吊舱推进与传统推进船舶操纵性能对比分析

刘洪梅，许文兵，陈 雄，肖 龙，钟文军，韩 阳

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2中国海洋石油总公司，北京 100010；3海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

吊舱推进与传统推进船舶操纵性能对比分析

刘洪梅1，许文兵2，陈 雄1，肖 龙3，钟文军3，韩 阳1

（1中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2中国海洋石油总公司，北京 100010；3海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

吊舱推进器因具有提高船舶推进效率及操纵灵活等特点而越来越受到人们的重视。为深入研究吊舱推进船舶的操纵性能，文章对某深水铺管起重船进行了吊舱推进操纵和舵操纵两种方式下的操纵性模型对比试验，试验结果表明，吊舱推进操纵船舶的回转运动性能及应舵性能要大大优于舵操纵船舶，而纠向和保持航向能力两者相当；同时，文中对吊舱推进船舶的操纵性能进行了分析，可为实船操作提供一定的参考。

吊舱船舶；操纵性能；对比分析

1 引 言

吊舱式推进器（POD推进器）是近年来发展起来的一种新型的船舶电力推进系统，是目前船舶推进系统研究开发领域引人瞩目的焦点。与传统的螺旋桨推进方式相比，吊舱推进器在船舶设计、性能、制造及维护等方面有诸多优点。就船舶航行性能而言，由于整个POD推进器可由旋转电动机或液压马达控制实现360°回转，省去了舵及侧推器等装置，可全功率倒车，应急倒车反应快，可大幅度提高船舶操纵和紧急制动的能力；POD推进器的应用可使船尾型线得以改善，提升船尾流场品质，使得推进器在比较理想的伴流中工作，可充分改进船体流体性能，提高水动力性能；POD的螺旋桨比常规螺旋桨小，产生空泡现象的临界速度高，螺旋桨诱导的船尾振动及辐射噪声性能改善；POD推进器可以在船体灵活布置，以获取最佳的推进性能[1]。

关于吊舱推进船舶的操纵性能，目前仍是研究的重点之一。国内外对此课题也相继进行了试验及理论计算研究，如Grygorowicz[2]等在循环水槽中对拖式与推式POD推进器的操纵水动力进行了试验研究，Toxopeus[3]研究了高速吊舱船舶的操纵性能；在国内，海军装备研究院与上海交通大学较早开展了POD推进器水动力性能的理论计算及试验研究[4]，中国船舶科学研究中心已形成POD推进器水动力性能的理论计算方法，并已在1989年开展了对吊舱推进船舶操纵性能模型试验[5]。

尽管陆续有一些文献发表，相对而言，吊舱推进还是一种非常新的技术，特别是在操纵性能上，国内外还未形成统一的研究结论及标准，本文通过吊舱推进及传统推进船舶的操纵性模型试验[6]，对两种推进方式下的操纵性能进行对比分析，以更直观地对吊舱推进船舶的操纵性能进行评估。

2 试验对象及方案

2.1 试验对象

为进行吊舱推进船舶与传统推进船舶操纵性能的对比分析，本节选取某深水铺管起重船为研究对象，该船为带有呆木的双吊舱推进船舶，进行传统推进船舶操纵性试验时，在该船模尾部加装舵，吊舱推进器只作为推进系统。表1列出了试验模型的有关参数。

表1 船模主要参数Tab.1 Main parameters of ship model

2.2 试验方案

本次试验主要进行了该船回转性能、使用稳定性能、应舵性能的对比分析，在进行对比试验之前，对两种推进操纵方式下的船模进行了重心位置及惯量的调试，以保证与实船的相似，并进行了舵桨偏转速率和转舵速率的调试。表2列出了该船在吊舱推进操纵和传统推进舵操纵两种方式下的的操纵性试验项目及内容。

表2 试验项目及内容Tab.2 Test cases and content

3 试验结果及对比分析

3.1 试验结果

表3给出了该深水铺管起重船在吊舱推进操纵和传统推进舵操纵两种方式下的试验结果及对应的IMO操纵性标准，图1～4为两种操纵方式下操纵性试验结果的对比曲线图。

表3 试验结果Tab.3 Results of tests

3.2 结果分析

通过该深水铺管起重船吊舱推进操纵及舵操纵两种方式下的操纵性模型试验可以看出，吊舱推进操纵船舶的回转运动性能要大大优于舵操纵船舶，且吊舱推进操纵船舶的应舵性能（即船舶对操舵或是吊舱偏转的反应快慢程度）也要大大优于舵操纵船舶，而两种操纵方式的纠向能力及保持航向能力相当。

无论是吊舱推进操纵还是舵操纵船舶，其回转运动参数，如稳定回转直径、战术直径、最大纵距和横距均随着舵桨偏转角或舵角的增大而减小，在吊舱推进操纵中较大的舵桨偏转角下，其变化趋势趋于平缓。相同舵角或偏转角度下，其吊舱推进操纵船舶的稳定回转直径及战术直径约小于舵操纵船舶1～2倍船长，其最大纵距约小于舵系统的0.7倍船长，其横距约小于舵系统船舶0.5～1倍船长；吊舱推进装置具有全回转的功能，其回转能力大大提高，在70°舵桨偏转角下其船舶基本绕其自身进行回转，可实现实船在原地进行调头等操作，而一般的舵装置其限位角基本为左右舵35°，若想实现原地调头，需利用侧推等装置完成。

在回转运动中均存在一定的横倾角，且为外倾。在吊舱推进操纵中，其最大回转横倾随着舵桨偏转角度增大而有所增大，变化趋势在大的偏转角下趋于平缓，而稳定横倾随舵桨偏转角度增大而有所减小，在70°偏转角下即船模绕其自身进行回转运动时其稳定横倾角基本为0；而普通推进船舶在回转运动中的最大横倾和稳定横倾随舵角增大而增大，而稳定横倾的最大值基本出现在25°舵角。比较两种推进操纵方式下的回转横倾角发现，在一般航速下（本船为12kns），吊舱推进操纵船舶的最大回转横倾要略大于舵操纵船舶约0.5°～0.7°，稳定回转横倾两者相当，而在高航速下，吊舱推进操纵船舶回转过程中的最大横倾将大大提高，因此在吊舱推进高速船舶进行回转运动时，应降低船速或减小偏转角度以降低回转运动所产生的最大横倾。

与普通推进船舶相比较，吊舱推进船舶转首力矩是由吊舱推进器在偏转一定角度后其推力产生的，与舵力相比，吊舱推进器具有更大的量值，图5给出了该船舶在两种推进操纵方式下的转首力矩计算值。由图可知，在偏转角（舵角）小于5°时，其舵力产生的转首力矩要略大于吊舱推进器产生的转首力矩，在偏转角（舵角）5°～12°时，两者产生的转首力矩相当，在偏转角（舵角）大于12°时，吊舱推进器产生的转首力矩将大于舵力产生的转首力矩，且随偏转角（舵角）的增大其趋势更加明显。其次，由于吊舱推进装置在回转运动中要偏转一定角度，因此在船体纵向方向上的推力部分将有所减少，故稳定回转运动中的速度较低，存在较小的速降值，图6为该船在两种推进操纵方式下进行回转运动时其速降比较曲线，由图可知，随偏转角的增大，其速度降低程度大大加强。正是由于转首力矩的不同及回转过程中速度的不同引起了吊舱推进船舶在回转过程中较小的回转直径，同时也影响着回转横倾的大小。

与普通推进船舶相比，吊舱推进操纵船舶应舵性能的优势更加明显，其衡量值可用Z形试验中的无因次初转期来表示，从试验结果可知，吊舱推进操纵船舶在10°/10°和20°/20°Z形试验中的无因次初转期均小于传统推进船舶。图7、图8给出了该深水铺管起重船两种推进操纵方式下航向角在10°和20°舵桨偏转角（舵角）下的变化曲线，由图可知，在一定的偏转角（舵角）下，吊舱推进船舶的航向能很快做出反应，向相应方向偏转，其主要原因为吊舱推进偏转角速度很快，实船上为偏转180°时所需时间约15s，而普通舵装置从左舵35°转到右舵35°所需时间约30s。

吊舱推进操纵船舶的纠向和保持航向能力与舵操纵船舶相当。主要体现在Z形操纵试验中的超越角和操舵保向试验中的操舵频率，从试验数据上看，两种方式下的试验结果相差不大，且都能满足IMO操纵性标准。影响使用稳定性能的因素主要包括船体线型尤其是尾部线型、装载状态及操纵系统，在本次对比试验中，两种推进操纵方式下试验模型及重心位置、惯量等参数均相同，因此应具有相同的船舶固有稳定性，同时在10°和20°方向角下其吊舱推进器和舵力所产生的转首力矩相差不大。

4 结 语

本文对某吊舱推进深水铺管起重船进行了回转试验、Z形试验及操舵保向试验，为进一步研究吊舱推进船舶与传统推进船舶的操纵性能对比，对该船设计了一对舵，增设在吊舱推进器后，并完成了相应的对比试验。

本文对吊舱推进船舶和传统推进船舶的操纵性能进行了对比分析，得到了以下主要结论：吊舱推进操纵船舶的回转运动性能、应舵性能均优于舵操纵船舶，而纠向和保持航向能力与舵操纵船舶能力相当；吊舱推进船舶在回转运动中的最大横倾角随偏转角度的增大而增大，而稳定横倾角随偏转角度的增大而有所减小，这一点与舵操纵船舶有所不同。

本文的对比试验研究为吊舱推进船舶的操纵性能提供了更加全面、可靠的技术基础，为吊舱推进船舶的实船操作提供了一定的参考资料。

[1]马 聘.吊舱推进技术[M].上海:上海交通大学出版社,2007:4.

[2]Grygorowicz M,Szantyr J A.Open water experiments with two pod propulsor models[C]//In:Atlar M,Clarke D,Glover E J,et al,eds.Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion.University of Newcastle,UK,2004,2004:357-370.

[3]Toxopeus S,Loeff G.Manoeuvring aspects of fast ships with pods[C]//Proceedings of the 3rd International EuroConference on High-Performance Marine Vehicles HIPER 02.Bergen,2002:392-406.

[4]Ma Cheng,Qian Zhengfang,Yang Chenjun,et al.Research on hydrodynamic computation model of pod propulsion[C]//In:Atlar M,Clarke D,Glover E J,et al,eds.Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion.University of Newcastle,UK,2004,2004:527-547.

[5]甘品章.新型对江渡轮操纵性试验研究[R].无锡:中国船舶科学研究中心技术报告,1989.

[6]刘洪梅.深水铺管起重船航向稳定性模型试验[R].无锡:中国船舶科学研究中心技术报告,2010.

Maneuvering performance comparison between POD and conventional ships

LIU Hong-mei1,XU Wen-bing2,CHEN Xiong1,XIAO Long3,ZHONG Wen-jun3,HAN Yang1
(1 China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China;2 China National Offshore Oil Corporation,Beijing 100010,China;3 China National Offshore Oil Engineering Co.,Ltd,Tianjin 300451,China)

Podded propulsor attracts much more attention because of its improved thrusting efficiency and maneuvering.In order to further study the maneuvering performance of POD ships,the comparative model tests were carried out for POD and conventional ships.And the test results show that the turning ability and initial turning ability of the POD ship are much better than those of conventional ship,and the course-keeping ability of POD and conventional ships is much the same.In this paper,the maneuvering performance for POD ships is also analysed and these researches are very valuable for maneuvering the POD ships.

POD ships;maneuvering performance;comparison

U661.33

A

1007-7294（2011）05-0463-05

2011-03-15基金项目：国家重大科技专项“深水铺管起重船及配套工程技术”课题经费资助（2008ZX05027-002）

刘洪梅（1980-），女，中国船舶科学研究中心工程师，主要从事船舶航行性能研究；

许文兵（1976-），男，中国海洋石油总公司高级工程师。