大型双艉LNG船舶的双轴系设计

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(沪东中华造船(集团)有限公司，上海 200129)

大型船舶对推进功率、推进效率、安全可靠性都有更高的要求，双艉推进成为大型船舶的优选方案。如超大型LNG船(21万～26万m3级别)，已有43艘建成船舶采用两台6S70ME-C或7S70ME-C主机双轴推进。

大型船舶采用双轴推进的优势明显[1-2]。

1)满足大型船舶高服务航速所需的动力要求。例如集装箱船的设计航速通常在22 kn以上，需要很高的推进功率。采用双轴系设计能有效解决单一推进装置无法满足较大推进功率的限制，并为推进系统设计提供了更多的弹性，以取得最优的螺旋桨转速、直径和螺距，从而最大程度地优化螺旋桨效率[3]。

2)优化螺旋桨效率，提高船舶的推进效率和经济性。大型化船舶的型宽尺寸也会较大，双螺旋桨的设计有利于获得比单艉船型更佳的进流状况，并且在螺旋桨轴和舵与船舶中心线的相对角度布置上有更多的弹性选择，有利于提高推进效率。船模试验数据对比表明，大型高功率船舶采用双艉推进比采用单艉推进往往可以降低5%以上的推进功率[4-5]。

3)提高船舶推进系统的冗余度和航行安全性。双轴系设计使船舶在单侧轴系或动力设备故障时，仍然可以依靠另一侧的轴系以一定的航速保持航行，增强了船舶的航行安全性，为特种危险品或大宗高价值货物的运输提供了保障。

4)提高大型船舶的操纵性。大型船舶由于体型庞大，惯性也较大，进出港口对低速操控有更高的要求。采用双轴系设计既可以用单机运行获得较低的航速，也可以左右机异向操控，提高舵效，从而获得更为稳定和灵活的低速操纵性，可以有效解决大型船舶操纵性难题。

1 双轴系设计面临的难点和挑战

以一艘采用2台6S70ME-C低速机推进的大型LNG船舶为例，围绕大型高功率推进的双艉船型的轴系设计难点和应对方法展开探讨。

1.1 特殊的双艉线性对轴系拆装带来的限制

单艉船舶艉部空间相对较宽松，而且线性及结构一般为规则的竖直分布，轴系拆装比较容易，见图1。

图1 典型单艉结构示意

双艉船舶艉部空间比单艉窄小很多，且线性和结构呈非竖直的倾斜分布，给需要竖直起吊拆装的轴系布置带来了困难，见图2。

图2 典型双艉结构示意

1.2 特殊的双艉桨内、外非对称流场对轴系对中设计的挑战

双轴推进与单轴推进相比有着本质上的不同：单轴推进船的艉部桨两侧流场基本均匀对称分布，见图3。

图3 典型单艉流场分布示意

而双轴推进船的艉部流场因双桨的相互干扰影响，桨内、外侧的流场是不对称的，见图4，这种不对称的流场使轴系受力异常复杂，对轴系设计提出了新的挑战。

图4 典型双艉流场分布示意(右舷)

通过该型船的CFD动载荷分析，发现双艉船型上由于受非对称流场的影响，轴系上所受到的水平方向弯矩Mz远远超出单艉船型，甚至可以达到40%的垂向方向弯矩MY，见图5。

图5 螺旋桨负荷坐标系

这种水平与垂向弯矩的交叉叠加使轴系运行时轨迹飘忽不定，给对中设计带来了很大的挑战。

2 双轴系设计方法

针对上述难点，在该型船的双轴系设计过程中采用船艉部有限元模型变形分析，螺旋桨的水动力学分析，以及多种轴系专业分析软件的综合应用手段，通过融入螺旋桨的动载荷模拟分析、船体静/动态变形模拟分析、艉管轴承润滑接触模拟分析等全面的数字化仿真手段，研判轴系运转动态，完成轴系对中、轴系纵向振动、回旋振动、扭转振动等分析，形成可以全面覆盖各种极端恶劣工况下安全推进的双轴系推进方案。

2.1 双艉线型、结构与轴系布置相协同

针对双艉线型特点，总体、结构和轮机等专业设计人员在完成艉部船体设计过程中紧密配合，从各专业角度进行调整，使线型、结构与轴系布置相融洽，使得轴线上方拆装通道畅通，形成合理方案。

2.2 开展综合性的对中分析论证

该型船在轴系设计中，需要进行系统全面的轴系对中分析，包括干坞、轻船、压载和满载的静态分析，以及全速直行和大舵角转弯的动态分析等共12个典型工况分析。在对中设计中通过考虑船体变形，对轴承实船运行的实际位置进行精准定位；通过螺旋桨动态负荷分析，推断轴系动态运行时将所受的各种载荷及弯矩，对轴线轨迹进行预判；通过艉管轴承润滑接触分析，对轴承型线与轴线轨迹的耦合、匹配进行安全评估。通过上述手段的综合应用，不断调整优化轴系对中设计，形成与轴系实际运转相贴合的可靠方案。

2.2.1 轴系对中模型分析

首先在轴系对中模块中建立轴系和螺旋桨的模型，见图6，作为所有分析的基础和主线。

图6 轴系对中模型

在此基础上，通过在边界条件中融入螺旋桨受力计算、船体的变形计算和轴承接触分析等预报参数，不断逼近船舶运行时轴系真实的运行状态，并对各个工况进行分析、比对、校核和调整，以得到优化的对中设计方案。

2.2.2 船体变形模拟分析

建立全船有限元模型见图7，计算得到船舶在不同吃水和不同装载工况时船体结构受力变形的数值，从而推断在不同工况下，各个轴承中心在垂直方向和水平方向可能出现的偏移。

图7 有限元模型

对大型船舶而言，船体结构变形量的影响比中小型船舶更加明显。在对中模型中，建立船体变形的边界条件进而分析轴承位置的偏移是十分必要的，见图8，也是使轴承定位及型线设计与轴系轨迹线能充分匹配、耦合的重要方面。

图8 船体变形引起的轴承位置偏移

2.2.3 螺旋桨受力分析

由于双艉船舶的艉部流场对螺旋桨呈现非对称的特性，需要通过螺旋桨3D建模，并借助CFD手段进行螺旋桨在该种特定流场下的水动力学分析，通过模拟计算得到在满载/压载工况下，船舶在设计航速下直行和左、右35°大舵角转弯时螺旋桨受力及弯矩情况，见图9，以便对轴系实际受力状况和可能的轨迹线进行预判。

由艉部流场模拟图(见图10)和螺旋桨受力分析发现：该船在以设计航速向左、右进行大角度转弯时，双桨内、外侧的进流流速差异极大，导致外侧螺旋桨受到的水平弯矩变化很大，该水平与垂向弯矩叠加将使轴系的运行轨迹非常难以确定，并使前轴承有上端受力的倾向，是轴系运行中最危险的工况，也是对中设计中最棘手的问题。

图9 螺旋桨水动力负荷示意

图10 双艉船大角度转弯时艉部流场模拟

2.2.4 艉管轴承接触模拟分析

艉管轴承接触模拟分析的主要作用是通过CFD手段对轴承型线在轴系动态运行的轨迹状况下进行艉管轴承压力及间隙分布的模拟分析，从而对轴承最小间隙进行预报，以评估轴承型线与轴系动态运行时的耦合匹配性，以确保船舶在最为恶劣的工况下，艉管轴承仍然能够建立理想的润滑油膜，防止干运转。

在完成各个子模块的分析后，再将每个分析结果输入到轴系对中软件中，确定最终的对中方案,见图11。

图11 轴系对中示意

3 解决方案

经过对艉管轴承模型的反复调整再计算过程，最终确定以采取特殊的艉管轴承双斜坡设计应对水平弯矩与垂向弯矩复合影响产生的对中难题。具有如下优点。

该双斜坡的艉管轴承能够有效满足各个工况的负荷要求。艉管轴承的第一道斜坡主要是解决船舶在设计航速直行时轴系负荷的优化分配；而第二道斜坡则是针对轴系在最为恶劣工况下运转情况设计的，经过反复思考、计算论证，最终舍弃向下单一方向斜坡的传统设计，而是采用了特殊的圆锥形设计，见图12。

图12 艉管后轴承的双斜坡设计

这样可实现对轴系在动态运行时轴承型线与轴系各种可能的轨迹线更佳的匹配、耦合，避免极端工况下因油膜间隙过小产生干运转而引起的轴系高温及损坏，保证船舶全天候可靠运行。

4 结束语

当前，大型船舶的双轴系设计在国内较少应用，但随着船舶大型化的发展趋势，双轴系设计将会得到更多的应用。双轴系设计需要重点克服船舶航行时桨内、外侧非对称流场引起的附加水平弯矩的难题。在轴系设计中，综合采用各种CFD技术，对动态工况进行预报，使轴承型线设计更加贴合轴系运行的轨迹线，进而获得大型高功率船舶安全航行的优化设计，是解决设计难题的有效方法。

[1] 朱永凯，时光志，汪伟奎，等.国内3万m3LNG运输船开发研究[J].船海工程，2014，43(2)：71-73.

[2] 夏华波，杨学利，朱永凯，等.3万m3LNG船结构设计[J〗.船海工程，2014，43(4)：9-14.

[3] 李 源.大型LNG船设计演变轨迹[J]. 中国船检，2012(5)：58-62.

[4] 宋吉卫，陈红梅.大型液化气船线性设计若干问题研究[J].上海造船，2011(4)：1-3.

[5] 段 斌，邓 恺，宋 炜，等.大型集装箱船能效设计指数计算与优化研究[J]. 上海造船，2012(3)：22-30.