一种新型双艏双向船型

郑建才， 申 阳， 林 毅

(浙江海洋大学 船舶与机电工程学院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

吊舱式电力推进方式是将吊舱螺旋桨转动产生的推力, 通过推进电机的推力轴承传递给船体,从而推动船舶航行的一种方式，具有操纵灵活、机动性好、安全性佳、使船舶各零部件的布局灵活化等优点[1]。

吊舱式螺旋桨驱动的船舶具有如下优点：(1)可保持360°回转且能满推力操纵；(2)不需要轴系、轴包套和舵等附体；(3)减少了繁杂的机械设施,用电缆代替,可节省大量空间；(4)固定螺距的螺旋桨直接连接在电机轴上,机桨同轴,省去了齿轮传动。

1 双艏双向船型

以吊舱式推进船舶为前提,提出双艏双向吊舱式电力推动船舶的理念，即船舶拥有两个船首(船体前后严格对称或非严格对称),在搭载吊舱螺旋桨的情况下,船体可不经回转原地反向行驶。与传统热机-机械的推进形式相比,双艏双向船在全电力吊舱螺旋桨的配合下,具有以下优势：

(1) 外观设计对称优美。

(2) 双船首成流线型，能够降低黏压阻力。

(3) 双艏双向船能直接通过电力电子系统控制操纵,搭载吊舱螺旋桨提高了推进效率及操纵性能,可在各种气候和紧急条件下实施紧急制动回航。

(4) 双艏双向船能直接反向行驶,克服了船舶回转时回转直径过大的缺点,在江海短途联运中具有极大的机动性,可有效避免船舶回转时处于稳性、操纵性较差的状态。

(5) 短时间内进行简单的操作即可直接完成回航操作,避免在满舵回转过程中出现回转速降的情况。

(6) 在海上风浪大时,避免了回转时的突风对船舶稳性的影响,避免在回转过程中出现大横倾角现象引起的翻船事故。

(7) 电力推动使主机在特定工况下能稳定运转,且始终在优化负荷点附近运行。由于双艏双向船型改进了流体动力性能(螺旋桨遇到的是更均匀、干扰更少的水流,从而提高了效率)，可以使燃油消耗率减少18%[2],而且由于燃油消耗降低带来的寿命周期的延长可以超过起初电力推进的成本。

(8) 双艏双向双桨使船舶航行安全可靠,提高安全因数,更能适应复杂的海况变化,为准时抵达提供保障。

(9) 小水线面双体船运用双艏双向船型,可为娱乐性船和军品船提供更大的甲板布置空间。

(10) 小水线面双体船采用双艏双向更能增加有效载荷。相比于传统船舶,吊舱电力推动双艏双向船舶能增加约10%的船舶容量和更大的甲板面积。

(11) 增加了高速穿浪双体船的隐身性和机动性。

(12) 双艏双向能增加紧急状况下船舶的操纵性,双艏双向使其应付紧急状态的能力增强,能保证其在战争中的存活率。

(13) 由于主机能稳定持久运转,避免了不同工况时船舶主机消耗燃油功率不一致的情况,因此NOx和SOx的排放量显著降低,满足节能减排的要求。

(14) 电力吊舱推进使船舶在正常航行时,能获得90 rad/min[3]及以下的低转速。

(15) 采用对称船型，能减少设计和建造工作量，提高造船效率。

2 双艏双向船概念模型的提出与建立

荷兰游艇设计公司Sinot Exclusive首次公布了一款打破常规的180 m对称概念游艇：Symmetry。Symmetry船长为180 m，型宽为29 m，总吨位为18 256 t，满载吃水为7.0 m;船体材料为钢，上层建筑材料为铝，通过PYC认证，发电机为8×20 V 4 000 M53B柴油机驱动,最大航速为20.1 kn，载客量为34人，船员48人，提供18 000 t的内部存储量和超过1 000 m2的居住空间，如图1所示。

图1 Symmetry概念图

基于该游艇的概念,提出双艏双向船的设计理念,并采用全电力吊舱螺旋桨推动,对其进行理论分析和数据计算,研究其可行性。

3 双艏双向双体模型的可行性分析

调整变动压载,使船体水线与水平面的夹角为小角度(5°～10°，具体倾斜角度应根据不同船舶而定)，使船舶在航行过程中保持艉倾状态,采用吊舱螺旋桨能改善船舶推进和阻力特性[4]。

根据其航行特性,船舶在艉倾状态下,螺旋桨发出的推力使双艏双向高速穿浪双体船在高速航行状态下,船首略微抬离出水面(可避免船舶航行时的埋艏现象)。

本文对高速穿浪双体船采用双艏双向船型(见图2)时,对其进行如下可行性分析。

图2 双艏双向双体船

(3) 船首抬离水面,必然导致船舶处于艉倾状态：一方面可减少甲板上浪,有利于螺旋桨的工作效能；另一方面双艏双向船型后体收缩缓和,避免了边界层分离现象,减小了船舶首尾压差,使船体黏压阻力相对于普通船减小。

(4) 由于其船体表面曲度变化缓和,不至于在舭部导致很大的边界层分离,产生舭部漩涡。

(5) 由于伴流作用的影响,可能使螺旋桨推进效率有所下降,但其桨轴沉深增加,有利于增加其空泡性能和抗震性能[6],其推进性能也随之有所提高。

(6) 吊舱螺旋桨安装在船中(螺旋桨在船中后位置),虽然增加了附体阻力,但是减少了轴支架、轴包套和舵等附体,其附体阻力增加相对不大。

(7) 由于双艏双向船型螺旋桨安装在船体底部,其应航行在相对吃水无限制的区域。

4 未来双艏双向船在船舶方面的应用

4.1 民用领域

(1) 适用于狭窄航道频繁往返运输。目前我国狭窄港口只能通过疏浚航道提高竞争力,但由于基础港口建设资源有限,无法投入大量的资金疏浚航道,因此给引航工作带来很大难度。双艏双向船能够完全解决狭窄航道的船舶操纵、避碰、转向和回航等问题。

(2) 私人游艇。Sinot Exclusive公司提出的Symmetry概念游艇具有双艏双向性,打破了常规游艇的理念,使航行具有更高的灵活性，甲板也沿中心线对称,双艏双向设计让航行的方向可任意迅速变化,试验验证其切实可行。

(3) 江海联运短程频繁往返运输。随着我国江海联运的发展,由于内河航道的特殊性,采用双艏双向吊舱螺旋桨可最大程度地改善其操纵性,使营运效率最大化。

(4) 南极科学调查双艏双向破冰船。我国双向破冰船实现首航。在环境极其恶劣的南极冰区,若采用双艏双向的破冰方式,无疑加快了转向回航速度,给科研调查节省大量时间,为调查船节省了燃料,增加了船舶续航力和自持力。

(5) 双艏双向无动力波浪滑行器。双艏双向无动力波浪滑行器作为水面以上的浮体，能够更好地依靠波浪能获得前进的推动力。双艏双向无动力波浪滑行器与传统的浮体相比，更能适应长时间、大范围和恶劣海况的探测任务。

4.2 军用领域

(1) 小水线面双体船。双艏双向双体船可实现立即倒车航行, 有略微艉倾现象,但船体尾部流线收缩缓和,减小了边界层分离,降低船舶黏压阻力，可改善其阻力推进性能。

(2) 高速穿浪双体船如图3所示。由于该船型具有更好的穿浪性能[7],双艏双向的使用改善了它的运动性能(尤其是高速穿浪双体船的埋艏性和升沉性)，增加了它的过浪性能，提高了高速穿浪双体船立刻回航的回转性。

图3 双艏双向高速穿浪双体船

(3) M形船如图4所示。拥有较高的消波性能和穿浪性能,搭载双艏双吊舱螺旋桨后,在消波性能、操纵性以及在逆风、逆浪工况中高速航行等方面更显出其优越性能[8]。

图4 双艏双向M形船

5 回转特性定量计算

5.1 从船型角度分析

双艏双向船舶能够直接经减速后立即反向行驶,避免了普通船舶回转过程中的减速,以及在回转过程中出现失速、失稳、耗时和消耗多余燃油等问题,下文对其进行定量计算。

普通船舶在转向或回转过程中,其对地速度V、角速度ω、运动黏度v与回转半径R之间的估算求解公式为

(1)

(2)

(3)

根据式(3),对于一般船舶而言,ω约为5 (°)/min,V约为20 kn时，R=3.82 m,故其回转路程S=πR=12.00 m,耗时t=0.60 h。根据在正常航行中主机烧重油,单位耗油量为177 g/(kW· h),假设主机功率为6 000 kW，故燃油消耗量应为0.319 t。

在双艏双向船型的回转过程中(最大转动速度为60 (°)/s,最大转动加速度为200 (°)/s2时),功耗小于240 W,几乎不消耗任何时间和燃油。

进而得出结论：相对于功率为6 000 kW的普通船而言,回转一次节省了约0.3 h,减少耗油约0.3 t(约合市场价819元),对经常需要回转的船舶而言,这无疑是一个巨大的节约成本的优势。另一方面,如果船舶在狭窄航道或弯道行驶,其转向易受到相关水文条件的限制,双艏双向船型则能节约更多的转向时间,节省更多的燃油,更加方便灵活。由此说明，双艏双向船舶在短途联运的工程船、科学调查船、军船和游艇等领域有着极大的应用前景。

5.2 从推进形式分析

双艏双向船型采用全电力推动,相比于传统的柴油机推动：(1)由水池试验和航行试验资料可知,吊舱电力推进装置比普通柴油机推进系统效率约高10%[9],而燃油消耗量却减少约18%。(2)电力吊舱推进系统由于减少了轴系传动装置和轴包套、舵等附体,采用表面冷却,减少了冷却系统等一系列装置,质量比同等功率的常规柴油机推进系统轻约250 t[10]。(3)电力推进吊舱系统在可靠性上也有很大的优势,ABB公司设计的吊舱推进器12年间平均无故障率高达99.73%[11]。

由“滇游1号”电力推进客船资料[12]可知：与常规柴油机推进船舶相比,在经济航速下,该船电力推进系统总功率比柴油机总功率降低10%,节省燃油10%，年维修费用约减少30%。由该船的实际使用过程可知,电力系统综合性能优于传统柴油机推进系统。

5.3 从环境保护角度分析

从有毒有害气体排放角度考虑：船舶柴油机NOx的排放量在变速运转工况下比在恒速运转工况下大；而吊舱式全电力推进系统能使柴油机始终处于恒速工况和优化负荷点附近运行,因此其污染性气体排放量将显著降低。

从舱底水角度考虑：统计资料表明,吊舱式电力推进船舶舱底水比同类船型柴油机推进船舶减少了30%以上[13],能够减小舱底水对我国内河的水污染。

6 结果与讨论

双艏双向船搭载吊舱螺旋桨推进器，其电力推进性能与双向行驶性能紧密配合,既增强了船舶航行的灵活性,又提高了船舶双向行驶中的安全因数。通过变动压载使船舶处于艉倾状态,不但使船舶推进性能有所提升,而且势必让船舶总阻力有所下降,且在换向行驶的过程中,节省了大量的人力和时间,为船舶续航力和自持力提供了一定保障。经数据计算,该方案切实可行。

双艏双向船采用全电力推动,不仅能在操纵性上取得极大进步,还在节省运营成本和节能减排上取得一定成效。随着社会科技的发展,人们对环境保护的意识逐渐提高,相信不久的将来,全电力推进双艏双向船定能够得到大力发展。

7 结论

本文提出一种全新的双艏双向船型概念,即在全电力推进方式下,搭载吊舱螺旋桨,对高速穿浪双体船、小水线面双体船、M形船采用双艏双向船型,实现了船舶阻力、操纵、避碰、转向和回航等相关性能，且节能高效。本文对双艏双向高速穿浪双体船模型进行可行性分析,从理论上定性得知其阻力和推进性能优越。对双艏双向船全电力吊舱螺旋桨推进和普通船舶柴油机螺旋桨推进进行相关定量计算,得知双艏双向船不仅能够节能减排,还能节约时间,减小维修和营运成本。

下一步将进行相关建模,进行CFD分析和水动力试验,定量研究相关性能，并解决建造相关问题。