中圖分類號(hào)：U664.33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research and Design of Controllable-Pitch Propeller Main Propulsion System for aHigh-SpeedWindFarmService Vessel

LI Jingwei， ZHANXibo，YANG Jiwu， LUJia（Afai Southern Shipyard（Panyu Guangzhou）Ltd.，Guangzhou 511431， China）

Abstract： This paper investigates the operational profiles of a wind farm service vessel. Based on the specific requirements for its main propulsion system， we analyze the adaptability of three types of propulsion systems for this vessel class.A configuration featuring controllable-pitch propellrs with V-type gearboxes is proposed， which effectively addresses both the spatial constraints of main propulsion system arrangement in compact engine rooms and the operational demands for high-speed navigation and low-speed pushing during wind turbine maintenance operations..

Key Words： controllable pitch propeler;wind farm service vessel; main propulsion system； V-drive

1 引言

我國(guó)作為全球最大的能源消費(fèi)國(guó)和溫室氣體排放大國(guó)之一，近年來(lái)一直在加大對(duì)清潔能源的投入和發(fā)展。我國(guó)海風(fēng)資源豐富，開發(fā)潛力大，適宜規(guī)?；_發(fā)，在沿海各省份“十四五”規(guī)劃中，海上風(fēng)電都被列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。隨著我國(guó)海上風(fēng)電的大量投產(chǎn)使用，海上風(fēng)電運(yùn)維已經(jīng)成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)后期維護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[

風(fēng)電運(yùn)維船是海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行和維護(hù)的重要交通運(yùn)維工具。風(fēng)電發(fā)電機(jī)組通常分布在風(fēng)速大，風(fēng)浪條件惡劣，潮汐變化較大的海域，普通定螺距螺旋槳推進(jìn)的運(yùn)維船在這種海況下抗浪性差且頂推靠泊能力不足，其運(yùn)維可達(dá)性、作業(yè)安全性等面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)2]。為了滿足復(fù)雜海況下海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)作業(yè)要求，有必要對(duì)運(yùn)維船的主推進(jìn)系統(tǒng)型式進(jìn)行研究。本文針對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船運(yùn)維作業(yè)工況，對(duì)比分析各種型式的主推進(jìn)裝置在運(yùn)維船上應(yīng)用的適配性和優(yōu)缺點(diǎn)，為風(fēng)電運(yùn)維船配置最合適的主推進(jìn)裝置。

2 風(fēng)電運(yùn)維船運(yùn)維作業(yè)工況

風(fēng)電運(yùn)維船作為海上風(fēng)電運(yùn)維重要的可達(dá)性裝備，需要能夠安全便利地將人員和設(shè)備運(yùn)送到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。由于風(fēng)電樁布置間距的限制，船舶的尺度不能過(guò)大，否則在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中有碰撞附近的風(fēng)電機(jī)組的危險(xiǎn)。為了保證船舶在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的可進(jìn)入性，目前風(fēng)電運(yùn)維船的船長(zhǎng)一般在 20m 至 40m 之間。在運(yùn)維作業(yè)過(guò)程中需要運(yùn)維船能夠精準(zhǔn)地頂靠到風(fēng)電樁上，并能夠與風(fēng)電樁持續(xù)接觸，以保證工作人員和設(shè)備能夠安全便利地送到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上。根據(jù)運(yùn)維船的實(shí)際運(yùn)營(yíng)作業(yè)情況，一般風(fēng)電運(yùn)維船的正常營(yíng)運(yùn)工況包括以下幾項(xiàng)：

1）滿載航行工況：船舶出港開往風(fēng)電場(chǎng)的航行過(guò)程中，搭載設(shè)備材料等貨物及工作人員，需以較高航速在海上正常航行，對(duì)主機(jī)功率有較高要求；

2）頂推風(fēng)電樁工況：能夠在低航速下精準(zhǔn)地頂靠到風(fēng)電樁上，防止對(duì)風(fēng)電樁造成較大沖擊[2；

3）靠泊風(fēng)電樁工況：能夠與風(fēng)電樁持續(xù)接觸靠泊，以保證工作人員安全登上風(fēng)電樁，同時(shí)將貨物吊運(yùn)到風(fēng)電樁上[2]；

4）空載航行工況：船舶從風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維作業(yè)完成后返回港口航行中，船上已沒(méi)有載運(yùn)貨物，能夠以較為經(jīng)濟(jì)的高航速在海上正常航行。

根據(jù)風(fēng)電運(yùn)維作業(yè)的營(yíng)運(yùn)特性和工作需要，船型最好選用高速雙體船。雙體船具有干舷高、甲板面積大、穩(wěn)性好、吃水淺以及承受較大風(fēng)浪的能力，可以保障海上作業(yè)時(shí)人員的安全。本型船根據(jù)營(yíng)運(yùn)特性需求，應(yīng)具有較高的航速，同時(shí)低速時(shí)具有良好的操控性、頂推能力和靠泊能力，這對(duì)該船的主推進(jìn)系統(tǒng)有較高的要求。

3 風(fēng)電運(yùn)維船主推進(jìn)系選型對(duì)比分析

根據(jù)上述對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船的工況分析，采用高速雙體船型的運(yùn)維船，船長(zhǎng)較小，航速較高，需要針對(duì)這種船型特點(diǎn)配置較為適用的主推進(jìn)裝置。一般尺度在20m 至 40m 之間的高速船，動(dòng)力通常采用高速柴油機(jī)，可選用的推進(jìn)器型式有：固定螺距螺旋槳、噴水泵推進(jìn)器和可調(diào)螺距螺旋槳。三種型式的推進(jìn)器的外形及特性見圖1所示。

固定螺距螺旋槳推進(jìn)器（FPP）和噴水泵推進(jìn)器的推進(jìn)特性是需要在特定航速區(qū)間內(nèi)才能達(dá)到最佳推進(jìn)效率。對(duì)于變航速、變工況的高速風(fēng)電運(yùn)維船，F(xiàn)PP和噴水泵推進(jìn)器的推進(jìn)效率會(huì)下降很多。應(yīng)用可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)器（CPP）卻可以在全航速及所有工況下均能達(dá)到優(yōu)異的推進(jìn)效率。三種推進(jìn)器在不同航速時(shí)的推進(jìn)效率見圖2所示。

風(fēng)電運(yùn)維船除了在航行時(shí)需要在空載和滿載工況下能達(dá)到優(yōu)異的推進(jìn)效率以外，還有頂推和靠泊作業(yè)工況時(shí)對(duì)船舶推力和操縱性的要求。風(fēng)電運(yùn)維船在頂推風(fēng)電樁的過(guò)程中，需要不斷切換船舶的推力為正推力或負(fù)推力，以便船舶能夠以很低的航速精準(zhǔn)地頂靠到風(fēng)電樁上，而且還必須避免對(duì)風(fēng)電樁造成較大沖擊，以免造成風(fēng)電樁或者船舶損傷[2]。在頂靠作業(yè)時(shí)，船舶不一定能一次成功，這就需要船舶需要不斷前進(jìn)后退來(lái)調(diào)整船舶方位、姿態(tài)、速度及推力，這對(duì)推進(jìn)器的負(fù)荷變化匹配性要求非常高。運(yùn)維船靠泊在風(fēng)電樁上后，船舶必須保證能夠與風(fēng)電樁持續(xù)接觸靠泊，以保證工作人員登上風(fēng)電樁，和將貨物吊運(yùn)上去。在這種工況下，運(yùn)維船需要長(zhǎng)時(shí)間輸出推力，緊緊頂住風(fēng)電樁，為人員登樁創(chuàng)造安全環(huán)境。長(zhǎng)時(shí)間的頂靠工況，運(yùn)維船需要主機(jī)燃油消耗盡量小，這就需要推進(jìn)器的效率與主機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。三種型式推進(jìn)器按照運(yùn)維船的運(yùn)營(yíng)工況的適配性對(duì)比見表1所示。

由上可知，多工況的高速風(fēng)電運(yùn)維船最合適的推進(jìn)器是可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)器。可調(diào)螺距螺旋槳可以兼顧滿載、頂推、靠泊、空載等各種負(fù)荷工況，通過(guò)改變螺距來(lái)獲取最佳的推進(jìn)效率，對(duì)船舶航行條件的適應(yīng)性強(qiáng)，具有較好機(jī)動(dòng)性和操縱性。分析如下：

1）載貨工況時(shí)，船舶排水量大，主機(jī)和螺旋槳所承受的載荷較大，調(diào)整可調(diào)槳螺距變小，以此來(lái)最大化吸收主機(jī)輸出的功率載荷，發(fā)出更大的推力，使船達(dá)到最高航速[3]；

2）頂推工況時(shí)，可調(diào)槳調(diào)整螺距，使得船舶獲得較低航速和具有較大推力。可調(diào)螺距槳非常大的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)僅改變螺距和轉(zhuǎn)速來(lái)控制船的前進(jìn)后退方向，而且控制比較靈敏，不需要依靠可逆轉(zhuǎn)齒輪箱等復(fù)雜的倒航機(jī)構(gòu)。由于可調(diào)槳的螺距可由最大值變?yōu)榱阒?，又可從正值變成?fù)值，它不受柴油機(jī)怠速值的限制，可使船舶由最大航速前進(jìn)到倒航內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可達(dá)到微速航行和迅速制動(dòng)倒航，因而船舶前進(jìn)和倒航控制方便靈敏，非常適宜頂推工況[4];

3靠泊工況時(shí)，需要較大推力，此時(shí)主機(jī)功率加大，調(diào)整可調(diào)槳螺距以便螺旋槳效率匹配主機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速，使得船舶保持較大推力的同時(shí)燃油消耗最低；

4）空載工況時(shí)，排水量輕，主機(jī)和螺旋槳所承受的載荷較小，調(diào)整可調(diào)槳螺距變大，以便調(diào)整螺旋槳效率及主機(jī)燃油消耗量至最合適的主機(jī)轉(zhuǎn)速與螺距比的匹配值，以達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)，減少燃油消耗[。

風(fēng)電運(yùn)維船作為需要海上作業(yè)的多用途船，由于在工作中需要進(jìn)行頻繁前進(jìn)、倒航、轉(zhuǎn)向、頂推，工況變化多，因此，主推進(jìn)系統(tǒng)配備可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)器是非常適合的[3]。

4運(yùn)維船可調(diào)螺距螺旋槳主推進(jìn)系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

本型風(fēng)電運(yùn)維船主推進(jìn)系統(tǒng)包括主柴油機(jī)、高彈聯(lián)軸節(jié)、短軸、減速齒輪箱、可調(diào)螺距螺旋槳及軸系等。本型風(fēng)電運(yùn)維船的船長(zhǎng)在 20m 至 40m 之間。該船的機(jī)艙長(zhǎng)度有限，但是由于風(fēng)電運(yùn)維船航速較高，主柴油機(jī)的功率需求較高，達(dá)到 1029kW ，因而主機(jī)尺寸較大，在這種小機(jī)艙的狹窄空間中布置困難。為了節(jié)省主推進(jìn)裝置的布置空間，本船選用了V-型齒輪箱，搭配可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn) V- 型傳動(dòng)布局。相比于傳統(tǒng)的直列式安裝，V-型傳動(dòng)布置可在有限的機(jī)艙空間內(nèi)納人更大功率的動(dòng)力配置。 V- 型齒輪箱自帶夾角，主機(jī)與齒輪箱之間使用彈性直軸連接，無(wú)需萬(wàn)向軸補(bǔ)償夾角差異，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)型式，從而有效降低振動(dòng)和噪聲。本船可調(diào)螺距推進(jìn)系統(tǒng)布置見圖3所示。

主柴油機(jī)通過(guò)高彈聯(lián)軸節(jié)和短軸驅(qū)動(dòng)V型減速齒輪箱，減速齒輪箱通過(guò)傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給可調(diào)槳，驅(qū)動(dòng)船舶前進(jìn)或后退。主推進(jìn)系統(tǒng)的主要設(shè)備配置如下：

1）高速柴油機(jī)

由于本船尺度小功率高，必須配置高功率密度的主機(jī)，因此配置兩臺(tái)船用高速柴油機(jī)作為主推進(jìn)動(dòng)力源，滿足船舶滿載工況下的航速要求。

2）減速齒輪箱

減速齒輪箱可以將高速柴油機(jī)的高轉(zhuǎn)速減小到螺旋槳需要的較低轉(zhuǎn)速，提高螺旋槳的效率，減少空泡。本船配置兩臺(tái)V型齒輪箱，具有減速、離合、CPP控制、PTO輸出動(dòng)力等功能。齒輪箱通過(guò)短軸和高彈聯(lián)軸節(jié)與主機(jī)連接，通過(guò)減震器安裝在船體上，極大地減小了主機(jī)傳遞到船體結(jié)構(gòu)上的振動(dòng)，降低了船舶的振動(dòng)和噪音水平，增加了船舶的舒適性。齒輪箱的外形圖如圖4所示。

3）軸系及可調(diào)螺距螺旋槳

主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)減速齒輪箱和軸系，最終傳遞到可調(diào)槳上。本船的軸系包括傳動(dòng)軸、聯(lián)軸節(jié)、艉軸密封裝置、軸承、艉軸支架。由于本船的螺旋槳為可調(diào)槳，螺旋槳的螺距采用軸系內(nèi)部的推拉桿進(jìn)行調(diào)整變距，因此軸系內(nèi)部是空心的，推拉杠在軸系液壓聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱對(duì)中時(shí)，采用螺紋套筒將軸系中的推拉桿和齒輪箱輸出法蘭的推拉桿連接起來(lái)，這樣齒輪箱上的CPP控制裝置可以控制螺旋槳的螺距變化。軸系及可調(diào)距螺旋槳齒輪箱的外形圖如圖5所示。

本船采用V型傳動(dòng)布局的可調(diào)螺距螺旋槳主推進(jìn)系統(tǒng)，可以充分地利用機(jī)艙的有限空間，主推進(jìn)裝置布置緊湊合理，節(jié)省了機(jī)艙的空間，有利于設(shè)備的操作和維護(hù)保養(yǎng)。

4）推進(jìn)器遙控系統(tǒng)

本船配置了一套可調(diào)螺距推進(jìn)器電子遙控系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于故障安全原則，具有高水平的冗余度，控制精準(zhǔn)。該遙控系統(tǒng)可以控制螺旋槳螺距、主機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器，具有自動(dòng)負(fù)荷控制功能，可以使主推進(jìn)系統(tǒng)的綜合效率最高。該遙控系統(tǒng)具有多種操作模式，可以在不同工況下采用不同的操作模式，使得運(yùn)維船對(duì)營(yíng)運(yùn)條件的適應(yīng)性強(qiáng)，具有較好的機(jī)動(dòng)性，操縱性?？刂葡到y(tǒng)既可以分開控制兩臺(tái)主機(jī)、兩套可調(diào)螺距推進(jìn)器、兩個(gè)側(cè)推及兩套舵機(jī)等推進(jìn)裝置，又可以采用單手柄聯(lián)合操作模式，只用一個(gè)手柄將這些主推進(jìn)設(shè)備的功能合成，駕駛船舶如同開汽車一樣方便，操作簡(jiǎn)便、靈活，自動(dòng)化程度高，適應(yīng)能力強(qiáng)?？烧{(diào)槳主推進(jìn)系統(tǒng)提高了風(fēng)電運(yùn)維船的安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和多種環(huán)境的適應(yīng)能力，為海上風(fēng)電的運(yùn)維工作提供了有力的保障。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船實(shí)際運(yùn)營(yíng)中遇到的多種工況，分析各種型式的推進(jìn)器對(duì)風(fēng)電運(yùn)維船的適配性，選用可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)器及V型齒輪箱，解決了大功率狹小機(jī)艙的布置，通過(guò)調(diào)整螺旋槳的螺距，船舶可以在最大航速到倒航內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，比使用發(fā)動(dòng)機(jī)或者齒輪箱本身的反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒航要簡(jiǎn)單、迅速和平滑，使船具有良好的機(jī)動(dòng)性和操縱性。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以根據(jù)不同的主機(jī)功率和工況自動(dòng)適配合適的螺距對(duì)船舶進(jìn)行推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)效率最優(yōu)化，降低了燃油消耗，提升船舶燃油經(jīng)濟(jì)性，使船舶更加節(jié)能、環(huán)保。

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