吊艙式CRP推進系統發展及應用前景

張慶文

中華人民共和國海事局法規處 北京 100736

吊艙式CRP推進系統發展及應用前景

張慶文

中華人民共和國海事局法規處 北京 100736

介紹吊艙式CRP推進系統的組成、特點，分析營運經濟性，實例計算說明吊艙式CRP的方案與其它方案相比經濟性優勢明顯，具有廣闊的市場前景。

吊艙 吊艙式CRP 技術特點 經濟性分析

對轉槳的概念早就被廣泛地應用到很多船型上。傳統的對轉槳結構是后槳和前槳分別安裝在同一軸線的內外尾軸上，安裝后槳的內尾軸通過彈性聯軸節與主機輸出軸直接連接，與主機轉向相同。帶前槳的外尾軸是空心的，套裝在內尾軸上，主機通過對轉齒輪傳動器帶動外尾軸和前槳反向旋轉［1］。隨著電力系統的發展以及在高速船舶上吊艙（POD）式推進應用的經驗積累，使新的對轉槳概念即吊艙式CRP（contra rotating pod）推進器的廣泛應用成為一種可能。

1 吊艙式電力推進系統

1．1 吊艙式電力系統概念

吊艙式電力推進應用于電力推進船舶［2］。具體來說，就是把電力推進系統中的電動機置于船尾下可旋轉360°的流線型吊艙內，由一臺變頻器供電和控制。吊艙的一端或兩端裝有定距槳，由電機直接驅動。螺旋槳和推進電機共軸，兩者之間沒有其它的任何環節，結構簡單緊湊，通常制成一個獨立的模塊。推進的方位角可以人為地控制和調節。

1．2 吊艙式電力推進的優點

吊艙式電力推進和傳統的推進系統相比有如下一些優點。

1）推進效率高；

2）取消了尾軸、尾側推器、舵機系統等，不需專門的冷卻系統從而節省了艙容，簡化了安裝；

3）空間配置靈活，充分利用了艙容；

4）模塊化設計原理使吊艙模塊可以在船舶建造基本完成時安裝，縮短了建造周期；

5）噪聲低，振動小，廢氣排放減少；

6）推進器可以在360°水平范圍內旋轉，提高了船舶的操縱性和機動性；

7）根據需要決定并入電網的發電機臺數，使機組運行于理想負荷下，對燃油經濟性有利，還可以減少維護工作，降低備件費用。

2 吊艙式CRP推進系統

2．1 工作原理

吊艙式CRP推進概念由芬蘭的ABB工業公司提出。這種系統的布置方案為將一個可操縱的吊艙模塊安裝在標準螺旋槳之后，兩槳布置在同一軸線上，但沒有任何的物理連接。結構見圖1。

牽引式的POD螺旋槳旋轉方向和主螺旋槳的旋轉方向相反。這種布置可以使水動力效率提高10%，原因為主螺旋槳旋轉產生的能量被POD槳吸收，選擇合適的螺旋槳載荷分配，單尾鰭擁有最光滑的船尾型線。

吊艙式CRP推進系統在結構上是原來舵的位置上換成了一臺牽引式的POD模塊，主螺旋槳仍由二沖程柴油機直接推進或由四沖程柴油機帶減速齒輪箱推進。當然，也可以由機艙內電機推進以實現全電力推進。船舶電站的發電能力需要提高，以使POD模塊達到在主螺旋槳故障時“安全返港”模式下的航速。

2．2 技術特點

1）主螺旋槳和POD槳的載荷比可以靈活調整，一般主螺旋槳分配60%～70%的載荷，POD槳分配40%～30%的載荷；

2）POD槳的直徑小于主螺旋槳的直徑以防止不同自航操舵角時受主螺旋槳可能發生的稍渦空泡的影響；

3）螺旋槳的葉數不同，以免螺旋槳共振；

4）POD槳的轉速一般比主螺旋槳的轉速高，以保證獲取螺旋槳的最佳效率；

5）POD槳的旋轉角為±100°（另一種選擇為

360°全回轉）。

在前后槳葉和轉速的選取上，為了使激振力減小，需滿足以下條件［3］

圖1 吊艙式CRP結構示意圖

式中：Zfwd——前槳葉數；

Zaft——后槳葉數；

nfwd——前槳轉速，r／min；

naft——后槳轉速，r／min。載荷分布上，需滿足

式中：PD，fwd——前槳載荷；

PD，aft——后槳載荷。

2．3 技術優勢

1）推進效率高；

2）總裝機功率低；

3）兩臺相互獨立的推進系統，提高了冗余性；

4）無需尾側推和舵；

5）聯合推進作用于船體，激振力低；

6）原動機的選擇不受限制，功率步進容易調整；

7）總體布置靈活性大；

8）操縱性能好，有動力定位功能。吊艙模塊繞垂直軸線自由旋轉，將螺旋槳推力直接作用于所需方向上，與隧道式推進器相比螺旋槳直徑大，水動力性能損失小；

9）優化了原動機的負荷，降低了廢氣排放。

3 全船綜合推進系統

綜合推進系統采用了電站原理。電站原理指船舶的日用電網和推進動力電網是相通的，取代了單獨的負載電網和機械推進用電網。可以根據不同的推進功率需求相應地調節運行的發電機數量，所需的功率下降時，一部分柴油機就可以停機，運行的柴油機仍恒速運轉，工作在最優負荷下［4-5］。

在一般海況下，兩套推進系統與一個選定的運行工況相對應。圖2是吊艙式CRP推進系統在船上布置的示意圖。

圖2 吊艙式CRP布置示意圖

圖3是對應于圖2的吊艙式CRP推進系統的全船線路圖。

圖3 吊艙式CRP推進線路圖

可以看出，吊艙式CRP推進系統所需要的額外的機械裝置是一臺變頻器和POD模塊及其輔助設備，其余的設備（發電機，主配電板和變壓器等）船上原已配備。

當然，由于更高的電功率的需求，需要對電網進行必要的升級。但是，總體裝置與單槳推進的船舶相比，吊艙式CRP推進系統并沒有徹底的改變。盡管需要安裝吊艙模塊和變頻器的空間，但省去了舵、尾側推等裝置，總體重量沒有增加反而減少。另外相互獨立的推進系統提供了最大的冗余，在一個系統出現故障時，另一個系統可以繼續獨立運行，保證了航行的安全性。

4 經濟性

對于船東來說，經濟性是需要考慮的首要因素。現在，船東對建造新船的評估標準已經從初期投資評估轉向全生命周期費用（LCC）評估。LCC包括資金成本、營運成本以及船舶的轉手價格和損毀價格。資金成本是指結合初期投資成正比的。營運成本包括燃油、維護、人力和港口拖輪費用等。燃油和拖輪費用在吊艙式CRP推進系統中最有潛力節省。由于吊艙式推進模塊的良好的操縱性，船舶在港口內無需拖輪輔助，而拖輪費用是一項包含在LCC中的主要成本。

以一條12 000 TEU的ULCS（超大型集裝箱船）研究為例進行說明，船舶的主要參數如下。

垂線間長380．0 m， 型寬52．5 m，

服務航速25．5 kn， 型深14．6 m，

裝載量 12 000 TEU。

基準點定為20%的功率儲備裕度，90%的MCR運行狀態。

4．1 初期投入總裝機功率的影響

12 000 TEU的ULCS最大電力負荷為13 MW，由服務負載、冷藏負載和推力負載構成，在吊艙式CRP方案中，POD的負載為22 MW。

吊艙式CRP推進系統有最好的水動力效率，同樣航速下螺旋槳所需功率對比見圖4。

圖4 同樣航速螺旋槳所需推進功率

在確定總的推進效率時，從主機傳送到螺旋槳處的整個功率鏈都要進行考慮。可用如下的公式計算吊艙式CRP的總效率損失

總損失＝（POD負荷比×電力損失+主螺旋槳

負荷比×機械損失）×100%

計算得到同種航速所需的推進總功率，見圖5。

圖5 同樣航速下所需推進總功率

選取常用的單槳推進和雙槳推進系統與吊艙式CRP推進系統比較，總裝機功率見表1。

表1 總裝機功率比較MW

表1表明，吊艙式CRP方案與其它方案相比的優勢明顯，總裝機功率減少10%以上，計算發動機成本時，單價為210美元／kW。最終比較結果見表2。

表2 裝機功率造成的價格差異

可以看出，建造成本大為降低。另外，總的船舶建造周期縮短也使成本降低。

4．2 營運成本

營運成本包括燃油、滑油、維護、拖輪費用等。具體分析計算需借助選定的航線。選取航線為：鹿特丹——Marsaxlokk——新加坡——香港。在此航線航行的速度主要有24、20、17 kn，3種航速所占用的比例為76%、4%和13%。其余的時間用于加速或減速上。一個航次中的消耗以吊艙式CRP推進系統為參照，結果見表3。

結合總裝機功率的差異，在一個航次里，吊艙式CRP推進比雙槳推進可節省70 500美元，比單槳推進節省44 200美元。

由于POD推進器提供的優越的操縱性能，在港口內無需拖輪輔助，按平均每次需要一個拖輪，每次拖輪費用為5 000美元，年節省成本37．5萬美元。

從獲取的時間效益看，由于其良好的操縱性能，在港口和近海航行節省的時間可用于以較低的速度和功率進行遠海航行。

假定船舶進港或出港不需拖輪比使用拖輪輔助節省1 h，則進出港共節省8 h。

通過蘇伊士運河節省2 h，則一共可以節省10 h。

采用傳統推進方式整個航程（19天）的平均速度為22．15 kn，則現在的航速可定為21．65 kn。如此一來，每年的燃料成本節省75萬美元。

另外，還應該考慮到由于艙室合理布置增加運量引起的收益。若以每個集裝箱運費200美元計，每個航程多運送100個集裝箱，每年12航次，則可增加收益24萬美元。

扣除由于POD模塊使船價大約高2%的因素，以15年運營期計算，與單槳船相比可累計節省成本1 000萬美元以上。需要指出的是，單槳推進僅僅是水動力學中的假設，由于現在沒有建造如此大的螺旋槳的能力，稍渦空泡問題也無法解決，所以，可比方案僅有雙槳推進，經濟性上將有更明顯的優勢。

5 結束語

隨著船舶的大型化發展，柴油機單槳推進已不能滿足推進要求。吊艙式CRP推進系統是最為可行的應用方案。它提供了一種總成本更低的船型，對于廣闊營運市場來說有很大的潛力。新概念的提出需要積累大量的經驗并對一些領域進行深入的研究和實驗，包括水動力性能、全船電網結構布置和建立新的船舶設計建造流程等。總體來說，吊艙式CRP系統對于船東和船廠來說都面臨著相同的使用電力推進系統考驗。吊艙式CRP系統對船東來說，主要工作是把新的系統介紹給船員熟悉并維護操縱，對船廠來說，必須修改現行的設計建造流程并建立起對應于新概念的流程以保證從中獲益。可以預見，吊艙式CRP系統將會對造船市場產生重大影響。

［1］李 斌．對轉螺旋槳在船舶上的應用［J］．世界海運，1994（1）：46-50．

［2］Alf Kare Adnanes．Maritime Electrical Installation And Diesel Electric Propulsion［J］．ABB AS Marine，2003（4）：5-6．

［3］Eckhard Praefke，John Richards．Counter Rotating Propellers Without Complex Shafting For A Fast Monohull Ferry：The 6th International Conference On Fast Sea Transportat．ion，September46．2001：3-5［C］．Shanghai：springer verlag．2000．

［4］Anders Backlund，Jukka Kuuskoski．The Contra Rotating Propeller（CRP）Concept With a Podded Drive：Motor Ship Conference，March28．2000：2-12［C］．Shanghai：springer verlag．2000．

Prospect and utilization of the podded CRP propulsion system

ZHANG Qing-wen
Dept．of Laws and Regulations China Maritime Safety Administration Beijing 100736

The configuration，characteristics and the economics of the podded contra rotating pod（CRP）system are discussed．Calculation of the practical examples shows that the CRPsystem is better in economy with bright future of application than other plans．

pod podded CRP system technical characteristics economy analysis

U661．31

A

1671-7953（2007）02-0057-04

2006-09-08

修回日期2006-09-25

張慶文（1980—），男，碩士。