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超大型集装箱船的推进系统方案选择

前言

船舶的航速/功率比是根据船舶的阻力及螺旋桨的推力进行确定的。不同的船体形状及线型都会影响船舶的水阻力。船舶螺旋桨所发出的推力是使船舶前进的动力。要增加螺旋桨推力，需要相应地提高主机功率及螺旋桨转速。由于传动中有机械损失，所以主机发出的功率必须大于螺旋桨发出的功率。如果是电力推进系统，还必须考虑会有电力的损失。因此，一旦船舶的推进效率得到确定，那么整个系统的能量损失也能计算出来并加以考虑。

在一定航切粒刀速下船舶所需的推进功率是根据水池试验来确定的。水池试验的目的就是通过优化寻找最合适的船体形状与推进系统，从而得到最佳的推进效率。

船舶的水阻力先是通过计算模型所受的1般客户做锚链水阻力，然后再根据模型与实船的大小比值进行换算，从而得到实船的水阻力情况。这时的水阻力只是船体的裸体阻力（不包括螺旋桨）。下一步则根据模型的自航试验来确定一定航速下船舶所需的推进功率。由于螺旋桨会在船体的后体部分产生负压，由螺旋桨发出的推力必须大于船舶所受的水阻力。

即使是同一部螺旋桨，当与不同的船体形状相匹配时，其所产生的推进效率也是不同的。这是由于伴流产生变化，而且推进器不同，舵的型式与位置也有不同。伴流的变化是指螺旋桨叶前的水流是不均匀的。由于受到船体的粘滞效应，越靠近船体表面，水流的速度越小。这就可以解释为什么拉力型的POD桨具有良好的水动力特性。由于POD桨远离船体，故而伴流受船体的粘滞影响比较小，它的伴流比较均匀。

船底的附体也会对伴流产生干扰，比如说，轴线的上轴支架、管道推力器的管道等都会对伴流产生影响。

所以说，要决定船舶的推进效率及阻力是一项非常有挑战性的工作，因为失之毫厘，谬以千里，一个小小的数据变动就会影响到最后的计算结果。为了获得预期的结果，需要做大量的研究与试验工作，这在项目中占了很大一部分内容。

通常总是要对相同的船体配以不同的推进系统进行水池试验，才能最后确定最优化的推进系统方案。否则的话，要想对不同的方案进行精确的比较是非常困难的。

不同的推进系统及船体形状

螺旋桨推进系统可以被划分为如下几种主要的形式：传统型、POD型、CRP加POD型，具体优缺点分析见下。

单尾鳍与双尾鳍的比较

为了让船体有一个光顺的船体外表面，单尾鳍方案是船舶设计中最好的选择。单尾鳍与双尾鳍相比，建造费用更低。费用高的双尾鳍通常用于如下场合，如安装了二冲程低速机的船舶上。而且安装双尾鳍，增大了船舶的湿表面积，使船舶的摩擦阻力增大。因此，与单尾鳍船相比，在相同航速时，它所消耗的主机功率也大。因此，一般情况下要选择最合适的船体型状，都是选择单尾鳍方案。

单桨与双桨的比较

单桨是船舶中最普遍的配置方案。有些船舶由于要提供更好的舵力冗余，或者说要提供更好的船舶总布置，会配置两部螺旋桨。此外，如果船舶要求螺旋桨发出高的推力，当单桨无法满足推力要求时，也会采用双桨方案。

当然，有时采用一部桨的话，其尺寸会很大，而空间又有限，比如说吃水受到限制，这时也会采用尺寸小一些的双桨方案。

双桨，以及开敞的轴系，意味着必须有轴支架，在单尾鳍方案下，这就降低了水动力推进效率。双桨双尾鳍方案与单桨单尾鳍方案相比较，在效率方面略有改善。不过，如前所述，由于双尾鳍加大了湿面积，所以效率会比单尾鳍单桨方案低一些。

POD推进器

采用POD推进器时，舵的功能就可由全回转的POD推进器来实现。而且由于没有轴支架，螺旋桨前也没有轴系，因此伴流得到改善，而船舶外形也可加以改进，从而使之适合于拉力型POD推进器。与普通的双桨船相比，它的水动力推进效率可以提高10%左右。而且，POD桨还给船舶的总布置及操纵性带来了更大的灵活性。

对转桨加POD推进器

这种系统的布置方案为，在普通螺旋桨的正后方，布置一个POD桨。

POD桨与固定桨位于相同的轴线上，拉力型的POD推进器的旋转方向与主螺旋桨的转向相反。这种方案可以达到最好的水动力特性，这是因为：

主螺旋桨产生的能量被POD桨所吸收；由于有两部桨，可以轻易地确定两部桨的负荷分布;可以选择单尾鳍线型，从而使船舶的敞水阻力尽可能降低。

水池试验

ABB公司对快速客滚船和超大型集装箱船进行了水池试验，获得了一些关键的技术数据。客滚船的水池试验是在挪威的Marintek进行的，超大型集装箱船的水池试验是在韩国三星船舶水池进行的。

<专项审批p>对客滚船进行的水池试验中，对CRP Azipod桨与双桨（单尾鳍）和双POD方案进行了比较。对超大型集装箱船进行以济南、德州等为中心的试验中，将CRP Azipod与双桨双尾鳍、单桨单尾鳍方案进行了比较。

以下是超大型集装箱船进行水池试验时的照片，共进行了三种不同型式的比较。

试验结果

水动力推进特性

当确定船舶总的推进效率时，从主机传送到螺旋桨处的整个功率链都要进行考虑。首先研究水动力效率。水池试验的结果表明，CRP Azipod型系统具有最佳的水动力特性。

效率损失

轴承等处的机械损失约为1..0%，这个2%的数值在计算时必须加以考虑。

电力损失大致如下：

发电机：2.7%

变频器：0.7%

推进转换器：1.0%

推进电机：2.7%

配电板：0.5%

总的损失约为：8.0%

下述公式用来计算CRP Azipod方案总的功率损失（在不同的负荷分配情况下）。

总损失=（CRP Azipod负荷比x电力损失+主螺旋桨负荷比x机械损失）/100%

数字表明，与100%的机械推进方案比较而言，CRP方案的传输损失非常低。全电力推进系统则具有更高的损失，这降低了此方案的吸引力度，尤其是当船舶大多数时间都处于全速航行状态下更是如此。

总的推进效率

因为传输损失及水动力效率已经知道，从而可以计算得到总的推进效率。结果如下。

船舶航速对总推进效率的影响

上述数据是根据船舶在营运航速下得到的。如果航速降低，与柴油机方案比较，则电力推进系统（CRP及POD桨方案）会提高整个推进系统的效率，改进来自于动力装置原理上的优势。

动力装置布置的原则是指船舶的电力络及推进动力络是相通的，取代了单独的电力负载络或机械推进功率络。这就可以根据不同的推进功率需求，相应地调整运行发电机的数量。当所需电力功率相对较小时，一些柴油机可以停机，而运行的柴油机机则可以优化的恒定转速运转。

对12000TEU集装箱船推进系统的研究

为了更好地了解推进效率对装机功率的影响，我们以一艘超大型集装箱船为例进行演算。该船的最大电力负荷为13MW，由服务负载、冷藏负载及推力负载构成。在CRP 方案中，POD电力负载为22MW。研究该船所需的辅机功率时，一个途径就是假定没有备用发动机。如果每个推进系统中都增加一台或多台发动机，以提供更好的冗余度，其结果也相似。在所有的推进方案中，都考虑了20%的功率储备裕度，而且是以90%MCR、服务航速25节作为基点进行考虑。

单尾鳍方案：主机功率： 85.9MW

辅机功率： 15.2MW

总装机功率：101.1MW

双尾鳍方案：主机功率： 91.6MW

辅机功率： 15.2MW

总装机功率：106.8MW

CRP Azipod方案：

主机功率: 51.5MW

辅机功率： 39.2MW

总装机功率： 90.7MW

上例明显地表明了CRP Azipod方案与其他方案在经济性上的差别。由于差别在10%左右，与其他 方案相比较，对于运营成本来说有明显的收益，建造成本也可大幅降低。计算发动机功率成本时，单价为210美元/kW。注意到在单桨方案中，目前还无法制造如此巨大的螺旋桨，而且由于桨的直径太大，桨尖的空泡问题一直无法解决。在12000ULCS（12000TEU）船上，双桨方案或者说是CRP Azipod方案是切实可行的两种方案。

CRP Azipod方案与其他方案产生如此巨大差异的原因就在于：

推进效率提高；由于有一个功率很大的电站，电力负载分配可以更加平衡；由于功率步进可以更容易选择，所以有更好的尺寸调节。选择一台大型2冲程的低速机时，功率步进数为6MW，而CRP Azipod则任何功率都可选择。

CRP Azipod推进的优点

下面是一些采用CRP Azipod系统的优点的总结：

技术上：

推进效率高；

装机功率小；

两套单独的推进系统，提供高冗余度；

不需要尾部推力器；

降低螺旋桨对船底的激振力；

灵活利用原动键鼠套装机；

总布置设计更灵活；

容易调整要求的推进功率步进。

运营中：

提高了在港口、河道中的操纵性；降低了在港口对现在已经是贯穿航空航天工业的主要技术拖轮的依赖；低速时有良好的机动性；排放低，环保性好；紧急情况下的安全性大为提高。

经济性：

推进效率高，所以降低了燃油消耗；装机功率减小，船舶建造成本降低。

结论

试验结果表明，CRP Azipod是最适合于超大型集装箱船的推进装置。它还可适用于客滚船、大型LNG船及油轮。

CRP Azipod推进系统将有可能对造船界产生重大改变。可以预见，“主动”舵以其经济性、操纵性上的优势将逐渐越来越多地取代传统的“被动”舵。(end)

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