吊艙式推進器在自航自升式風電安裝船上的適用性研究

楊偉民,　黃　劍,　胡清偉

(1.上海市航務管理處,上海 200080;2.南通中遠船務,江蘇 南通 226001)

0　引　言

自航自升式風電安裝船是近期市場上的熱點船型，為確保在風場作業時的安全性和機動性，自航自升式風電安裝船通常通過安裝全回轉推進器及在艏部配置側推來保證動力定位能力，以確保作業安全。船尾安裝的全回轉推進器多采用Z型機械式全回轉推進器，而目前廣泛應用于客船、豪華游船及科考船等項目的全電力回轉吊艙式推進器在自航自升式風電安裝船上則很少使用。

吊艙式全電力回轉推進器是由電動力驅動固定在水下船體之外、吊艙之內的螺旋槳，吊艙可在0°～360°內水平轉動，自由地向任何方向推進。吊艙式全電力回轉推進器集推進和轉舵功能于一體，對吊艙式全電力回轉推進器與常規Z型機械式全回轉推進器的性能進行分析,并做全方面對比。

1　全回轉推進器的結構

1.1　Z型機械式全回轉推進器

Z型機械式全回轉推進器的推進電機位于機艙內，通過傳統軸系驅動位于舷外的機械全回轉螺旋槳(見圖1)。

a) 結構模型圖

b) 實物模型圖

該種全回轉推進器有動力傳遞路線長、震動大、噪聲大、同時占有室內空間大及需更多的現場安裝等缺點，維修也比較困難。

1.2　吊艙式全電力回轉推進器

吊艙式全電力回轉推進器的推進電機與全回轉推進器均位于水下并為一體式結構，電機直接驅動轉子上的螺旋槳(見圖2)。

圖2　吊艙式全電力回轉推進器

該全回轉推進器可節省室內空間，同時具有優良控制性能。使船舶的前進、倒車、停車及回轉等控制性能得到明顯提高，且該推進器可整體進行安裝，維修時可整體吊出，安裝及維修時比較方便。

2　吊艙式全電力回轉推進器的優點

2.1　經濟性

作為一種全電力回轉推進器，吊艙式推進系統在具備常規電力推進系統經濟性的基礎上，進一步提高了船舶的經濟性，不同推進方式的推進效率對比見圖3。

吊艙全電力回轉推進器相對于其它推進方式能提高3%～15%的推進效率，在提供同樣推力的情況下，裝機功率可比機械推進裝置減少10%～20%，能節約燃油消耗約10%，其經濟性具體由以下幾個因素產生。

圖3　不同推進方式的推進效率對比

2.1.1無中間傳動，提高傳動效率

吊艙式全電力回轉推進器的螺旋槳直接附在推進電機的轉子軸上，無任何中間傳動損失。而Z型機械式全回轉推進器在2對傘形齒輪及8～10個軸承上存在約3%～6%的傳遞損失。兩種推進器的傳動示意圖見圖4。

a) 吊艙式全電力回轉推進器的傳動示意圖

b) Z型機械式全回轉推進器傳的傳動示意圖

2.1.2節約輔助設備能源消耗

采用吊艙式全電力回轉推進器的船舶不需再配備齒輪箱、中間軸承及艉管軸承等設備，內部也無傘形齒輪等傳動機構，相應節約這些設備潤滑及冷卻所需的能源。

吊艙式全電力回轉推進器的推進電機大部分由周圍的海水直接冷卻，少量熱量需通過空水冷卻系統進行冷卻；而Z型機械式全回轉推進器的電機位于機艙內，電機需全部進行額外通風及冷卻。

2.1.3高效永磁電機

吊艙式全電力回轉推進系統選用高效永磁電機，將定距螺旋槳安裝在電機的輸出軸上。采用永磁電機技術可以減小吊艙的外形尺寸，提供流體動力效率。此外推進電機采用海水包圍冷卻，冷卻效果好。采用高效永磁電機可降低2%～10%的電氣損耗，在動力定位模式下效率最高可有7%的提高(見圖5)。

圖5　動力定位模式下電機效率對比

2.1.4提高船體效率

吊艙式全電力回轉推進系統的艉部采用平緩的流線型，可降低船體阻力，提高了10%的船體效率。此外，采用拉式槳設計的吊艙能產生非常均勻的伴流區，可提高螺旋槳流體動力效率并減少空泡現象。

2.2　操縱性

吊艙式全電力回轉推進系統擁有良好的回轉性能，轉舵速度可達12°/s，也可采用直接反轉螺旋槳來迅速改變推力方向，特別是在動力定位時，動力響應速度更加迅速。Z型機械式全回轉推進器因傘型齒輪進行傳動的原因，反轉扭矩受限，進行180°轉舵回轉時一般需停轉螺旋槳，需20 s以上的時間改變推力的方向。

2.3　舒適性

相對Z型機械式全回轉推進系統，裝有吊艙全電力回轉推進系統的振動噪聲將大幅降低，具體體現在以下幾個方面：

1) 采用吊艙式全電力回轉推進器的船舶,由于省去了軸系推進系統中的傳動軸系和齒輪箱，或Z型機械式全回轉推進器的傘形齒輪，消除了螺旋槳與船體之間的剛性連接，螺旋槳不會通過傳動軸系對船體產生振動沖擊。由于沒有中間傳動，中間傳動本身產生的振動噪聲得以大幅改善。

2) 軸系或Z型機械式全回轉推進器一般采用推式槳，來流流場受艉部構件影響產生紊流，吊艙式全電力回轉推進器采用拉式槳，其螺旋槳盤面正對水流，能獲得均勻的流場，可有效降低螺旋槳的激振力(見圖6)。

a) 軸系推進伴流

b) 吊艙推進伴流

從近期交船的某科學考察船可知，全速航行時噪聲指標達到規范要求的船員臥室噪聲舒適度最高等級的房間(低于52dB)占全船臥室的75%；達到客船乘客高級艙室噪聲舒適度最高等級的房間(低于45dB)占全船臥室的25%，部分高級船員的臥室噪聲指標僅為41dB，全面提升船員生活及工作的舒適度。

2.4　環保性

2.4.1大氣環境

吊艙式全電力回轉推進系統比Z型機械式全電力回轉推進系統的燃油消耗可減少10%，可減少大量廢氣的排放，降低環境污染和減緩“溫室效應”。

2.4.2海洋環境

滑油泄漏是導致船舶海洋污泥的重要因素之一，Z型機械式全回轉推進系統需約3 t，用于潤滑該推進系統中的齒輪和轉舵機構。

軸系艉管及Z型機械式全回轉推進器的密封如果發生泄漏，內部的大量滑油會直接泄漏到海水中造成海洋污染。

吊艙式全電力回轉推進器僅推力軸承需約60 L的潤滑油，且采用密閉油殼自潤滑方式，完全與海水隔離，避免推進系統常見的軸系艉管滑油泄漏或機械全回轉滑油泄漏問題，防止對日益惡化的海洋環境造成污染。吊艙式全電力回轉推進系統可減少99%的滑油消耗。

2.5　可靠性

相對于Z型機械式全回轉推進器功率傳動的2對齒輪及8～10個軸承，吊艙式全電力回轉推進器的傳動運動中沒有齒輪，只有3個軸承，其可靠性大幅提高。吊艙推進系統設計簡單，目前統計的平均安全運行可靠性高于99.8%，運行時間已突破7×106h。

2.6　維護保養簡單

吊艙式全電力回轉推進系統組成設備少,維護保養簡單。某吊艙式全電力回轉推進器連續運行9 a后首次保養的狀態見圖7。

圖7　全電力吊艙推進器首次保養現場

3　綜合對比

根據上述介紹和分析，對吊艙式全電力回轉推進器與Z型機械式全回轉推進器各項基礎數據進行匯總見表1。

表1　吊艙式全電力回轉推進器與Z型機械式全回轉推進器綜合對比

4　吊艙式全電力回轉推進器在自航自升式風電安裝船上的適用性

自1991年丹麥建成全球首個海上風電場起至2016年底，全球海上風電總裝機容量達14 384 MW。由于海上風電場安裝和維護環境相對于陸上更為復雜，要求風電安裝船不但要具備一定的自航能力，還要具備靈活的操縱性能以面對復雜風場作業情況，可進行動力定位的高性能自航自升式風電安裝船成為市場的熱點需求。能提供高效推進的吊艙式全動回轉推進器，可為風電安裝船盡快部署至施工區域提供強大的推力;同時,低航速或接近零航速狀態下穩定扭矩的輸出為自升式平臺的插樁提供穩定可靠的DP定位能力。吊艙式全電力回轉推進器自身結構的緊湊性及較少輔助設備的依賴性,可在整船的布置上釋放更多的空間。吊艙式全電力回轉推進器在整機重量上的優勢,也為平臺提供更多的甲板有效載荷。這些優點都將為吊艙式全電力回轉推進器在自航自升式風電安裝船上的應用贏得優勢。

5　結　語

隨著吊艙式全電力回轉推進器技術不斷完善，環保要求不斷提高，目前,已有超過400臺吊艙式全電力回轉推進器在海上運行。從運行船舶反饋的情況可知，其在經濟型、操縱性、環保型及舒適性等性能方面都有突出表現。

吊艙式全電力回轉推進器擁有良好的操縱性能，可提高風電安裝船在風場作業時的安全性，同時還具備震動噪音小、安全性高、維護周期長及經濟性高等諸多優點。考慮到風電船空間小及需帶有動力定位系統等特點，安裝吊艙式全電力回轉推進器,將成為新一代自航自升式風電安裝船的最佳選擇。