吊舱式CRP推进系统发展及应用前景

张庆文

中华人民共和国海事局法规处 北京 100736

吊舱式CRP推进系统发展及应用前景

张庆文

中华人民共和国海事局法规处 北京 100736

介绍吊舱式CRP推进系统的组成、特点，分析营运经济性，实例计算说明吊舱式CRP的方案与其它方案相比经济性优势明显，具有广阔的市场前景。

吊舱 吊舱式CRP 技术特点 经济性分析

对转桨的概念早就被广泛地应用到很多船型上。传统的对转桨结构是后桨和前桨分别安装在同一轴线的内外尾轴上，安装后桨的内尾轴通过弹性联轴节与主机输出轴直接连接，与主机转向相同。带前桨的外尾轴是空心的，套装在内尾轴上，主机通过对转齿轮传动器带动外尾轴和前桨反向旋转［1］。随着电力系统的发展以及在高速船舶上吊舱（POD）式推进应用的经验积累，使新的对转桨概念即吊舱式CRP（contra rotating pod）推进器的广泛应用成为一种可能。

1 吊舱式电力推进系统

1．1 吊舱式电力系统概念

吊舱式电力推进应用于电力推进船舶［2］。具体来说，就是把电力推进系统中的电动机置于船尾下可旋转360°的流线型吊舱内，由一台变频器供电和控制。吊舱的一端或两端装有定距桨，由电机直接驱动。螺旋桨和推进电机共轴，两者之间没有其它的任何环节，结构简单紧凑，通常制成一个独立的模块。推进的方位角可以人为地控制和调节。

1．2 吊舱式电力推进的优点

吊舱式电力推进和传统的推进系统相比有如下一些优点。

1）推进效率高；

2）取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，不需专门的冷却系统从而节省了舱容，简化了安装；

3）空间配置灵活，充分利用了舱容；

4）模块化设计原理使吊舱模块可以在船舶建造基本完成时安装，缩短了建造周期；

5）噪声低，振动小，废气排放减少；

6）推进器可以在360°水平范围内旋转，提高了船舶的操纵性和机动性；

7）根据需要决定并入电网的发电机台数，使机组运行于理想负荷下，对燃油经济性有利，还可以减少维护工作，降低备件费用。

2 吊舱式CRP推进系统

2．1 工作原理

吊舱式CRP推进概念由芬兰的ABB工业公司提出。这种系统的布置方案为将一个可操纵的吊舱模块安装在标准螺旋桨之后，两桨布置在同一轴线上，但没有任何的物理连接。结构见图1。

牵引式的POD螺旋桨旋转方向和主螺旋桨的旋转方向相反。这种布置可以使水动力效率提高10%，原因为主螺旋桨旋转产生的能量被POD桨吸收，选择合适的螺旋桨载荷分配，单尾鳍拥有最光滑的船尾型线。

吊舱式CRP推进系统在结构上是原来舵的位置上换成了一台牵引式的POD模块，主螺旋桨仍由二冲程柴油机直接推进或由四冲程柴油机带减速齿轮箱推进。当然，也可以由机舱内电机推进以实现全电力推进。船舶电站的发电能力需要提高，以使POD模块达到在主螺旋桨故障时“安全返港”模式下的航速。

2．2 技术特点

1）主螺旋桨和POD桨的载荷比可以灵活调整，一般主螺旋桨分配60%～70%的载荷，POD桨分配40%～30%的载荷；

2）POD桨的直径小于主螺旋桨的直径以防止不同自航操舵角时受主螺旋桨可能发生的稍涡空泡的影响；

3）螺旋桨的叶数不同，以免螺旋桨共振；

4）POD桨的转速一般比主螺旋桨的转速高，以保证获取螺旋桨的最佳效率；

5）POD桨的旋转角为±100°（另一种选择为

360°全回转）。

在前后桨叶和转速的选取上，为了使激振力减小，需满足以下条件［3］

图1 吊舱式CRP结构示意图

式中：Zfwd——前桨叶数；

Zaft——后桨叶数；

nfwd——前桨转速，r／min；

naft——后桨转速，r／min。载荷分布上，需满足

式中：PD，fwd——前桨载荷；

PD，aft——后桨载荷。

2．3 技术优势

1）推进效率高；

2）总装机功率低；

3）两台相互独立的推进系统，提高了冗余性；

4）无需尾侧推和舵；

5）联合推进作用于船体，激振力低；

6）原动机的选择不受限制，功率步进容易调整；

7）总体布置灵活性大；

8）操纵性能好，有动力定位功能。吊舱模块绕垂直轴线自由旋转，将螺旋桨推力直接作用于所需方向上，与隧道式推进器相比螺旋桨直径大，水动力性能损失小；

9）优化了原动机的负荷，降低了废气排放。

3 全船综合推进系统

综合推进系统采用了电站原理。电站原理指船舶的日用电网和推进动力电网是相通的，取代了单独的负载电网和机械推进用电网。可以根据不同的推进功率需求相应地调节运行的发电机数量，所需的功率下降时，一部分柴油机就可以停机，运行的柴油机仍恒速运转，工作在最优负荷下［4-5］。

在一般海况下，两套推进系统与一个选定的运行工况相对应。图2是吊舱式CRP推进系统在船上布置的示意图。

图2 吊舱式CRP布置示意图

图3是对应于图2的吊舱式CRP推进系统的全船线路图。

图3 吊舱式CRP推进线路图

可以看出，吊舱式CRP推进系统所需要的额外的机械装置是一台变频器和POD模块及其辅助设备，其余的设备（发电机，主配电板和变压器等）船上原已配备。

当然，由于更高的电功率的需求，需要对电网进行必要的升级。但是，总体装置与单桨推进的船舶相比，吊舱式CRP推进系统并没有彻底的改变。尽管需要安装吊舱模块和变频器的空间，但省去了舵、尾侧推等装置，总体重量没有增加反而减少。另外相互独立的推进系统提供了最大的冗余，在一个系统出现故障时，另一个系统可以继续独立运行，保证了航行的安全性。

4 经济性

对于船东来说，经济性是需要考虑的首要因素。现在，船东对建造新船的评估标准已经从初期投资评估转向全生命周期费用（LCC）评估。LCC包括资金成本、营运成本以及船舶的转手价格和损毁价格。资金成本是指结合初期投资成正比的。营运成本包括燃油、维护、人力和港口拖轮费用等。燃油和拖轮费用在吊舱式CRP推进系统中最有潜力节省。由于吊舱式推进模块的良好的操纵性，船舶在港口内无需拖轮辅助，而拖轮费用是一项包含在LCC中的主要成本。

以一条12 000 TEU的ULCS（超大型集装箱船）研究为例进行说明，船舶的主要参数如下。

垂线间长380．0 m， 型宽52．5 m，

服务航速25．5 kn， 型深14．6 m，

装载量 12 000 TEU。

基准点定为20%的功率储备裕度，90%的MCR运行状态。

4．1 初期投入总装机功率的影响

12 000 TEU的ULCS最大电力负荷为13 MW，由服务负载、冷藏负载和推力负载构成，在吊舱式CRP方案中，POD的负载为22 MW。

吊舱式CRP推进系统有最好的水动力效率，同样航速下螺旋桨所需功率对比见图4。

图4 同样航速螺旋桨所需推进功率

在确定总的推进效率时，从主机传送到螺旋桨处的整个功率链都要进行考虑。可用如下的公式计算吊舱式CRP的总效率损失

总损失＝（POD负荷比×电力损失+主螺旋桨

负荷比×机械损失）×100%

计算得到同种航速所需的推进总功率，见图5。

图5 同样航速下所需推进总功率

选取常用的单桨推进和双桨推进系统与吊舱式CRP推进系统比较，总装机功率见表1。

表1 总装机功率比较MW

表1表明，吊舱式CRP方案与其它方案相比的优势明显，总装机功率减少10%以上，计算发动机成本时，单价为210美元／kW。最终比较结果见表2。

表2 装机功率造成的价格差异

可以看出，建造成本大为降低。另外，总的船舶建造周期缩短也使成本降低。

4．2 营运成本

营运成本包括燃油、滑油、维护、拖轮费用等。具体分析计算需借助选定的航线。选取航线为：鹿特丹——Marsaxlokk——新加坡——香港。在此航线航行的速度主要有24、20、17 kn，3种航速所占用的比例为76%、4%和13%。其余的时间用于加速或减速上。一个航次中的消耗以吊舱式CRP推进系统为参照，结果见表3。

结合总装机功率的差异，在一个航次里，吊舱式CRP推进比双桨推进可节省70 500美元，比单桨推进节省44 200美元。

由于POD推进器提供的优越的操纵性能，在港口内无需拖轮辅助，按平均每次需要一个拖轮，每次拖轮费用为5 000美元，年节省成本37．5万美元。

从获取的时间效益看，由于其良好的操纵性能，在港口和近海航行节省的时间可用于以较低的速度和功率进行远海航行。

假定船舶进港或出港不需拖轮比使用拖轮辅助节省1 h，则进出港共节省8 h。

通过苏伊士运河节省2 h，则一共可以节省10 h。

采用传统推进方式整个航程（19天）的平均速度为22．15 kn，则现在的航速可定为21．65 kn。如此一来，每年的燃料成本节省75万美元。

另外，还应该考虑到由于舱室合理布置增加运量引起的收益。若以每个集装箱运费200美元计，每个航程多运送100个集装箱，每年12航次，则可增加收益24万美元。

扣除由于POD模块使船价大约高2%的因素，以15年运营期计算，与单桨船相比可累计节省成本1 000万美元以上。需要指出的是，单桨推进仅仅是水动力学中的假设，由于现在没有建造如此大的螺旋桨的能力，稍涡空泡问题也无法解决，所以，可比方案仅有双桨推进，经济性上将有更明显的优势。

5 结束语

随着船舶的大型化发展，柴油机单桨推进已不能满足推进要求。吊舱式CRP推进系统是最为可行的应用方案。它提供了一种总成本更低的船型，对于广阔营运市场来说有很大的潜力。新概念的提出需要积累大量的经验并对一些领域进行深入的研究和实验，包括水动力性能、全船电网结构布置和建立新的船舶设计建造流程等。总体来说，吊舱式CRP系统对于船东和船厂来说都面临着相同的使用电力推进系统考验。吊舱式CRP系统对船东来说，主要工作是把新的系统介绍给船员熟悉并维护操纵，对船厂来说，必须修改现行的设计建造流程并建立起对应于新概念的流程以保证从中获益。可以预见，吊舱式CRP系统将会对造船市场产生重大影响。

［1］李 斌．对转螺旋桨在船舶上的应用［J］．世界海运，1994（1）：46-50．

［2］Alf Kare Adnanes．Maritime Electrical Installation And Diesel Electric Propulsion［J］．ABB AS Marine，2003（4）：5-6．

［3］Eckhard Praefke，John Richards．Counter Rotating Propellers Without Complex Shafting For A Fast Monohull Ferry：The 6th International Conference On Fast Sea Transportat．ion，September46．2001：3-5［C］．Shanghai：springer verlag．2000．

［4］Anders Backlund，Jukka Kuuskoski．The Contra Rotating Propeller（CRP）Concept With a Podded Drive：Motor Ship Conference，March28．2000：2-12［C］．Shanghai：springer verlag．2000．

Prospect and utilization of the podded CRP propulsion system

ZHANG Qing-wen
Dept．of Laws and Regulations China Maritime Safety Administration Beijing 100736

The configuration，characteristics and the economics of the podded contra rotating pod（CRP）system are discussed．Calculation of the practical examples shows that the CRPsystem is better in economy with bright future of application than other plans．

pod podded CRP system technical characteristics economy analysis

U661．31

A

1671-7953（2007）02-0057-04

2006-09-08

修回日期2006-09-25

张庆文（1980—），男，硕士。