中國首批大型LNG船振動問題及解決方案研究

朱哲仁，袁紅良

（1. 中國液化天然氣運輸（控股）有限公司，香港特別行政區 999077）2. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

中國首批大型LNG船振動問題及解決方案研究

朱哲仁1，袁紅良2

（1. 中國液化天然氣運輸（控股）有限公司，香港特別行政區 999077）2. 滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

闡述我國首批大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船（1.47×105m3）艉部局部振動問題產生的原因及解決方案。通過在船體機艙線型區域加裝渦流發生器等附加裝置，改善流經螺旋槳的流場并降低螺旋槳激振力，從而大幅度改善艉部的局部振動。對于新造船的振動問題，選擇正確的研究方案是成功解決問題的第一步，但受時間、成本等客觀條件的限制，在研究技術方案時可供選擇的手段往往不多，采用水下攝像觀測、傳感器信息采集和計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬分析等技術手段可大幅提高方案制訂的效率和準確性。通過剖析 LNG船安裝、優化渦流發生器解決振動問題的案例，為相關問題及其解決方案的研究提供可借鑒的方法和經驗。

大型液化天然氣船；振動；計算流體力學分析；渦流發生器

0 引 言

據了解，采用傳統蒸汽輪機推進的大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船均不同程度地會經歷振動的產生并解決此問題的過程。受限于不同時期的技術手段，各有關船廠及船東在處理該問題時采用的方法和手段有所不同，達到的最終效果也存在一定差異。

由我國船廠建造的首批大型LNG船共6艘，采用4葉單槳、雙燃料主鍋爐+蒸汽輪機的推進系統，采用4個貨艙、貫通主甲板、下沉式艉部帶纜甲板及分體式橋樓機艙棚等典型的薄膜型LNG船布局設計。在新造船項目的船舶設計階段，采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法預測流場和振動的技術尚不成熟，水池試驗仍是船廠和船東驗證艉部流場狀況的主要手段。

首批LNG船水池試驗的結果顯示，在船舶高速區段（對應最大持續功率MCR的轉速）出現明顯的不平衡流場和低壓空泡區。分析結果表明，一階振頻、二階振頻和三階振頻不同程度地在艉部及機艙棚區域產生響應，蒸汽輪機主冷卻器排出的冷卻水也一定程度地加劇艉部流場的不均勻性和不穩定性，從而使振動更甚。借鑒國際上主要LNG船建造廠的經驗，有觀點認為大型單機單槳LNG船因有特定的船體線型、特定的船速（19.5kn）和特定的推進系統（蒸汽機系統冷卻水量較大）等因素存在，振動問題幾乎不可避免，只是振動程度有所不同。

根據ISO 6954（1984）標準，船舶生活區128Hz頻率內的最大振幅應<4mm/s，對于機械處所和甲板區域，若振幅>9mm/s，則可認定為不可接受。盡管該首制船安裝有船舶設計方推薦的渦流發生器（Vortex Generator，VG），但海試結果表明，艉部舵機間、艉部帶纜甲板及直升機平臺等區域的振動依然偏大。振動現象出現在主機MCR對應的最大設計轉速附近，連續建造的1~5號船的情況基本上一致。由于振動問題僅發生在螺旋槳最高轉速區段，船舶日常營運過程中基本上可避開該轉速，因此相關問題并沒有影響船舶的正常營運。

1 首制船減振方案及效果評估

1.1 方案研究及選擇

船廠、船東和船舶設計方研究出各種可供選擇的減振方案，包括：優化船體線型；改變船體結構和選擇合適的螺旋槳葉數避免發生共振；安裝船體附加裝置改善艉部流場；改變主冷凝器吸排水口的位置，使其影響降到最小；安裝船體脈沖削減裝置（Anti-PHV）減小激振力；安裝被動振動平衡裝置等。經過分析，最終選擇安裝船體附加裝置VG（見圖1），并在此基礎上加裝Anti-PHV（見圖2）。安裝VG的目標是改善艉部流場、減小激振力，從而達到改善振動的目的，是主要的減振手段；安裝Anti-PHV可提高螺旋槳上部船體的強度，并有助于將一個大的脈沖“粉碎”成多個小的脈沖，可部分“化解”激振力，但其作用有限，本文不展開討論。

船舶設計方給出安裝VG和不安裝VG的CFD計算預測。預測結果表明，安裝VG后振動有所減小。以1倍葉頻（5.5Hz）垂向振動為例，安裝VG后艉部帶纜甲板的振幅從24mm/s降低到12.4mm/s，舵機間的振幅從9.6mm/s降低到7.6mm/s。2倍葉頻振動不同區域的情況也有不同程度的改善。簡言之，該CFD計算預測給出安裝VG可改善艉部流場、減小振動的結論。

1.2 首次安裝VG效果評估

首制船在出塢前安裝VG，實船測試結果并不理想，有關各方對CFD計算預測的準確性及VG方案的有效性產生懷疑。經研究決定，2號船出塢前不安裝 VG，并將其船海試振動測量結果與首制船相比較，以確定VG的有效性。對比結果顯示，以艉部帶纜甲板和舵機間2個測量點為例，首制船和2號船1倍葉頻振幅分別為19.6mm/s與17.9mm/s，9.6mm/s與9.7mm/s，2船的振動數據沒有本質差別。

從前2艘船安裝VG和不安裝VG的振動測量結果中可得出以下結論：

1) 姊妹船振動模型的相似度很高，振動形式差異不大；

2) 振動偏高的情況僅出現在MCR對應的高轉速區，且僅發生在艉部的舵機間、帶纜平臺和直升機平臺上下一線，振動問題對船舶營運的影響基本上可控；

3) 首制船安裝VG改善艉部振動的效果不理想，但安裝VG后全船的總體振動有所改善，在沒有更好的方案之前各船繼續采用該方案。

2 方案的再研究及應用實效

2.1 6號船振動問題解決方案研究

前5艘LNG船為連續建造的姊妹船，交船時間間隔較短，沒有足夠的時間窗口來研究、制訂行之有效的解決方案，振動問題成為其建造上的一個缺憾。6號船的建造為該系列船振動問題的解決提供了契機，其與前5艘船之間較長的交船間隔期為該問題的解決提供了可能，且已投入運營的各船為該問題的解決提供了較為直觀的研究平臺。為徹底解決振動問題，指定英國勞氏船級社下屬的ODS公司參與系列LNG船振動問題解決方案的研究，初步確定的研究方向包括改善艉部流場、優化螺旋槳和修改船體線型。

1) 改善艉部流場。

不改變船體線型，以改善艉部流場為目的，包括改善VG的安裝位置及形狀、改變主冷凝器冷卻水排水口位置和加噴壓縮空氣等。

2) 優化螺旋槳。

研究結果表明，艉部結構在螺旋槳轉速為79 r/m in（設計最高轉速為83 r/m in）時產生共振，如采用5葉槳，共振區域將移到60 r/min附近，預計可使高速區段的振動有所改善，但要考慮新的共振頻率下振動模式的不確定性。此外，系列船更換螺旋槳成本較高也是需要考慮的因素之一。

3) 修改船體線型。

從設計新線型、水池試驗到最終確定線型，修改設計的工作量大，在6號船上推進的時間也非常緊迫。此外，即使改變線型會取得滿意效果，也僅是6號船的成功，解決不了包括前5艘船在內的系列LNG船的振動問題，故不作為主要研究方向。

綜合考慮各方面因素，選擇改善艉部流場的研究方向并將關注點集中到優化VG和更深入地進行CFD分析預測上。

2.2 實船水下測量

在確定研究方向之后，相關工作相繼展開，主要包括：

1) 考慮6號船取消直升機平臺的情況，對船體進行建模，做有限元振動預測分析（FEA）；

2) 在運營船上進行詳細的振動測量，驗證有限元分析結果和建模的準確性；

3) 在螺旋槳上方的船體上安裝壓力傳感器，采集并記錄艉部流場脈沖壓力數據，安裝水下鏡頭對螺旋槳區域的空泡情況進行觀測和攝像，確定激振力產生的直接原因，掌握第一手數據；4) 利用CFD手段對不同的VG方案進行對比測算，遴選出最佳的VG設計方案；5) 進行水池試驗并最終確定解決方案。

實船測試時發現，存在2個與葉頻一致的強脈沖持續作用在船體上，說明螺旋槳產生較大的激振脈沖（見圖3）。與此同步的水下空泡攝像也證實了螺旋槳葉面和端部出現空泡及空泡爆裂對船體帶來的強烈沖擊。FEA預測結果顯示，船體結構振動響應的范圍較大，很多局部結構是3倍或4倍葉頻共振，全面改變船體結構是不切實際的，而更換螺旋槳方案的結果存在不確定性，同時也堅定6號船解決振動問題的技術方案傾向于改善流場、減少空泡及降低激振強度，以有效降低諧振振幅。

2.3 方案對比及選擇

綜合分析實船測試及其他方面的研究結果，確定利用 CFD模擬分析在不同形狀、位置和角度下改善流場的效果，對比選擇最佳方案。

利用CFD模擬分析的結果顯示，不同位置、不同角度的VG對艉部流場的影響大不相同。ODS公司從9個方案中篩選出的推薦方案為：采用原VG外形尺度設計，將原安裝在左側船體主冷凝器排水口前的VG移至船體后下方某位置。CFD模擬VG處于2個不同位置時的艉部流場（見圖4和圖5）。

方案編號 比例 螺旋槳 渦流發生器冷卻水出口渦流發生器設計方案方案編號 比例 螺旋槳 渦流發生器冷卻水出口渦流發生器設計方案23 實船 是 是 是 原始設計方案 24 實船 是 是 是 推薦方案

采用CFD模擬計算的結果顯示，采用新VG方案后螺旋槳空泡大幅減少，空泡產生的船體脈沖壓力峰谷差大幅降低（見圖6和圖7）。水池試驗進一步驗證了新VG方案對改善艉部流場的效果。最終確定新VG方案為6號船振動問題的解決方案。

2.4 方案應用實效及推廣

6號船的海試取得圓滿成功，振動測量報告顯示，在MCR工況下，振動最大的艉部帶纜甲板振動測量點上的振幅峰值降低到4.3mm/s，全船其他振動測量點上的振幅峰值較前5艘船也普遍大幅度降低，乘員舒適度大幅提高，新方案取得滿意效果。6號船典型位置的海試振動測量數據見表1。

表1 6號船典型位置的海試振動測量數據

在6號船上取得滿意的效果后，船東與船廠和船級社商討決定：在1~5號船上推廣實施6號船的振動問題解決方案。以最先進塢修改的3號船為例，在按新方案制作、定位和安裝VG之后，船東邀請專業機構在試航條件下按照試航大綱重新進行振動測量。測量結果顯示，新方案實施后3號船的振動大幅度減小，與6號船交船前海試的振動數據十分接近，新方案在其他姊妹船上也取得了成功。3號船安裝新VG前后振動測量數據對比見表2。

表2 3號船安裝新VG前后振動測量數據對比

與預期相同，該方案在6號船的姊妹船中具有普遍的適用性，各船取得的效果一致，系列LNG船振動問題得到圓滿解決。各船換裝新VG都是在例行塢修時進行的，未對船舶營運造成任何影響。此外，作為塢修項目之一，實施該方案的工作量小、費用低，經濟效益突出。

3 結 語

在首次建造大型LNG船時，振動問題是需解決的技術難題之一，受技術條件限制，國際上不同LNG船建造廠采用的解決方法各有不同，效果也各異，我國首批大型LNG船在解決該問題上走出了一條經濟性好、效果佳的新路。

隨著CFD建模計算技術日臻成熟，CFD建模計算已成為船舶流場預測計算的一個可靠手段，可大幅提高水池試驗的效率和準確性。首批傳統大型LNG船振動問題的解決得益于CFD建模計算方法的成功運用，相信CFD方法會在新船型開發領域發揮越來越大的作用，應用前景也會越來越廣闊。

水池試驗及實船油耗試驗結果均證明，新VG的使用在解決系列LNG船振動問題的同時，也使船舶螺旋槳的推進效率有所提高，相應地降低了船舶油耗。在該案例中，安裝VG在解決振動問題的同時，也起到了船舶節能降耗的作用。根據船槳配合情況，設計合適的VG可有效提高船舶螺旋槳的效率、降低油耗，該領域值得持續關注和深入研究。

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Study on the Vibration and Solutions of China￠s First Series of LNG Carriers

ZHU Zhe-ren1，YUAN Hong-liang2
（1. China LNG Shipping (Holdings) Ltd, Hong Kong SAR. 999077, China；
2. Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

This paper elaborates the reason behind the local vibration of stern and its solutions for China’s first series of large Liquefied Natural Gas (LNG) carriers (1.47×105m3). Hull appendages (such as the vortex generator) around the engine region are installed to improve the flow passing the propeller and to reduce the propeller exciting forces. Thus, the local vibration at stern is significantly reduced. To solve the vibration problem of new buildings, selection of a correct research plan is the first step, but there are not many options available due to the limitations of time, cost and other conditions. However, the efficiency and correctness of the plan can be effectively improved w ith underwater imagery, sensor information collection and the simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD). The analysis on the vibration solution for installing and optim izing the vortex generators on LNG carriers would provide references and experience for the solutions of the similar problem.

large LNG carrier; vibration; CFD analysis; vortex generator

U661.44；U674.133.3

A

2095-4069 (2017) 03-0040-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.009

2016-04-15

朱哲仁，男，輪機長，1967年生。現從事液化天然氣（LNG）運輸船項目開發相關工作。