大型雙艉LNG船舶的雙軸系設計

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(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

大型船舶對推進功率、推進效率、安全可靠性都有更高的要求，雙艉推進成為大型船舶的優選方案。如超大型LNG船(21萬～26萬m3級別)，已有43艘建成船舶采用兩臺6S70ME-C或7S70ME-C主機雙軸推進。

大型船舶采用雙軸推進的優勢明顯[1-2]。

1)滿足大型船舶高服務航速所需的動力要求。例如集裝箱船的設計航速通常在22 kn以上，需要很高的推進功率。采用雙軸系設計能有效解決單一推進裝置無法滿足較大推進功率的限制，并為推進系統設計提供了更多的彈性，以取得最優的螺旋槳轉速、直徑和螺距，從而最大程度地優化螺旋槳效率[3]。

2)優化螺旋槳效率，提高船舶的推進效率和經濟性。大型化船舶的型寬尺寸也會較大，雙螺旋槳的設計有利于獲得比單艉船型更佳的進流狀況，并且在螺旋槳軸和舵與船舶中心線的相對角度布置上有更多的彈性選擇，有利于提高推進效率。船模試驗數據對比表明，大型高功率船舶采用雙艉推進比采用單艉推進往往可以降低5%以上的推進功率[4-5]。

3)提高船舶推進系統的冗余度和航行安全性。雙軸系設計使船舶在單側軸系或動力設備故障時，仍然可以依靠另一側的軸系以一定的航速保持航行，增強了船舶的航行安全性，為特種危險品或大宗高價值貨物的運輸提供了保障。

4)提高大型船舶的操縱性。大型船舶由于體型龐大，慣性也較大，進出港口對低速操控有更高的要求。采用雙軸系設計既可以用單機運行獲得較低的航速，也可以左右機異向操控，提高舵效，從而獲得更為穩定和靈活的低速操縱性，可以有效解決大型船舶操縱性難題。

1 雙軸系設計面臨的難點和挑戰

以一艘采用2臺6S70ME-C低速機推進的大型LNG船舶為例，圍繞大型高功率推進的雙艉船型的軸系設計難點和應對方法展開探討。

1.1 特殊的雙艉線性對軸系拆裝帶來的限制

單艉船舶艉部空間相對較寬松，而且線性及結構一般為規則的豎直分布，軸系拆裝比較容易，見圖1。

圖1 典型單艉結構示意

雙艉船舶艉部空間比單艉窄小很多，且線性和結構呈非豎直的傾斜分布，給需要豎直起吊拆裝的軸系布置帶來了困難，見圖2。

圖2 典型雙艉結構示意

1.2 特殊的雙艉槳內、外非對稱流場對軸系對中設計的挑戰

雙軸推進與單軸推進相比有著本質上的不同：單軸推進船的艉部槳兩側流場基本均勻對稱分布，見圖3。

圖3 典型單艉流場分布示意

而雙軸推進船的艉部流場因雙槳的相互干擾影響，槳內、外側的流場是不對稱的，見圖4，這種不對稱的流場使軸系受力異常復雜，對軸系設計提出了新的挑戰。

圖4 典型雙艉流場分布示意(右舷)

通過該型船的CFD動載荷分析，發現雙艉船型上由于受非對稱流場的影響，軸系上所受到的水平方向彎矩Mz遠遠超出單艉船型，甚至可以達到40%的垂向方向彎矩MY，見圖5。

圖5 螺旋槳負荷坐標系

這種水平與垂向彎矩的交叉疊加使軸系運行時軌跡飄忽不定，給對中設計帶來了很大的挑戰。

2 雙軸系設計方法

針對上述難點，在該型船的雙軸系設計過程中采用船艉部有限元模型變形分析，螺旋槳的水動力學分析，以及多種軸系專業分析軟件的綜合應用手段，通過融入螺旋槳的動載荷模擬分析、船體靜/動態變形模擬分析、艉管軸承潤滑接觸模擬分析等全面的數字化仿真手段，研判軸系運轉動態，完成軸系對中、軸系縱向振動、回旋振動、扭轉振動等分析，形成可以全面覆蓋各種極端惡劣工況下安全推進的雙軸系推進方案。

2.1 雙艉線型、結構與軸系布置相協同

針對雙艉線型特點，總體、結構和輪機等專業設計人員在完成艉部船體設計過程中緊密配合，從各專業角度進行調整，使線型、結構與軸系布置相融洽，使得軸線上方拆裝通道暢通，形成合理方案。

2.2 開展綜合性的對中分析論證

該型船在軸系設計中，需要進行系統全面的軸系對中分析，包括干塢、輕船、壓載和滿載的靜態分析，以及全速直行和大舵角轉彎的動態分析等共12個典型工況分析。在對中設計中通過考慮船體變形，對軸承實船運行的實際位置進行精準定位；通過螺旋槳動態負荷分析，推斷軸系動態運行時將所受的各種載荷及彎矩，對軸線軌跡進行預判；通過艉管軸承潤滑接觸分析，對軸承型線與軸線軌跡的耦合、匹配進行安全評估。通過上述手段的綜合應用，不斷調整優化軸系對中設計，形成與軸系實際運轉相貼合的可靠方案。

2.2.1 軸系對中模型分析

首先在軸系對中模塊中建立軸系和螺旋槳的模型，見圖6，作為所有分析的基礎和主線。

圖6 軸系對中模型

在此基礎上，通過在邊界條件中融入螺旋槳受力計算、船體的變形計算和軸承接觸分析等預報參數，不斷逼近船舶運行時軸系真實的運行狀態，并對各個工況進行分析、比對、校核和調整，以得到優化的對中設計方案。

2.2.2 船體變形模擬分析

建立全船有限元模型見圖7，計算得到船舶在不同吃水和不同裝載工況時船體結構受力變形的數值，從而推斷在不同工況下，各個軸承中心在垂直方向和水平方向可能出現的偏移。

圖7 有限元模型

對大型船舶而言，船體結構變形量的影響比中小型船舶更加明顯。在對中模型中，建立船體變形的邊界條件進而分析軸承位置的偏移是十分必要的，見圖8，也是使軸承定位及型線設計與軸系軌跡線能充分匹配、耦合的重要方面。

圖8 船體變形引起的軸承位置偏移

2.2.3 螺旋槳受力分析

由于雙艉船舶的艉部流場對螺旋槳呈現非對稱的特性，需要通過螺旋槳3D建模，并借助CFD手段進行螺旋槳在該種特定流場下的水動力學分析，通過模擬計算得到在滿載/壓載工況下，船舶在設計航速下直行和左、右35°大舵角轉彎時螺旋槳受力及彎矩情況，見圖9，以便對軸系實際受力狀況和可能的軌跡線進行預判。

由艉部流場模擬圖(見圖10)和螺旋槳受力分析發現：該船在以設計航速向左、右進行大角度轉彎時，雙槳內、外側的進流流速差異極大，導致外側螺旋槳受到的水平彎矩變化很大，該水平與垂向彎矩疊加將使軸系的運行軌跡非常難以確定，并使前軸承有上端受力的傾向，是軸系運行中最危險的工況，也是對中設計中最棘手的問題。

圖9 螺旋槳水動力負荷示意

圖10 雙艉船大角度轉彎時艉部流場模擬

2.2.4 艉管軸承接觸模擬分析

艉管軸承接觸模擬分析的主要作用是通過CFD手段對軸承型線在軸系動態運行的軌跡狀況下進行艉管軸承壓力及間隙分布的模擬分析，從而對軸承最小間隙進行預報，以評估軸承型線與軸系動態運行時的耦合匹配性，以確保船舶在最為惡劣的工況下，艉管軸承仍然能夠建立理想的潤滑油膜，防止干運轉。

在完成各個子模塊的分析后，再將每個分析結果輸入到軸系對中軟件中，確定最終的對中方案,見圖11。

圖11 軸系對中示意

3 解決方案

經過對艉管軸承模型的反復調整再計算過程，最終確定以采取特殊的艉管軸承雙斜坡設計應對水平彎矩與垂向彎矩復合影響產生的對中難題。具有如下優點。

該雙斜坡的艉管軸承能夠有效滿足各個工況的負荷要求。艉管軸承的第一道斜坡主要是解決船舶在設計航速直行時軸系負荷的優化分配；而第二道斜坡則是針對軸系在最為惡劣工況下運轉情況設計的，經過反復思考、計算論證，最終舍棄向下單一方向斜坡的傳統設計，而是采用了特殊的圓錐形設計，見圖12。

圖12 艉管后軸承的雙斜坡設計

這樣可實現對軸系在動態運行時軸承型線與軸系各種可能的軌跡線更佳的匹配、耦合，避免極端工況下因油膜間隙過小產生干運轉而引起的軸系高溫及損壞，保證船舶全天候可靠運行。

4 結束語

當前，大型船舶的雙軸系設計在國內較少應用，但隨著船舶大型化的發展趨勢，雙軸系設計將會得到更多的應用。雙軸系設計需要重點克服船舶航行時槳內、外側非對稱流場引起的附加水平彎矩的難題。在軸系設計中，綜合采用各種CFD技術，對動態工況進行預報，使軸承型線設計更加貼合軸系運行的軌跡線，進而獲得大型高功率船舶安全航行的優化設計，是解決設計難題的有效方法。

[1] 朱永凱，時光志，汪偉奎，等.國內3萬m3LNG運輸船開發研究[J].船海工程，2014，43(2)：71-73.

[2] 夏華波，楊學利，朱永凱，等.3萬m3LNG船結構設計[J〗.船海工程，2014，43(4)：9-14.

[3] 李 源.大型LNG船設計演變軌跡[J]. 中國船檢，2012(5)：58-62.

[4] 宋吉衛，陳紅梅.大型液化氣船線性設計若干問題研究[J].上海造船，2011(4)：1-3.

[5] 段 斌，鄧 愷，宋 煒，等.大型集裝箱船能效設計指數計算與優化研究[J]. 上海造船，2012(3)：22-30.