮箱產(chǎn)生明顯的干擾?；谠摲椒傻贸鰞A斜角度＜8°的推進(jìn)器會與船體產(chǎn)生一定的相互作用的結(jié)論。該結(jié)論與其他出版物中提出的研究結(jié)果相同[8,9]。

圖3 推進(jìn)器與船底板的相互作用示意

圖4 推進(jìn)器與浮箱相互作用示意

2.3 傾角推進(jìn)器之間的作用

推進(jìn)器與推進(jìn)器之間相互作用的分析比推進(jìn)器與船體之間相互作用的分析更為復(fù)雜。對于推進(jìn)器之間的相互作用來說，2個推進(jìn)器之間的距離和上游推進(jìn)器的轉(zhuǎn)動角度都是重要的參數(shù)。2個推進(jìn)器之間的相互作用可通過上游推進(jìn)器的流管圖顯現(xiàn)。圖5為推進(jìn)器與推進(jìn)器相互作用示意，2個推進(jìn)器都為5°操作角。理論上已知的是在7倍螺旋槳直徑距離內(nèi)，禁區(qū)大概為16.8°。因此，在5°操作角情況下，推進(jìn)器不可避免地會發(fā)生相互干擾。

圖5 推進(jìn)器與推進(jìn)器相互作用示意

從圖5中可明顯看出，直角推進(jìn)器之間的相互干擾很明顯。上游推進(jìn)器的圓形部分被吸入到下游推進(jìn)器。雖然仍在5°的操作角上，但傾角推進(jìn)器間的相互干擾小得多。下游推進(jìn)器的流管圖形變得更圓，直接導(dǎo)致傾角推進(jìn)器比直角推進(jìn)器的禁區(qū)小。

2.4 確定禁區(qū)

以8個推進(jìn)器的半潛式平臺為例，在任意2個推進(jìn)器成直線的方向上將發(fā)生干擾，當(dāng)直角推進(jìn)器在側(cè)方向上產(chǎn)生推力時，推力損失約有50%。推力損失是由推進(jìn)器與推進(jìn)器的相互作用產(chǎn)生的。禁區(qū)可基于推進(jìn)類型及推進(jìn)器的距離計算得出。

對于傾角推進(jìn)器來說，唯一的推力損失來源于部分情況下推進(jìn)器的相互干擾，在所有工況下，最大的推力損失僅有5%。圖6為推進(jìn)器在不同操作角下的推力損失。

圖6 推進(jìn)器在不同操作角下的推力損失

2.5 推進(jìn)器的定位能力

為進(jìn)一步估算獨(dú)立的推進(jìn)器在目標(biāo)方向上的有效推力，建立一個簡單的數(shù)值模型，每個推進(jìn)器都被定位在目標(biāo)推力方向上。此外，對每個推進(jìn)器的轉(zhuǎn)向角都進(jìn)行評估，避免所有的禁區(qū)。假設(shè)有一個推進(jìn)器單元被放置在禁區(qū)內(nèi)，通過調(diào)整操作角來避免禁區(qū)。

基于該模型，可確定8個推進(jìn)器在滿功率情況下的可用推力。8個推進(jìn)器在要求的方向上的總推力與總的可用系柱拉力正?；?。

直角推進(jìn)器與傾角推進(jìn)器之間的差異可通過不同的方式進(jìn)行評估。圖7用2種方法來呈現(xiàn)差異。圖7a）中繪制有2個極坐標(biāo)圖。由圖7a）可知，直角推進(jìn)器只覆蓋傾角推進(jìn)器的一部分。為更詳細(xì)地量化傾角推進(jìn)器與直角推進(jìn)器的差異，給出圖 7b）。圖 7b）中：上部虛線顯示的是傾角推進(jìn)器在側(cè)方向上操作（90°或270°）時的最大推力增益約為35%；下部虛線顯示的傾斜推進(jìn)器向前的推力增益，約為9%；在360°方向上的可用推力的平均增加量約為19%。

圖7 傾角推進(jìn)器優(yōu)勢對比

3 結(jié) 語

通過分析，得到以下結(jié)論：

(1) 由導(dǎo)流罩噴出的流線圖可直觀地發(fā)現(xiàn)，8°傾角推進(jìn)器可有效避免與船底及浮箱的之間的相互干擾和推進(jìn)器與推進(jìn)器之間的相互干擾，有效增加平臺的定位能力。

(2) 分析推進(jìn)器尾流與船體及浮箱的相互作用，傾角推進(jìn)器可有效減小與船底板的摩擦；分析傾角推進(jìn)器傾角的選擇依據(jù)，8°傾角推進(jìn)器的尾流軸線只有5°，而尾流擴(kuò)散角度為4°，因此可避免尾流與浮箱的相互干擾。

(3) 對比分析傾角推進(jìn)器與直角推進(jìn)器的禁區(qū)，傾角推進(jìn)器的推力平均比直角推進(jìn)器增加19%左右。

(4) 傾角推進(jìn)器對比直角推進(jìn)器具有更獨(dú)特的優(yōu)勢，后期將在鉆井平臺傾角推進(jìn)器及直角推進(jìn)器經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行信息收集和對比研究。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 郁玉峰，梅斌賢，徐高峰，等.大功率海工可調(diào)螺距全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)[J].中外船舶科技，2015 (4): 20-23.

[2] 王培生.全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水動力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007: 4-8.

[3] LEHN E.Thruster Interaction Effect[R].The Ship Research Institute of Norway (NSFI Report), 1980.

[4] MOBERG S, HELLSTR?M A.Dynamic Positioning of a Four-Column Semi-Submersible-Model Tests of Interaction Forces and A Philosophy about Optimum Strategy when Operating the thrusters.[C]//Proceedings of the Second International Symposium on Ocean Engineering and Ship Handling, pp443-480,March 1-3, 1983.Gothenburg, Sweden.

[5] NIENHUIS U.Analysis of Thruster Effectivity for Dynamic Positioning and Low Speed Manoeuvring[D].Dissertation of Technical University Delft, 1992.

[6] ENGLISH J W.Propeller/hull interaction[C]//Proceedings of the 14th International Towing Tank Conference, 1975.

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[8] MATTILA M, YLITALO J.Semisubmersible rig – the reliable solution with minimal thrust losses[C]//Dynamic Positioning Conference, Houston, 2002.

[9] JüRGENS D, PALM M, AMELANG A, et al.Design of reliable steerable thrusters by enhanced numerical methods and full scale optimization of thruster-hull interaction using CFD[C]//Dynamic Positioning Conference, Houston, 2008.