張勇明,李葳蕤,宋志國(guó)

(啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司,江蘇 南通 226200)

0 引言

吊艙式推進(jìn)裝置是近30年發(fā)展起來(lái)的一種新型船舶推進(jìn)裝置,是極地船舶的核心設(shè)備。目前,極地船舶吊艙式推進(jìn)裝置技術(shù)被國(guó)外少數(shù)公司所壟斷。國(guó)內(nèi)高冰級(jí)大功率吊艙式推進(jìn)裝置完全依賴(lài)進(jìn)口,嚴(yán)重制約了我國(guó)極地船舶的自主配套,并成為極地船舶國(guó)產(chǎn)化發(fā)展的瓶頸因素[1]。

因此,本文將結(jié)合大型無(wú)動(dòng)力駁船與外掛結(jié)構(gòu)平臺(tái)上安裝的吊艙式推進(jìn)器,在敞水區(qū)域開(kāi)展極地高冰級(jí)大功率吊艙式推進(jìn)裝置與船舶總體匹配、作業(yè)模式、環(huán)境適應(yīng)性、運(yùn)動(dòng)性能及試驗(yàn)驗(yàn)證等技術(shù)研究,確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)更接近于推進(jìn)器研發(fā)要求的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)6 MW級(jí)推進(jìn)裝置工程樣機(jī)在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)角度控制精度不大于2°,具備實(shí)船安裝應(yīng)用條件。

1 試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)基礎(chǔ)

試驗(yàn)驗(yàn)證是吊艙推進(jìn)器核心能力之一,主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:試驗(yàn)驗(yàn)證是確保型號(hào)任務(wù)一次成功的關(guān)鍵因素之一;試驗(yàn)驗(yàn)證是確保適航是否符合目標(biāo)要求的重要方法之一;試驗(yàn)驗(yàn)證是持續(xù)獲得新技術(shù)、新裝備及新工藝的主要方法之一[2]。

1.1 吊艙式推進(jìn)裝置簡(jiǎn)述

吊艙的研制需要兼顧敞水性能、破冰性能和冰區(qū)航行的操縱性能。吊艙與船舶的匹配性的好壞會(huì)影響到極地船舶的推進(jìn)效率、破冰能力和航行中的安全性,是吊艙研制成功的重要條件。

吊艙式推進(jìn)裝置,即推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳都是在船體的外部,螺旋槳和低速電機(jī)直接連接,沒(méi)有中間軸和減速機(jī)構(gòu),只有少量的控制設(shè)備和系統(tǒng)布置在推進(jìn)器艙內(nèi)。其主要構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 吊艙式推進(jìn)裝置

吊艙式推進(jìn)裝置是電推系統(tǒng)的核心系統(tǒng),主要包括:轉(zhuǎn)舵單元、推進(jìn)單元、電控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等4大功能模塊。其中:電控系統(tǒng)包括主推進(jìn)遙控系統(tǒng)、健康狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng);輔助系統(tǒng)包括槳軸密封系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、滑環(huán)單元、空氣冷卻系統(tǒng)及氣動(dòng)控制系統(tǒng)。

吊艙式推進(jìn)裝置的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)參數(shù)

1.2 吊艙式推進(jìn)裝置的優(yōu)勢(shì)

(1)采用拉式螺旋槳,體現(xiàn)出雙向破冰的優(yōu)勢(shì)。

(2)冰區(qū)轉(zhuǎn)向靈活,操縱性?xún)?yōu)越。

(3)沒(méi)有機(jī)械方面強(qiáng)度限制(錐齒輪),配套功率大。

(4)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳,響應(yīng)速度快。

(5)抗過(guò)載能力強(qiáng)。

因此,高冰級(jí)大功率吊艙式推進(jìn)裝置是極地船舶的首選。吊艙式推進(jìn)裝置單套功率高達(dá)20 MW,吊艙推進(jìn)電機(jī)可以在低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出過(guò)載扭矩,使得吊艙式推進(jìn)裝置可以輕松應(yīng)對(duì)突變負(fù)荷的影響,甚至可以應(yīng)付螺旋槳短時(shí)堵轉(zhuǎn)的情況;此外,吊艙式推進(jìn)裝置可以360°回轉(zhuǎn),可迅速為船舶任意航向航行提供最大扭矩,使船舶具有卓越的操縱性能。

吊艙式推進(jìn)裝置與常規(guī)推進(jìn)器對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 吊艙式推進(jìn)裝置與常規(guī)推進(jìn)器對(duì)比

1.3 驗(yàn)證的主要目的

驗(yàn)證的主要目的:驗(yàn)證吊艙式推進(jìn)裝置的各功能及相關(guān)性能指標(biāo)能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;該推進(jìn)裝置系統(tǒng)、部件及輔助系統(tǒng)是否適合預(yù)定的研發(fā)目標(biāo)、符合監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求;是否能提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄作為客戶(hù)及主管機(jī)構(gòu)的接受依據(jù)。

1.4 驗(yàn)證的對(duì)象分析

在已掌握相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)之上,對(duì)極地吊艙式推進(jìn)裝置的試驗(yàn)驗(yàn)證還需突破以下關(guān)鍵技術(shù):

極地船舶吊艙式推進(jìn)裝置操縱策略、吊艙推進(jìn)系統(tǒng)接口匹配設(shè)計(jì)技術(shù)、可靠性的高精度回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、高沖擊載荷下的吊艙包結(jié)構(gòu)安全性技術(shù)、高沖擊載荷下的螺旋槳可靠性連接技術(shù)、瞬時(shí)大負(fù)載作用的推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)。其中:最為重要的電氣遙控系統(tǒng)包含了主推進(jìn)控制系統(tǒng)、吊艙狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、動(dòng)力啟動(dòng)系統(tǒng)等,分布在各成員系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)內(nèi)測(cè)試裝置和傳感器完成對(duì)本系統(tǒng)或與連接的其他系統(tǒng)的故障檢測(cè)和狀態(tài)監(jiān)控。吊艙式推進(jìn)裝置遙控系統(tǒng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 吊艙式推進(jìn)裝置遙控系統(tǒng)圖

1.5 驗(yàn)證的主要層次

(1)設(shè)備層即靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

安保功能試驗(yàn):推進(jìn)裝置安全保護(hù)與報(bào)警功能試驗(yàn)正確性,各個(gè)系統(tǒng)部件及檢測(cè)點(diǎn)的檢查。

(2)系統(tǒng)層即水下動(dòng)態(tài)綜合耐久試驗(yàn)

①轉(zhuǎn)舵單元功能試驗(yàn)驗(yàn)證:驗(yàn)證吊艙槳轉(zhuǎn)舵裝置是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求及正確性;

②推進(jìn)單元功能試驗(yàn)驗(yàn)證:驗(yàn)證吊艙槳的推進(jìn)功能是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(3)應(yīng)用層即遙控控制功能試驗(yàn)驗(yàn)證

綜合運(yùn)轉(zhuǎn)功能試驗(yàn)驗(yàn)證:驗(yàn)證吊艙的空載運(yùn)轉(zhuǎn)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求及正確性。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證的主要方案

2.1 試驗(yàn)駁船

試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)是研究吊艙式推進(jìn)裝置流暢和水動(dòng)力性能的一個(gè)重要手段。結(jié)合吊艙式推進(jìn)裝置置于船體外的特性,根據(jù)吊艙槳系柱推力(約650 kN),采用駁船(船長(zhǎng)122.4 m,型寬59.8 m,型深8.4 m,結(jié)構(gòu)吃水5.5 m,甲板載荷100 kN/m2)接載外掛結(jié)構(gòu)箱體平臺(tái)整體安裝吊艙式推進(jìn)裝置的方案承載本次試驗(yàn)驗(yàn)證(見(jiàn)圖3)。駁船為非自航半潛甲板駁,與吊艙式推進(jìn)裝置搭載后按規(guī)范進(jìn)行穩(wěn)性計(jì)算。

圖3 吊艙式推進(jìn)裝置試驗(yàn)平臺(tái)

2.2 外掛式結(jié)構(gòu)平臺(tái)

作為承載本次試驗(yàn)安裝主體的外掛結(jié)構(gòu)平臺(tái),結(jié)合設(shè)備重量及推進(jìn)曲線(xiàn),設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 吊艙式推進(jìn)裝置外掛結(jié)構(gòu)平臺(tái)

2.3 結(jié)構(gòu)有限元分析

船體結(jié)構(gòu)模型每一個(gè)分段都由結(jié)構(gòu)板材與加強(qiáng)筋組成單元,在骨架間距內(nèi)包含了所有主要構(gòu)件,常常是臨界分段的加筋板單元容易發(fā)生崩潰[3]。因此,建立分段有限元模型對(duì)底座進(jìn)行強(qiáng)度校核。有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5 有限元模型

根據(jù)DNV船規(guī)Part3推進(jìn)裝置基座許用應(yīng)力為0.67ReH,其中ReH為材料屈服強(qiáng)度。屈服合成應(yīng)力匯總見(jiàn)表3。最大合成應(yīng)力圖見(jiàn)圖6。

表3 屈服合成應(yīng)力表

圖6 最大合成應(yīng)力(單位:MPa)

2.4 全船穩(wěn)性分析

在駁船尾部改裝外掛平臺(tái)勢(shì)必增加駁船結(jié)構(gòu)質(zhì)量,其中吊艙式推進(jìn)裝置本體質(zhì)量約為280 t,輔助設(shè)備及系統(tǒng)質(zhì)量約為10 t,結(jié)構(gòu)底座平臺(tái)質(zhì)量為65 t,發(fā)電機(jī)組質(zhì)量為160 t?；谝?guī)范和NAPA軟件計(jì)算平臺(tái)要求[4-5],穩(wěn)性衡準(zhǔn)分別為:

(1)拖航工況下,穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)K不小于1。

(2)拖航工況下,本船復(fù)原力臂曲線(xiàn)的消失角應(yīng)不小于18.7°。

(3)拖航工況下,本船最大復(fù)原力臂對(duì)應(yīng)角或進(jìn)水角為止的取較小復(fù)原力臂下的面積不小于0.08 m·rad。

(4)拖航工況下,本船最小修正后的初穩(wěn)性高度不小于1 m。

根據(jù)計(jì)算軟件NAPA規(guī)定:本船原點(diǎn)縱向位置取在肋骨0號(hào)處,指向艏部方向?yàn)檎?橫向取在船的中心線(xiàn)處,指向左舷為正,計(jì)算結(jié)果中左右舷分別用P、S表示;垂向取在船基線(xiàn)位置, 指向上方為正。模型見(jiàn)圖7,基于CCS規(guī)范的計(jì)算穩(wěn)性曲線(xiàn)見(jiàn)圖8,穩(wěn)性計(jì)算檢查結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)性計(jì)算檢查結(jié)果

圖7 駁船模型穩(wěn)性計(jì)算示意圖

圖8 計(jì)算穩(wěn)性曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證的資源配置

3.1 主電網(wǎng)的配置

根據(jù)吊艙推進(jìn)器主電機(jī)功率6 MW及輔助設(shè)備用電負(fù)荷需求,主電網(wǎng)配置如下:

(1)8臺(tái)1 000 kW集裝箱式柴油發(fā)電機(jī)組,變頻啟動(dòng)方式,自動(dòng)同步及負(fù)載管理系統(tǒng)。

(2)1臺(tái)整流器及變壓器、2臺(tái)熱交換器、1臺(tái)深水冷卻泵。

3.2 DE軸承潤(rùn)滑系統(tǒng)

設(shè)計(jì)臨時(shí)滑油油箱通過(guò)油處理單元連接管路到DE軸承接口。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)吊艙式推進(jìn)裝置在敞水區(qū)域的試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)研究,在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于大負(fù)載工況下吊艙式推進(jìn)器的抗沖擊適應(yīng)能力、推進(jìn)電機(jī)循環(huán)冷卻能力、低速大扭矩與低速穩(wěn)定性能力、分析槳葉與吊艙的相互作用與遠(yuǎn)程遙控轉(zhuǎn)舵角度,建議至少不限于以下程序試驗(yàn)驗(yàn)證:

(1)啟動(dòng)聯(lián)鎖功能試驗(yàn)

①按照觸摸屏上啟動(dòng)聯(lián)鎖條件順序,模擬所有聯(lián)鎖條件滿(mǎn)足啟動(dòng)連鎖要求,主推變頻器處于遙控位置且變頻器“準(zhǔn)備就緒”信號(hào)有輸出,觸摸屏上按“啟動(dòng)”按鈕,變頻器“運(yùn)行”信號(hào)有輸出;

②按照觸摸屏上啟動(dòng)聯(lián)鎖條件順序,分別模擬每一條聯(lián)鎖條件不能滿(mǎn)足啟動(dòng)連鎖要求后,且變頻器“準(zhǔn)備就緒”信號(hào)有輸出,觸摸屏上按“啟動(dòng)”按鈕,變頻器“運(yùn)行”信號(hào)無(wú)輸出。

(2)降速功能試驗(yàn)

按照降速條件順序,模擬每一條降速條件,轉(zhuǎn)速信號(hào)降為當(dāng)前速度一半。

(3)停機(jī)功能試驗(yàn)

按照觸停機(jī)條件順序,模擬每一條停機(jī)條件,停機(jī)指令發(fā)出停機(jī)信號(hào)。

(4)隨動(dòng)及非隨動(dòng)轉(zhuǎn)舵控制試驗(yàn)

①在遙控調(diào)速模式下,激活備用控制功能,依次按下備用左舵/右舵按鈕,檢查制動(dòng)器是否正確分閘和合閘,回轉(zhuǎn)裝置是否按照指令運(yùn)行;

②試驗(yàn)過(guò)程中,分別記錄低速(25 r/min)正轉(zhuǎn)1圈、反轉(zhuǎn)1圈狀態(tài)下的變頻器的電流和轉(zhuǎn)矩;

③試驗(yàn)過(guò)程中,分別記錄回轉(zhuǎn)電機(jī)在全速下正轉(zhuǎn)2圈、反轉(zhuǎn)2圈時(shí)的回轉(zhuǎn)時(shí)間,回轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)不超過(guò)30 s/圈;

④試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量回轉(zhuǎn)潤(rùn)滑油箱內(nèi)油溫和回轉(zhuǎn)滑動(dòng)軸承的溫度無(wú)異常上升,并記錄回轉(zhuǎn)潤(rùn)滑油箱內(nèi)油溫和回轉(zhuǎn)滑動(dòng)軸承的溫度值。

(5)舵角指示功能試驗(yàn)

正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)各2圈的狀態(tài)下,使用備用回轉(zhuǎn)控制功能,將回轉(zhuǎn)裝置依次放置在0°、90°、180°及-90°舵角附近位置處。各位置狀態(tài)下,電氣舵角指示及實(shí)際舵角位置相差不超過(guò)±2°為合格。此項(xiàng)內(nèi)容可與隨動(dòng)轉(zhuǎn)舵控制試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。

(6)推進(jìn)遙控加減速控制功能試驗(yàn)

①在遙控面板上按下“備用開(kāi)”按鈕,激活備用控制系統(tǒng);檢查槳軸轉(zhuǎn)速是否增加到設(shè)定轉(zhuǎn)速(25 r/min),旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針;

②過(guò)程中,檢查槳軸密封無(wú)異常溫升和噪聲;

③試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量回轉(zhuǎn)潤(rùn)滑油箱內(nèi)油溫和回轉(zhuǎn)滑動(dòng)軸承的溫度無(wú)異常上升,并記錄回轉(zhuǎn)潤(rùn)滑油箱內(nèi)油溫和回轉(zhuǎn)滑動(dòng)軸承的溫度值。

(7)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)及滿(mǎn)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)功能試驗(yàn)

①裝置處于遙控狀態(tài),通過(guò)駕駛室手柄同時(shí)操作電機(jī)轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)角度,檢查吊艙裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)功能,螺旋槳轉(zhuǎn)速?gòu)?逐漸加速到25 r/min,同時(shí)回轉(zhuǎn)角度按0°—90°—180°—(-90°)—0°的順序進(jìn)行操作;主推運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不小于30 min;

②裝置處于遙控狀態(tài),通過(guò)駕駛室手柄同時(shí)操作電機(jī)轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)角度,檢查吊艙裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)功能,螺旋槳轉(zhuǎn)速?gòu)?5 r/min逐漸減速到0,同時(shí)回轉(zhuǎn)角度按0°—90°—180°—(-90°)—0°的順序進(jìn)行操作;主推運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不小于30 min。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了利用駁船加裝外掛平臺(tái)對(duì)吊艙式推進(jìn)裝置進(jìn)行安裝及試驗(yàn)驗(yàn)證其各項(xiàng)性能指標(biāo)的技術(shù)方案。作為我國(guó)自主研發(fā)的大功率吊艙式電力推進(jìn)裝置,應(yīng)該加大力度開(kāi)展基礎(chǔ)試驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)的研究,加速試驗(yàn)技術(shù)積累,彌補(bǔ)自身薄弱環(huán)節(jié)。該方案初步建立了吊艙式推進(jìn)裝置的敞水區(qū)域和自航的試驗(yàn)驗(yàn)證方法,在直航或者斜航狀態(tài)下,螺旋槳推力、扭矩及吊艙阻力都達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)參數(shù)目標(biāo),也較好地檢驗(yàn)了各輔助系統(tǒng)性能,記錄成冊(cè),最后形成全面的最真實(shí)的試驗(yàn)報(bào)告,為提高我國(guó)吊艙式推進(jìn)器自主研制水平提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證支撐。