楊偉民,　黃　劍,　胡清偉

(1.上海市航務(wù)管理處,上海 200080;2.南通中遠(yuǎn)船務(wù),江蘇 南通 226001)

0　引　言

自航自升式風(fēng)電安裝船是近期市場上的熱點(diǎn)船型，為確保在風(fēng)場作業(yè)時(shí)的安全性和機(jī)動(dòng)性，自航自升式風(fēng)電安裝船通常通過安裝全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器及在艏部配置側(cè)推來保證動(dòng)力定位能力，以確保作業(yè)安全。船尾安裝的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多采用Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，而目前廣泛應(yīng)用于客船、豪華游船及科考船等項(xiàng)目的全電力回轉(zhuǎn)吊艙式推進(jìn)器在自航自升式風(fēng)電安裝船上則很少使用。

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器是由電動(dòng)力驅(qū)動(dòng)固定在水下船體之外、吊艙之內(nèi)的螺旋槳，吊艙可在0°～360°內(nèi)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，自由地向任何方向推進(jìn)。吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器集推進(jìn)和轉(zhuǎn)舵功能于一體，對吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與常規(guī)Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的性能進(jìn)行分析,并做全方面對比。

1　全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)

1.1　Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)位于機(jī)艙內(nèi)，通過傳統(tǒng)軸系驅(qū)動(dòng)位于舷外的機(jī)械全回轉(zhuǎn)螺旋槳(見圖1)。

a) 結(jié)構(gòu)模型圖

b) 實(shí)物模型圖

該種全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器有動(dòng)力傳遞路線長、震動(dòng)大、噪聲大、同時(shí)占有室內(nèi)空間大及需更多的現(xiàn)場安裝等缺點(diǎn)，維修也比較困難。

1.2　吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器均位于水下并為一體式結(jié)構(gòu)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子上的螺旋槳(見圖2)。

圖2　吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

該全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器可節(jié)省室內(nèi)空間，同時(shí)具有優(yōu)良控制性能。使船舶的前進(jìn)、倒車、停車及回轉(zhuǎn)等控制性能得到明顯提高，且該推進(jìn)器可整體進(jìn)行安裝，維修時(shí)可整體吊出，安裝及維修時(shí)比較方便。

2　吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)

2.1　經(jīng)濟(jì)性

作為一種全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)在具備常規(guī)電力推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了船舶的經(jīng)濟(jì)性，不同推進(jìn)方式的推進(jìn)效率對比見圖3。

吊艙全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器相對于其它推進(jìn)方式能提高3%～15%的推進(jìn)效率，在提供同樣推力的情況下，裝機(jī)功率可比機(jī)械推進(jìn)裝置減少10%～20%，能節(jié)約燃油消耗約10%，其經(jīng)濟(jì)性具體由以下幾個(gè)因素產(chǎn)生。

圖3　不同推進(jìn)方式的推進(jìn)效率對比

2.1.1無中間傳動(dòng)，提高傳動(dòng)效率

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的螺旋槳直接附在推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，無任何中間傳動(dòng)損失。而Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在2對傘形齒輪及8～10個(gè)軸承上存在約3%～6%的傳遞損失。兩種推進(jìn)器的傳動(dòng)示意圖見圖4。

a) 吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的傳動(dòng)示意圖

b) Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器傳的傳動(dòng)示意圖

2.1.2節(jié)約輔助設(shè)備能源消耗

采用吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船舶不需再配備齒輪箱、中間軸承及艉管軸承等設(shè)備，內(nèi)部也無傘形齒輪等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相應(yīng)節(jié)約這些設(shè)備潤滑及冷卻所需的能源。

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)大部分由周圍的海水直接冷卻，少量熱量需通過空水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻；而Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的電機(jī)位于機(jī)艙內(nèi)，電機(jī)需全部進(jìn)行額外通風(fēng)及冷卻。

2.1.3高效永磁電機(jī)

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)選用高效永磁電機(jī)，將定距螺旋槳安裝在電機(jī)的輸出軸上。采用永磁電機(jī)技術(shù)可以減小吊艙的外形尺寸，提供流體動(dòng)力效率。此外推進(jìn)電機(jī)采用海水包圍冷卻，冷卻效果好。采用高效永磁電機(jī)可降低2%～10%的電氣損耗，在動(dòng)力定位模式下效率最高可有7%的提高(見圖5)。

圖5　動(dòng)力定位模式下電機(jī)效率對比

2.1.4提高船體效率

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)的艉部采用平緩的流線型，可降低船體阻力，提高了10%的船體效率。此外，采用拉式槳設(shè)計(jì)的吊艙能產(chǎn)生非常均勻的伴流區(qū)，可提高螺旋槳流體動(dòng)力效率并減少空泡現(xiàn)象。

2.2　操縱性

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)擁有良好的回轉(zhuǎn)性能，轉(zhuǎn)舵速度可達(dá)12°/s，也可采用直接反轉(zhuǎn)螺旋槳來迅速改變推力方向，特別是在動(dòng)力定位時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)速度更加迅速。Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器因傘型齒輪進(jìn)行傳動(dòng)的原因，反轉(zhuǎn)扭矩受限，進(jìn)行180°轉(zhuǎn)舵回轉(zhuǎn)時(shí)一般需停轉(zhuǎn)螺旋槳，需20 s以上的時(shí)間改變推力的方向。

2.3　舒適性

相對Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)，裝有吊艙全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲將大幅降低，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 采用吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的船舶,由于省去了軸系推進(jìn)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸系和齒輪箱，或Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的傘形齒輪，消除了螺旋槳與船體之間的剛性連接，螺旋槳不會(huì)通過傳動(dòng)軸系對船體產(chǎn)生振動(dòng)沖擊。由于沒有中間傳動(dòng)，中間傳動(dòng)本身產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲得以大幅改善。

2) 軸系或Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器一般采用推式槳，來流流場受艉部構(gòu)件影響產(chǎn)生紊流，吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器采用拉式槳，其螺旋槳盤面正對水流，能獲得均勻的流場，可有效降低螺旋槳的激振力(見圖6)。

a) 軸系推進(jìn)伴流

b) 吊艙推進(jìn)伴流

從近期交船的某科學(xué)考察船可知，全速航行時(shí)噪聲指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求的船員臥室噪聲舒適度最高等級的房間(低于52dB)占全船臥室的75%；達(dá)到客船乘客高級艙室噪聲舒適度最高等級的房間(低于45dB)占全船臥室的25%，部分高級船員的臥室噪聲指標(biāo)僅為41dB，全面提升船員生活及工作的舒適度。

2.4　環(huán)保性

2.4.1大氣環(huán)境

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)比Z型機(jī)械式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)的燃油消耗可減少10%，可減少大量廢氣的排放，降低環(huán)境污染和減緩“溫室效應(yīng)”。

2.4.2海洋環(huán)境

滑油泄漏是導(dǎo)致船舶海洋污泥的重要因素之一，Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)需約3 t，用于潤滑該推進(jìn)系統(tǒng)中的齒輪和轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。

軸系艉管及Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的密封如果發(fā)生泄漏，內(nèi)部的大量滑油會(huì)直接泄漏到海水中造成海洋污染。

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器僅推力軸承需約60 L的潤滑油，且采用密閉油殼自潤滑方式，完全與海水隔離，避免推進(jìn)系統(tǒng)常見的軸系艉管滑油泄漏或機(jī)械全回轉(zhuǎn)滑油泄漏問題，防止對日益惡化的海洋環(huán)境造成污染。吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)可減少99%的滑油消耗。

2.5　可靠性

相對于Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器功率傳動(dòng)的2對齒輪及8～10個(gè)軸承，吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)中沒有齒輪，只有3個(gè)軸承，其可靠性大幅提高。吊艙推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，目前統(tǒng)計(jì)的平均安全運(yùn)行可靠性高于99.8%，運(yùn)行時(shí)間已突破7×106h。

2.6　維護(hù)保養(yǎng)簡單

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)系統(tǒng)組成設(shè)備少,維護(hù)保養(yǎng)簡單。某吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器連續(xù)運(yùn)行9 a后首次保養(yǎng)的狀態(tài)見圖7。

圖7　全電力吊艙推進(jìn)器首次保養(yǎng)現(xiàn)場

3　綜合對比

根據(jù)上述介紹和分析，對吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總見表1。

表1　吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器與Z型機(jī)械式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器綜合對比

4　吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在自航自升式風(fēng)電安裝船上的適用性

自1991年丹麥建成全球首個(gè)海上風(fēng)電場起至2016年底，全球海上風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)14 384 MW。由于海上風(fēng)電場安裝和維護(hù)環(huán)境相對于陸上更為復(fù)雜，要求風(fēng)電安裝船不但要具備一定的自航能力，還要具備靈活的操縱性能以面對復(fù)雜風(fēng)場作業(yè)情況，可進(jìn)行動(dòng)力定位的高性能自航自升式風(fēng)電安裝船成為市場的熱點(diǎn)需求。能提供高效推進(jìn)的吊艙式全動(dòng)回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，可為風(fēng)電安裝船盡快部署至施工區(qū)域提供強(qiáng)大的推力;同時(shí),低航速或接近零航速狀態(tài)下穩(wěn)定扭矩的輸出為自升式平臺(tái)的插樁提供穩(wěn)定可靠的DP定位能力。吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器自身結(jié)構(gòu)的緊湊性及較少輔助設(shè)備的依賴性,可在整船的布置上釋放更多的空間。吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在整機(jī)重量上的優(yōu)勢,也為平臺(tái)提供更多的甲板有效載荷。這些優(yōu)點(diǎn)都將為吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在自航自升式風(fēng)電安裝船上的應(yīng)用贏得優(yōu)勢。

5　結(jié)　語

隨著吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器技術(shù)不斷完善，環(huán)保要求不斷提高，目前,已有超過400臺(tái)吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在海上運(yùn)行。從運(yùn)行船舶反饋的情況可知，其在經(jīng)濟(jì)型、操縱性、環(huán)保型及舒適性等性能方面都有突出表現(xiàn)。

吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器擁有良好的操縱性能，可提高風(fēng)電安裝船在風(fēng)場作業(yè)時(shí)的安全性，同時(shí)還具備震動(dòng)噪音小、安全性高、維護(hù)周期長及經(jīng)濟(jì)性高等諸多優(yōu)點(diǎn)?？紤]到風(fēng)電船空間小及需帶有動(dòng)力定位系統(tǒng)等特點(diǎn)，安裝吊艙式全電力回轉(zhuǎn)推進(jìn)器,將成為新一代自航自升式風(fēng)電安裝船的最佳選擇。