宋 煒， 段 斌

(滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海200129)

0 引 言

在中國為改善環(huán)境質(zhì)量而積極推進(jìn)“煤改氣”戰(zhàn)略的背景下，2017年中國超越韓國成為世界第二大LNG進(jìn)口國，全年進(jìn)口LNG共計(jì)3 789萬t。2018年上半年，中國進(jìn)口LNG總量達(dá)2 366.3萬t，較2017年同期增長51.3%。2017年7月初，國家發(fā)改委印發(fā)的《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》提出，到2020年，天然氣在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比力爭達(dá)到10%，地下儲(chǔ)氣庫形成有效工作氣量148億m3。2017年，中國從美國購買了360萬t LNG，但是2018年美國向中國的LNG出口逐步下降，尤其是在美國對中國300多種進(jìn)口商品增收25%的關(guān)稅后，中國作為回應(yīng)也提高了美國進(jìn)口商品的關(guān)稅，特別是對美國進(jìn)口LNG增收了10%的關(guān)稅，此后完全停購。當(dāng)前中國進(jìn)口LNG的缺口由澳大利亞、卡塔爾、馬來西亞等填補(bǔ)，不過隨著北極地區(qū)的亞馬爾LNG項(xiàng)目陸續(xù)投產(chǎn)，俄羅斯將可能成為中國最大的LNG能源貿(mào)易伙伴。而對于美國，只能依靠歐盟和印度為多余的LNG買單。此外，隨著國際海事組織(IMO)對2020年全球限硫決議的堅(jiān)決執(zhí)行，而且決定在2050年將溫室氣體降低至2008年的50%，航運(yùn)業(yè)壓力倍增，勢必將在船舶節(jié)能環(huán)保方面增大投入。因此，無論從未來LNG貿(mào)易運(yùn)輸?shù)恼w體量，還是從北美到印度的中遠(yuǎn)貿(mào)易航線，以及IMO積極推進(jìn)節(jié)能減排政策來看，船舶所有人與以往相比更加青睞節(jié)能型LNG船。

1 雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

考慮到船岸兼容、操縱性和靈活性等多方面原因，當(dāng)前市場主流船型是18萬m3LNG船，該尺度船型大多采用雙軸槳、雙尾鰭設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)不僅滿足大型船舶高服務(wù)航速所需的動(dòng)力要求，而且能優(yōu)化螺旋槳效率，提高船舶的推進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)性，還可以提高船舶推進(jìn)系統(tǒng)的冗余度、安全性并滿足許多港口的吃水限制[1]。

從17.2萬m3低速機(jī)推進(jìn)LNG船與17.4萬m3電力推進(jìn)LNG船的平行雙軸推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)評估和實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果反饋來看，我國在大型LNG船的多樣化推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并取得了理想的效果。雙軸推進(jìn)船的艉部流場因雙槳的相互干擾，槳內(nèi)側(cè)和外側(cè)的流場是不對稱的。受非對稱流場的影響，軸系所受到的水平方向彎矩甚至可以達(dá)到40%的垂向彎矩，這種水平彎矩與垂向彎矩的交叉疊加使軸系在運(yùn)行時(shí)軌跡飄忽不定，給推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了較大的挑戰(zhàn)，但是這些設(shè)計(jì)難點(diǎn)均已被攻克[2]。雖然這兩種船型的推進(jìn)性能指標(biāo)與油耗指標(biāo)達(dá)到了國際水平，但隨著船型發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，與國際領(lǐng)先船型相比，這兩型船在推進(jìn)性能指標(biāo)以及油耗指標(biāo)方面存在一定差距，必須對現(xiàn)有船型設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)理念上有所突破，才能開發(fā)出達(dá)到國際先進(jìn)水平的LNG船以滿足客戶對船舶節(jié)能降耗更高層次的市場需求。

船型優(yōu)化從線型設(shè)計(jì)與推進(jìn)性能兩方面來開展研究：一方面降低船型阻力，另一方面提高推進(jìn)系統(tǒng)效率，從整體上降低船舶所需推進(jìn)功率和能耗。在最新開發(fā)的17.4萬m3雙燃料電力推進(jìn)LNG項(xiàng)目中，LNG船設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出通過采用雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)方案來進(jìn)一步改善雙艉鰭周圍的艉部流場，提高船舶推進(jìn)效率，最終在實(shí)船項(xiàng)目中成功實(shí)施，如圖1所示。

圖1 雙軸系非平行布置圖

雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)技術(shù)的主要應(yīng)用目的是使艉部伴流場更均勻，并增加螺旋槳盤面處來流。在設(shè)計(jì)船體線型和尾鰭時(shí)，考慮將雙軸系設(shè)計(jì)成與船中線具有一定夾角的傾斜布置，通過與尾鰭的良好配合，提高推進(jìn)效率。

通過艉部流場CFD計(jì)算機(jī)模擬分析對比發(fā)現(xiàn)：

(1)雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)螺旋槳盤面進(jìn)水較平行軸系更加平滑，尤其在螺旋槳船中側(cè)(右側(cè))進(jìn)水得到較大改善，如圖2所示，伴流因數(shù)達(dá)0.4，與先前的0.1左右相比有著可觀的量變，表明雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)能使螺旋槳進(jìn)水更加充分。

(2)雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)螺旋槳頂部(近船尾底部)伴流因數(shù)為0.6左右，較平行軸系設(shè)計(jì)該處伴流因數(shù)0.8相比明顯降低。這表明雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)從螺旋槳盤面甩出、沖擊到的船尾底部的水流流速減弱，能夠有效降低船舶尾部結(jié)構(gòu)受到的水流沖擊力，進(jìn)而能夠在一定程度上改善船舶尾部以及機(jī)艙區(qū)域的船體振動(dòng)。

圖2 雙軸平行與傾斜布置艉部流場對比

2 雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)的技術(shù)挑戰(zhàn)

雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)雖然能夠帶來推進(jìn)效率的提升，但在設(shè)計(jì)和安裝上仍有很多技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

2.1 特殊傾斜設(shè)計(jì)的齒輪箱基座結(jié)構(gòu)

船舶航行時(shí)，螺旋槳巨大的推力(或拉力)通過軸系傳遞到齒輪箱本體推力軸承上，齒輪箱用數(shù)十個(gè)螺栓固定在齒輪箱基座上，進(jìn)而將推力通過齒輪箱基座傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。齒輪箱基座作為螺旋槳推力傳遞的關(guān)鍵一環(huán)，其設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮兩個(gè)方面：一是齒輪箱基座本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度須達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠經(jīng)得住各種工況的考驗(yàn)；二是需要考慮齒輪箱基座結(jié)構(gòu)與機(jī)艙雙層底結(jié)構(gòu)的有效對接，防止結(jié)構(gòu)鋼板錯(cuò)位布置產(chǎn)生額外的剪力，導(dǎo)致基座變形進(jìn)而危害船舶推進(jìn)系統(tǒng)安全。

在齒輪箱基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傾斜齒輪箱基座設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是齒輪箱軸承，尤其是齒輪箱推力軸承附近的結(jié)構(gòu)鋼板必須與螺旋槳推力方向相一致，也采用傾斜設(shè)計(jì)；同時(shí)，齒輪箱基座向船尾延伸以方便齒輪箱電動(dòng)滑油泵的布置和安裝；還有為保證推進(jìn)電機(jī)基座能夠與齒輪箱基座具有相同的熱膨脹和熱應(yīng)力，把齒輪箱基座向船首延伸，與推進(jìn)電機(jī)基座連接成一體。綜合上述幾個(gè)方面的考慮，第一版傾斜齒輪箱基座設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 第一版齒輪箱基座設(shè)計(jì)圖

在齒輪箱基座結(jié)構(gòu)與雙層底結(jié)構(gòu)對接時(shí)發(fā)現(xiàn)，齒輪箱基座下方的縱骨、肋骨都是標(biāo)準(zhǔn)(沿船長和船寬方向)設(shè)計(jì)，而且還各有一個(gè)強(qiáng)縱桁通過，雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修改已不可避免。為盡可能減少雙層底設(shè)計(jì)修改，對第一版齒輪箱基座設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化內(nèi)容是除了齒輪箱推力軸承附近的基座結(jié)構(gòu)必須采用傾斜設(shè)計(jì)外，其余結(jié)構(gòu)盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。為此，在第一版齒輪箱基座設(shè)計(jì)圖基礎(chǔ)上，完成第二版圖紙的繪制，如圖4所示。

圖4 第二版齒輪箱基座設(shè)計(jì)圖

為驗(yàn)證齒輪箱基座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，完成了齒輪箱及其基座、局部雙層底結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示齒輪箱推力軸承處最大變形約為1.2 mm，基座最大變形僅為0.47 mm，均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，如圖5所示。

圖5 齒輪箱基座有限元分析云圖

雖然有限元計(jì)算分析結(jié)果顯示齒輪箱基座設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，但是齒輪箱基座艉部結(jié)構(gòu)變形明顯較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏強(qiáng)。為此，做進(jìn)一步優(yōu)化，縮短齒輪箱基座艉部一檔，一方面可以節(jié)約鋼板材料(65 mm厚鋼板)，另一方面減少和降低齒輪箱基座安裝周期和難度，節(jié)省機(jī)艙空間，一舉多得。新優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)設(shè)備廠家校核后得以通過。最終版傾斜齒輪箱基座設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 最終版傾斜齒輪箱基座設(shè)計(jì)圖

2.2 起吊設(shè)施的特殊布置

雙軸系的傾斜設(shè)計(jì)使得用于推進(jìn)軸系、齒輪箱和推進(jìn)電機(jī)起吊的工字梁也必須采用傾斜布置，如圖7所示。采用起吊工字梁的傾斜布置比常規(guī)平行工字梁布置更具有難度，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是傾斜的艉軸抽出難度更大，設(shè)計(jì)方案更復(fù)雜。抽出傾斜的艉軸需先將兩號(hào)中間軸拆除移開并臨時(shí)放置，然后才能進(jìn)一步拆除艉軸，因此整個(gè)艉軸抽出流程需要更多的機(jī)艙空間，還需要結(jié)合管路和電纜實(shí)際布置情況，合理設(shè)置軸系起吊輔助眼板，這給原本就密集布置的底層甲板帶來極大的挑戰(zhàn)。二是工字梁的反頂加強(qiáng)結(jié)構(gòu)也隨之傾斜布置，該斜向結(jié)構(gòu)跨度大，基本縱跨整個(gè)機(jī)艙區(qū)域，不可避免地使部分結(jié)構(gòu)伸入到結(jié)構(gòu)箱柜中，如雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑油循環(huán)艙，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)箱柜進(jìn)行設(shè)計(jì)修改，呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，如圖8所示。箱柜設(shè)計(jì)修改不僅需保證功能性相同，還需兼顧生產(chǎn)施工難度，形成有針對性的應(yīng)對方案。

圖7 工字梁的傾斜布置

圖8 主發(fā)電機(jī)潤滑油循環(huán)艙的結(jié)構(gòu)圖

2.3 機(jī)艙底層設(shè)備的優(yōu)化布置

在雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)中傾斜角度選取2.4°。

在水池試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雙軸系非傾斜角度在2°～3°時(shí)對推進(jìn)效率貢獻(xiàn)最大。但是機(jī)艙底層設(shè)備眾多，尤其是在機(jī)艙首部，既有推進(jìn)系統(tǒng)的齒輪箱和推進(jìn)電機(jī)，又有大量壓載泵和冷卻海水泵，以及復(fù)雜的壓載水處理系統(tǒng)等，傾斜角度的選取將會(huì)影響底層設(shè)備的布置和雙層底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

底層設(shè)備布置的首要問題是推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備定位和布置。在雙艉鰭線型設(shè)計(jì)中，在艉鰭區(qū)域船體線型收緊且在兩鰭中間線型呈抬高趨勢，如圖9所示，特殊的線型設(shè)計(jì)對齒輪箱和推進(jìn)電機(jī)最優(yōu)布置提出較高挑戰(zhàn)?？紤]到為推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子預(yù)留抽出空間，齒輪箱定位應(yīng)盡可能偏向艉部。經(jīng)過反復(fù)校核齒輪箱布置安裝要求和船體線型的干涉，最終確定齒輪箱輸出端法蘭中心位置。

圖9 船體模型的艉部外形圖

在雙軸系傾斜角度的選取上，重點(diǎn)考慮機(jī)艙海水泵及其管路和閥件布置。機(jī)艙海水泵數(shù)量眾多，包括3臺(tái)2 500 m3/h的壓載泵、2臺(tái)1 800 m3/h的中冷海水泵、6臺(tái)主發(fā)電機(jī)冷卻海水泵和2臺(tái)液貨系統(tǒng)冷卻海水泵等，如圖10所示。機(jī)艙海水泵原則上盡量集中緊湊布置，海水管路長度盡可能短，閥件布置合理易操作；同時(shí)，推進(jìn)電機(jī)抽出空間內(nèi)不能布置海水泵及其管路和閥件。通過對海水泵布置的專題研究，制定出機(jī)艙海水泵緊湊的“一”字集中布置方案。

當(dāng)確認(rèn)了齒輪箱定位和機(jī)艙海水泵的布置后，經(jīng)過計(jì)算和校核，最終確定雙軸系非平行角度為2.4°的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖10 底層機(jī)艙布置圖

2.4 軸舵系的匹配安裝

采用雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)，而且雙舵系還為全懸掛舵設(shè)計(jì)，大幅提高了對船舶建造精度和工藝的要求。全懸掛舵設(shè)計(jì)是指舵葉整體全部懸掛于船體下面，無下支撐，性能較好。全懸掛舵系在安裝時(shí)，沒有鏜孔或者澆注環(huán)氧的中間步驟，這也意味著一旦分段搭載結(jié)束，舵系位置就完全固定下來，不能有任何調(diào)整，而軸系采用非平行布置設(shè)計(jì)，同樣的誤差在傾斜軸系上會(huì)放大，安裝精度必須嚴(yán)格控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)軸舵系的匹配，對船體搭載精度及后續(xù)軸舵系照光鏜孔工藝提出了較高的要求。

面對新型軸舵系匹配安裝問題，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，認(rèn)為必須保證軸系和舵系中心線的偏差值以確保船舶性能及舵效，在舵系無法鏜孔調(diào)整的情況下，僅靠軸系鏜孔調(diào)整遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，必須嚴(yán)格控制軸舵系關(guān)鍵分段的制作、總裝和搭載精度。最終總結(jié)出一套雙軸系非平行配合全懸掛舵的安裝工藝以及搭載精度控制方法。經(jīng)過實(shí)船驗(yàn)證，該工藝很好地解決了新型雙軸系非平行—雙懸掛舵的匹配安裝問題，取得理想效果。

3 試航驗(yàn)證

在推進(jìn)系統(tǒng)各設(shè)備及軸舵系安裝完畢后進(jìn)行試航驗(yàn)證。在常規(guī)試航中，安排長達(dá)24 h的耐久試驗(yàn)，包括8 h雙槳運(yùn)行模式和左右推進(jìn)鏈各8 h單槳運(yùn)行模式。圖11所示的是在中央集成控制系統(tǒng)中推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控顯示頁面。單槳運(yùn)行模式只使用一側(cè)的推進(jìn)鏈，將另一側(cè)的推進(jìn)軸系鎖止，能夠使LNG船即便在單槳運(yùn)行模式下也具有良好的操控性能，能夠保障大型LNG船在單條推進(jìn)鏈故障情況下保持自航能力的要求，這也是LNG船雙軸槳推進(jìn)系統(tǒng)具有高冗余性特點(diǎn)的體現(xiàn)。

圖11 推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控顯示圖

在試航開始后，為保證齒輪箱的工作狀態(tài)，首先進(jìn)行約10h的齒輪箱磨合試驗(yàn)。在此過程中，切勿[][]在船舶高速段進(jìn)行大舵角轉(zhuǎn)彎，時(shí)時(shí)監(jiān)控齒輪箱軸承的潤滑油溫度、壓力和振動(dòng)幅度，一旦發(fā)現(xiàn)超出設(shè)計(jì)范圍，需要立刻停車檢查。在齒輪箱磨合試驗(yàn)后，完成對齒輪嚙合狀態(tài)的取樣和確認(rèn)，確認(rèn)無誤后進(jìn)行推進(jìn)軸系的軸承磨合試驗(yàn)。在推進(jìn)軸系軸承磨合試驗(yàn)過程中需密切關(guān)注艉管軸承溫度。傾斜布置的艉軸采用了特殊的雙斜坡設(shè)計(jì)以應(yīng)對非平行布置的雙軸系設(shè)計(jì)中水平彎矩與垂向彎矩耦合后復(fù)雜而又難以預(yù)判的軸系軌跡，從而避免極端工況下因油膜間隙過小產(chǎn)生干運(yùn)轉(zhuǎn)而引起的軸系高溫和損壞，實(shí)現(xiàn)船舶全天候的安全可靠運(yùn)行。為此，在艉軸承中安裝了固定式的軸系在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠時(shí)時(shí)掌握推進(jìn)系統(tǒng)軸承工作狀態(tài)。

最終，通過實(shí)船試航，證明了非平行布置雙軸系推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也確認(rèn)了雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)想的節(jié)能指標(biāo)。

4 結(jié) 論

以一型17.4萬m3電力推進(jìn)LNG船為研究載體，開展大型LNG船雙軸系非平行布置的設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論總結(jié)如下：

(1) 在雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)中，螺旋槳盤面進(jìn)水較平行軸系更加平滑和充分，從螺旋槳盤面甩出、沖擊到的船尾底部的水流流速減弱，能夠降低船舶尾部結(jié)構(gòu)受到的水流沖擊力。

(2) 與常規(guī)雙軸系平行布置設(shè)計(jì)相比，采用傾斜軸系設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致齒輪箱基座結(jié)構(gòu)、軸系和設(shè)備起吊設(shè)施的布置、機(jī)艙底層設(shè)備布置等設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，需進(jìn)行特殊考慮。

(3) 通過對機(jī)艙底層設(shè)備的緊湊化布置，尤其是機(jī)艙海水泵的“一”字集中布置和推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子抽出空間的預(yù)留，確定推進(jìn)軸系傾斜角度選取2.4°的技術(shù)方案。

(4) 通過實(shí)船試航中的不同負(fù)荷和工況的試驗(yàn)，包括雙槳推進(jìn)和單槳推進(jìn)模式，驗(yàn)證了雙軸系非平行布置設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。