某平臺(tái)供應(yīng)船CPP舵槳裝置應(yīng)用

摘? ? 要：CPP舵槳是一種新型的可調(diào)螺距螺旋槳的Z型傳動(dòng)裝置，螺旋槳的推力方向可在水平面內(nèi)任意改變，且可實(shí)現(xiàn)其推力大小與其方向合理配合，改進(jìn)了船舶傳統(tǒng)推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)形式，大幅提升了船舶的操縱性和靈活性，適用性強(qiáng)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣。文章以某57m海上平臺(tái)供應(yīng)船的軸系布置與設(shè)計(jì)為例，闡述CPP全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能，以及其在海上平臺(tái)的應(yīng)用，并根據(jù)船舶布置要求對(duì)軸系布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足了海上平臺(tái)供應(yīng)船對(duì)機(jī)動(dòng)性及操縱性的要求。

關(guān)鍵詞：海上平臺(tái)供應(yīng)船；CPP全回轉(zhuǎn)舵槳；軸系設(shè)計(jì)與布置

中圖分類號(hào)：U664? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

CPP Rudder Propeller Device Arrangement of a Platform Supply Vessel

LV Haiyan

（ Guangzhou Shunhai Shipyards Co.， Ltd.，? Guangzhou 511440 ）

Abstract： CPP Azimuth rudder propeller is a new Z-type transmission device with controllable pitch propeller （CPP）. All thrust of CPP propeller can act in any direction， so as to obtain the best match of propulsion direction and thrust， thus completely changing the traditional ship propulsion mode， greatly improving the maneuverability and mobility of ships， and having stronger applicability and better market. This article presents the shafting layout and design of a 57 m offshore platform supply ship ， and structural? characteristics & performance of its CPP Azimuth rudder propeller propulsion as well as its application in offshore platforms， and optimizes the shafting layout according to the ships requirements， which is satisfied with the requirements of maneuverability and manipulation of this type of ships.

Key words： offshore platform supply ship;? CPP azimuth rudder propeller;? shafting design and layout

1? ? ?前言

海上平臺(tái)供應(yīng)船通常用于海上石油平臺(tái)服務(wù)，其往往具有物資供應(yīng)、海上救助和巡邏、拖帶、對(duì)其它船進(jìn)行消防滅火、運(yùn)送人員等功能。其中供應(yīng)物資主要包括常規(guī)燃油、鉆井水、淡水及水泥、重油、易燃易爆的LNG等。船舶的傳統(tǒng)推進(jìn)方式是主機(jī)通過高彈聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、中間軸和尾軸驅(qū)動(dòng)螺旋槳，并通過齒輪箱離合器的正、倒車換向，實(shí)現(xiàn)船舶前進(jìn)或后退功能，并在螺旋槳后方配置獨(dú)立的舵葉，以控制船舶航向。傳統(tǒng)推進(jìn)方式操縱性較差，而CPP舵槳推進(jìn)裝置具有較好的操縱性和推進(jìn)效率，在振動(dòng)、噪音及空泡等方面也表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，特別適合海上平臺(tái)供應(yīng)船。

2? ? 平臺(tái)供應(yīng)船概況

某57 m海上平臺(tái)供應(yīng)船， 主要為中東地區(qū)海洋平臺(tái)供應(yīng)燃油、淡水、救生、對(duì)其它船消防滅火、吊裝等功能的船舶，同時(shí)具有DP2船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)。全船為鋼質(zhì)、雙柴油機(jī)雙CPP舵槳、首部布置2個(gè)首側(cè)推。 機(jī)艙位于船舯，舵槳艙位于船艉，艏側(cè)推艙位于船艏。

該船滿足《BV鋼質(zhì)船舶入級(jí)規(guī)范》要求，其船級(jí)符號(hào)為： I+Hull+Mach，Offshore Supply Vessel + DP AM/AT R， In Water Survey，F(xiàn)FSⅠ-water spraying。

主要技術(shù)參數(shù)為總長(zhǎng)57 m、型寬14.0 m、型深5.0 m、吃水3.8 m、設(shè)計(jì)航速12 kn、配員50人。

該船設(shè)主機(jī)2 臺(tái)，額定功率1566 kW 、額定轉(zhuǎn)速 1600 r/min；2套CPP全回轉(zhuǎn)舵槳及3臺(tái)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組。兩臺(tái)主機(jī)分別布置在機(jī)艙尾部左右舷，主機(jī)組曲軸中心線距船舯3.5 m。主機(jī)通過高彈連接齒輪箱，齒輪箱帶離合器，齒輪箱輸出軸通過中間軸帶動(dòng)舵槳裝置工作。在中間軸上設(shè)有萬向聯(lián)軸器以減少對(duì)中誤差。另外，每臺(tái)主機(jī)通過齒輪箱的PTO軸帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)為首側(cè)推提供動(dòng)能。主機(jī)調(diào)速、離合、舵槳回轉(zhuǎn)等通過位于駕駛室的遙控操縱臺(tái)進(jìn)行操縱。

3? ? CPP舵槳工作原理與構(gòu)成

3.1? ?CPP舵槳推進(jìn)裝置工作原理

CPP全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)裝置的軸線布置成Z型，推進(jìn)主機(jī)通過高彈性聯(lián)軸節(jié)、離合器、萬向軸1、中間軸、萬向軸2，萬向軸2，將主機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳遞給舵裝裝置上部直角齒輪的豎軸，豎軸再將輸出功率傳遞至下部直角齒輪的橫軸，橫軸再傳遞給可調(diào)螺旋槳。此推進(jìn)裝置同時(shí)具有船舶推進(jìn)和船舶轉(zhuǎn)向操控功能，螺旋槳可以圍繞舵槳裝置的豎軸作360°轉(zhuǎn)動(dòng)。通過遙控系統(tǒng)使螺旋槳的螺距發(fā)生變化來控制其推力；通過電液控制系統(tǒng)操縱下部直角齒輪，使其在水平面內(nèi)360°無限旋轉(zhuǎn)，讓螺旋槳所產(chǎn)生的推力能夠作用于所需方向。通過控制程序同時(shí)操縱變螺距和推力方向，可實(shí)現(xiàn)其合理配合。

3.2? ?CPP舵槳推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)

舵槳裝置主要由：補(bǔ)償油箱、液壓油箱、液壓冷卻器、兩臺(tái)液壓馬達(dá)、兩臺(tái)行星齒輪箱、舵角反饋器、螺距反饋器、上下齒輪箱、導(dǎo)流管、調(diào)距螺旋槳及中部井箱等組合一體，見圖1。

舵槳裝置采用井箱式焊接安裝方式，自下往上吊入到船體圍井基座內(nèi)。舵槳裝置的井箱法蘭與船體的圍井基座采用焊接方式連接，井箱上焊有加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋外側(cè)與圍井基座的內(nèi)側(cè)焊接連接。該安裝方式具有船體開孔較小，與船體連接的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，抗振能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。

井箱加強(qiáng)筋（留有余量的）的底部根據(jù)船體線型切割，然后封上井箱底板（焊接或螺釘安裝，根據(jù)船體線型確定）。為了保證井箱內(nèi)的潤(rùn)滑油在水流中循環(huán)交換散熱，舵槳底板與船體底板之間必須開有足夠的間隙（約10 mm），便于海水流動(dòng)冷卻。

舵槳井箱上設(shè)有通氣接口，舵槳裝船后需要接管至船體主甲板上通氣并安裝透氣閥，用于井座內(nèi)的氣體流通。上齒輪箱含一對(duì)直角螺旋錐齒輪，用于動(dòng)力傳動(dòng)；在驅(qū)動(dòng)軸上，設(shè)一止動(dòng)裝置，避免舵槳非正常反轉(zhuǎn)。在上齒輪箱的下方裝有一個(gè)錐形箱體， 錐形箱體與井箱合成一體安裝在船體上，支撐整套舵槳裝置，箱體內(nèi)包括轉(zhuǎn)舵套管和轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)。在轉(zhuǎn)舵套管內(nèi)設(shè)有動(dòng)力傳動(dòng)軸，用于連接上、下兩對(duì)齒輪。轉(zhuǎn)舵結(jié)構(gòu)內(nèi)部裝有直齒輪副，兩個(gè)液壓操舵馬達(dá)通過行星減速齒輪和主動(dòng)小齒輪將轉(zhuǎn)舵扭矩傳給主操舵齒輪。下齒輪箱外形為流線型，可減小水中的阻力。下齒輪箱安裝在轉(zhuǎn)舵管的末端下方，且包含一套直角螺旋錐齒輪，用以驅(qū)動(dòng)槳軸。槳軸由多層水封和油封密封，與其軸套相配合。下齒輪箱與槳轂間有一環(huán)形防護(hù)槽，用于保護(hù)密封層，防止外部異物的侵入和網(wǎng)繩的堵塞。下齒輪箱和導(dǎo)管上設(shè)陽(yáng)極鋅塊以減緩舵槳腐蝕。

螺旋槳由調(diào)距槳槳轂組件和四片槳葉組成。槳轂采用銅合金（ZCuAl8Mn13Fe3Ni2，GJB3341-1998）材料，槳葉采用鎳鋁青銅材料 （材料牌號(hào)Cu3）。調(diào)距槳槳轂中裝有轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉的四個(gè)曲柄盤、滑塊和一軸向移動(dòng)的活塞桿。該型調(diào)距槳槳轂設(shè)有后置油缸，當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸內(nèi)前或后腔時(shí)，推動(dòng)活塞桿軸向移動(dòng)，通過曲柄銷和滑塊將活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成槳葉回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使槳葉的螺距角發(fā)生變化。槳葉下設(shè)有密封圈，有效地防止海水進(jìn)入槳轂內(nèi)。該型調(diào)距槳槳轂具有零件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)；其導(dǎo)架與活塞相連，伺服活塞直徑比較大，降低了工作油壓，安全可靠性更高；槳葉密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，槳轂潤(rùn)滑來自舵槳內(nèi)的潤(rùn)滑油，將海水污染的可能性降到最低；當(dāng)船舶電力或電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，液壓鎖止閥可使螺旋槳槳葉仍然保持在原來螺距上或通過手搖泵改變螺距后保持不變。

舵槳內(nèi)的螺旋錐齒輪用高強(qiáng)度合金鋼（18 CrNiMo 7-6）制造，經(jīng)硬化處理并刮削精加工而成，精度達(dá)6級(jí)。螺旋槳軸和其它傳動(dòng)部件為高強(qiáng)度合金鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后制成。

3.3? ?潤(rùn)滑系統(tǒng)

舵槳采用“上齒輪箱淋浴潤(rùn)滑、下齒輪箱油浴潤(rùn)滑”、上下循環(huán)潤(rùn)滑相組合的潤(rùn)滑方式，該系統(tǒng)的補(bǔ)償油箱位于上齒輪箱上方，井箱箱體作為主要的循環(huán)油箱。舵槳靜止時(shí)，上齒輪箱是完全充滿潤(rùn)滑油的，油面位于潤(rùn)滑油液位觀察窗的上邊界。舵槳運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，潤(rùn)滑油部分被循環(huán)至補(bǔ)償油箱，上齒輪箱液位下降至一定高度，進(jìn)行淋浴潤(rùn)滑，減少高速旋轉(zhuǎn)時(shí)攪油引起的發(fā)熱。下齒輪浸泡在潤(rùn)滑油中。潤(rùn)滑油通過浸入水中的下齒輪箱以及井箱殼板由海水冷卻散熱，裝在轉(zhuǎn)舵管內(nèi)中間立軸上的壓油螺桿對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行上下循環(huán)，提高冷卻效果。

潤(rùn)滑系統(tǒng)主要部件：電動(dòng)潤(rùn)滑油泵2.2 kW 、轉(zhuǎn)速 1780 r/min，用于高溫時(shí)加強(qiáng)潤(rùn)滑油循環(huán)運(yùn)行冷卻；溫度傳感器，設(shè)定值：80 ℃，用于潤(rùn)滑油高溫報(bào)警；油位指示器，用于觀察潤(rùn)滑油油位；自循環(huán)方式壓油螺桿，正常時(shí)循環(huán)潤(rùn)滑油；流量傳感器：設(shè)定值：5 L/min，用于潤(rùn)滑油流量低報(bào)警；雙聯(lián)式過濾器設(shè)定值：0.2 MPa，用于潤(rùn)滑油濾器堵塞報(bào)警。

3.4? ?轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)

舵槳的全回轉(zhuǎn)功能是通過電控單元和轉(zhuǎn)舵液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，帶螺旋槳的下齒輪箱可在360°范圍向左向右任意回轉(zhuǎn)。井箱法蘭上裝有一套舵角反饋器，舵角指針以1：1的轉(zhuǎn)速與下齒輪箱同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)舵速度≤15 s/180°。

每臺(tái)舵槳裝置轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)的主要部件：2臺(tái)變量柱塞泵，液壓電動(dòng)式；2臺(tái)液壓馬達(dá); 1臺(tái)應(yīng)急轉(zhuǎn)舵手搖泵用于舵失效時(shí)恢復(fù)零位; 1臺(tái)冷卻器；還設(shè)有溫度傳感器，設(shè)定值：65 ℃，用于液壓油高溫報(bào)警；液位傳感器用于液壓油低位報(bào)警；壓力繼電器，用于液壓油高低壓報(bào)警；過濾器，設(shè)定值：0.2 MPa，用于液壓油濾器堵塞報(bào)警；舵角反饋器，用于舵角指示及信號(hào)輸出；

3.5? ?調(diào)距系統(tǒng)

可調(diào)螺距舵槳的調(diào)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，船舶在航行過程中，主機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向無需改變，可通過調(diào)節(jié)螺距來控制其推力大小和正反方向，大大提高了船舶操縱性和經(jīng)濟(jì)性。

螺旋槳螺距的改變是通過槳轂內(nèi)的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)其螺距控制。船舶的航速可按需操控，實(shí)現(xiàn)無級(jí)控制。在不同工況時(shí)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)-槳完美匹配。

一套舵槳的調(diào)距系統(tǒng)的組成部件有：2臺(tái)電動(dòng)調(diào)距油泵，互為備用、自動(dòng)切換；槳轂組件；配油器組件，集成在舵槳內(nèi)部，螺距定位，由液控單向閥組實(shí)現(xiàn)，具有回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)兩組配油器；溫度傳感器，設(shè)定值：80℃，用于液壓油高溫報(bào)警；液位傳感器，用于液壓油低位報(bào)警；過濾器，設(shè)定值：0.2 MPa，用于液壓油濾器堵塞報(bào)警；螺距反饋器，指示精度±1°，用于螺距指示及信號(hào)輸出。

4? ? 軸系設(shè)計(jì)

4.1? ?軸系布置

根據(jù)照船體的線型及結(jié)構(gòu)，螺旋槳軸線對(duì)稱布置在船舯線兩側(cè)，且保證舵槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)均會(huì)與船舷保持一定的距離；兩條軸線與船舯線平行且對(duì)稱布置[1]。由于主機(jī)輸出軸線與舵槳裝置輸入軸線在同一豎直平面內(nèi)平行但不相交，分別在其兩端采用1個(gè)萬向軸聯(lián)軸器與中間軸呈”Z”型聯(lián)接，由于中間軸線太長(zhǎng)（約13 m），所以將中間軸分成兩段，中間采用1個(gè)萬向聯(lián)軸器用法蘭連接，消除剛性聯(lián)接造成的誤差，以保護(hù)軸系不受到損壞、運(yùn)行可靠。

為了保證推進(jìn)裝置的推進(jìn)效率，本船的舵槳推進(jìn)裝置輸入軸線和主機(jī)軸線在水平方向的傾斜角為0°，中間軸總長(zhǎng)度約13 m，由2根5 m的短軸和1個(gè)萬向聯(lián)軸節(jié)組成，軸的法蘭之間用非緊配螺栓聯(lián)接，每根5米的短軸上設(shè)有4個(gè)中間軸承支承，F(xiàn)R29艙壁設(shè)有隔艙填料函，軸系布置見圖2。

4.2? ?萬向聯(lián)軸器設(shè)計(jì)原量和對(duì)中校正

CPP舵槳推進(jìn)系統(tǒng)的軸系傳動(dòng)原理就是主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的角速度相同，其中間軸與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的節(jié)點(diǎn)傾角相等，即β1=β2，β3=β4，主動(dòng)軸、中間軸和從動(dòng)軸中心線在必須位于同一豎直平面內(nèi)，且布置成Z字型[2]，如圖3所示。萬向軸對(duì)中時(shí)需嚴(yán)格按圖3及表1數(shù)據(jù)對(duì)中，以保證軸系運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

4.3? ?軸系計(jì)算

本船入級(jí)BV船級(jí)社，其中間軸直徑、螺栓直徑、軸聯(lián)軸器法蘭、萬向聯(lián)軸節(jié)的強(qiáng)度等軸系按《BV鋼質(zhì)船舶入級(jí)規(guī)范》的要求計(jì)算送審。

5? ? 結(jié)束語

采用CPP調(diào)距槳舵槳裝置，無需改變主機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，通過改變螺旋槳的推力方向，結(jié)合調(diào)節(jié)螺距就可以改變船舶的航速和航向，具有優(yōu)越的操縱性、機(jī)動(dòng)性，近十年來在海洋平臺(tái)應(yīng)用十分的廣泛，亦常見用于客渡船、供應(yīng)拖帶船、勘探船、海事執(zhí)法船和LNG運(yùn)輸船等。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)， 該57 m海上平臺(tái)供應(yīng)船在60 s內(nèi)可使船舶由全速前進(jìn)降速到零航速，特別適于高海況下的海上停靠作業(yè)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：呂海燕（1979- ），女，工程師。現(xiàn)從事船舶輪機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2022-12-14