中国首批大型LNG船振动问题及解决方案研究

朱哲仁，袁红良

（1. 中国液化天然气运输（控股）有限公司，香港特别行政区 999077）2. 沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

中国首批大型LNG船振动问题及解决方案研究

朱哲仁1，袁红良2

（1. 中国液化天然气运输（控股）有限公司，香港特别行政区 999077）2. 沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

阐述我国首批大型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船（1.47×105m3）艉部局部振动问题产生的原因及解决方案。通过在船体机舱线型区域加装涡流发生器等附加装置，改善流经螺旋桨的流场并降低螺旋桨激振力，从而大幅度改善艉部的局部振动。对于新造船的振动问题，选择正确的研究方案是成功解决问题的第一步，但受时间、成本等客观条件的限制，在研究技术方案时可供选择的手段往往不多，采用水下摄像观测、传感器信息采集和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）模拟分析等技术手段可大幅提高方案制订的效率和准确性。通过剖析 LNG船安装、优化涡流发生器解决振动问题的案例，为相关问题及其解决方案的研究提供可借鉴的方法和经验。

大型液化天然气船；振动；计算流体力学分析；涡流发生器

0 引 言

据了解，采用传统蒸汽轮机推进的大型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船均不同程度地会经历振动的产生并解决此问题的过程。受限于不同时期的技术手段，各有关船厂及船东在处理该问题时采用的方法和手段有所不同，达到的最终效果也存在一定差异。

由我国船厂建造的首批大型LNG船共6艘，采用4叶单桨、双燃料主锅炉+蒸汽轮机的推进系统，采用4个货舱、贯通主甲板、下沉式艉部带缆甲板及分体式桥楼机舱棚等典型的薄膜型LNG船布局设计。在新造船项目的船舶设计阶段，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法预测流场和振动的技术尚不成熟，水池试验仍是船厂和船东验证艉部流场状况的主要手段。

首批LNG船水池试验的结果显示，在船舶高速区段（对应最大持续功率MCR的转速）出现明显的不平衡流场和低压空泡区。分析结果表明，一阶振频、二阶振频和三阶振频不同程度地在艉部及机舱棚区域产生响应，蒸汽轮机主冷却器排出的冷却水也一定程度地加剧艉部流场的不均匀性和不稳定性，从而使振动更甚。借鉴国际上主要LNG船建造厂的经验，有观点认为大型单机单桨LNG船因有特定的船体线型、特定的船速（19.5kn）和特定的推进系统（蒸汽机系统冷却水量较大）等因素存在，振动问题几乎不可避免，只是振动程度有所不同。

根据ISO 6954（1984）标准，船舶生活区128Hz频率内的最大振幅应<4mm/s，对于机械处所和甲板区域，若振幅>9mm/s，则可认定为不可接受。尽管该首制船安装有船舶设计方推荐的涡流发生器（Vortex Generator，VG），但海试结果表明，艉部舵机间、艉部带缆甲板及直升机平台等区域的振动依然偏大。振动现象出现在主机MCR对应的最大设计转速附近，连续建造的1~5号船的情况基本上一致。由于振动问题仅发生在螺旋桨最高转速区段，船舶日常营运过程中基本上可避开该转速，因此相关问题并没有影响船舶的正常营运。

1 首制船减振方案及效果评估

1.1 方案研究及选择

船厂、船东和船舶设计方研究出各种可供选择的减振方案，包括：优化船体线型；改变船体结构和选择合适的螺旋桨叶数避免发生共振；安装船体附加装置改善艉部流场；改变主冷凝器吸排水口的位置，使其影响降到最小；安装船体脉冲削减装置（Anti-PHV）减小激振力；安装被动振动平衡装置等。经过分析，最终选择安装船体附加装置VG（见图1），并在此基础上加装Anti-PHV（见图2）。安装VG的目标是改善艉部流场、减小激振力，从而达到改善振动的目的，是主要的减振手段；安装Anti-PHV可提高螺旋桨上部船体的强度，并有助于将一个大的脉冲“粉碎”成多个小的脉冲，可部分“化解”激振力，但其作用有限，本文不展开讨论。

船舶设计方给出安装VG和不安装VG的CFD计算预测。预测结果表明，安装VG后振动有所减小。以1倍叶频（5.5Hz）垂向振动为例，安装VG后艉部带缆甲板的振幅从24mm/s降低到12.4mm/s，舵机间的振幅从9.6mm/s降低到7.6mm/s。2倍叶频振动不同区域的情况也有不同程度的改善。简言之，该CFD计算预测给出安装VG可改善艉部流场、减小振动的结论。

1.2 首次安装VG效果评估

首制船在出坞前安装VG，实船测试结果并不理想，有关各方对CFD计算预测的准确性及VG方案的有效性产生怀疑。经研究决定，2号船出坞前不安装 VG，并将其船海试振动测量结果与首制船相比较，以确定VG的有效性。对比结果显示，以艉部带缆甲板和舵机间2个测量点为例，首制船和2号船1倍叶频振幅分别为19.6mm/s与17.9mm/s，9.6mm/s与9.7mm/s，2船的振动数据没有本质差别。

从前2艘船安装VG和不安装VG的振动测量结果中可得出以下结论：

1) 姊妹船振动模型的相似度很高，振动形式差异不大；

2) 振动偏高的情况仅出现在MCR对应的高转速区，且仅发生在艉部的舵机间、带缆平台和直升机平台上下一线，振动问题对船舶营运的影响基本上可控；

3) 首制船安装VG改善艉部振动的效果不理想，但安装VG后全船的总体振动有所改善，在没有更好的方案之前各船继续采用该方案。

2 方案的再研究及应用实效

2.1 6号船振动问题解决方案研究

前5艘LNG船为连续建造的姊妹船，交船时间间隔较短，没有足够的时间窗口来研究、制订行之有效的解决方案，振动问题成为其建造上的一个缺憾。6号船的建造为该系列船振动问题的解决提供了契机，其与前5艘船之间较长的交船间隔期为该问题的解决提供了可能，且已投入运营的各船为该问题的解决提供了较为直观的研究平台。为彻底解决振动问题，指定英国劳氏船级社下属的ODS公司参与系列LNG船振动问题解决方案的研究，初步确定的研究方向包括改善艉部流场、优化螺旋桨和修改船体线型。

1) 改善艉部流场。

不改变船体线型，以改善艉部流场为目的，包括改善VG的安装位置及形状、改变主冷凝器冷却水排水口位置和加喷压缩空气等。

2) 优化螺旋桨。

研究结果表明，艉部结构在螺旋桨转速为79 r/m in（设计最高转速为83 r/m in）时产生共振，如采用5叶桨，共振区域将移到60 r/min附近，预计可使高速区段的振动有所改善，但要考虑新的共振频率下振动模式的不确定性。此外，系列船更换螺旋桨成本较高也是需要考虑的因素之一。

3) 修改船体线型。

从设计新线型、水池试验到最终确定线型，修改设计的工作量大，在6号船上推进的时间也非常紧迫。此外，即使改变线型会取得满意效果，也仅是6号船的成功，解决不了包括前5艘船在内的系列LNG船的振动问题，故不作为主要研究方向。

综合考虑各方面因素，选择改善艉部流场的研究方向并将关注点集中到优化VG和更深入地进行CFD分析预测上。

2.2 实船水下测量

在确定研究方向之后，相关工作相继展开，主要包括：

1) 考虑6号船取消直升机平台的情况，对船体进行建模，做有限元振动预测分析（FEA）；

2) 在运营船上进行详细的振动测量，验证有限元分析结果和建模的准确性；

3) 在螺旋桨上方的船体上安装压力传感器，采集并记录艉部流场脉冲压力数据，安装水下镜头对螺旋桨区域的空泡情况进行观测和摄像，确定激振力产生的直接原因，掌握第一手数据；4) 利用CFD手段对不同的VG方案进行对比测算，遴选出最佳的VG设计方案；5) 进行水池试验并最终确定解决方案。

实船测试时发现，存在2个与叶频一致的强脉冲持续作用在船体上，说明螺旋桨产生较大的激振脉冲（见图3）。与此同步的水下空泡摄像也证实了螺旋桨叶面和端部出现空泡及空泡爆裂对船体带来的强烈冲击。FEA预测结果显示，船体结构振动响应的范围较大，很多局部结构是3倍或4倍叶频共振，全面改变船体结构是不切实际的，而更换螺旋桨方案的结果存在不确定性，同时也坚定6号船解决振动问题的技术方案倾向于改善流场、减少空泡及降低激振强度，以有效降低谐振振幅。

2.3 方案对比及选择

综合分析实船测试及其他方面的研究结果，确定利用 CFD模拟分析在不同形状、位置和角度下改善流场的效果，对比选择最佳方案。

利用CFD模拟分析的结果显示，不同位置、不同角度的VG对艉部流场的影响大不相同。ODS公司从9个方案中筛选出的推荐方案为：采用原VG外形尺度设计，将原安装在左侧船体主冷凝器排水口前的VG移至船体后下方某位置。CFD模拟VG处于2个不同位置时的艉部流场（见图4和图5）。

方案编号 比例 螺旋桨 涡流发生器冷却水出口涡流发生器设计方案方案编号 比例 螺旋桨 涡流发生器冷却水出口涡流发生器设计方案23 实船 是 是 是 原始设计方案 24 实船 是 是 是 推荐方案

采用CFD模拟计算的结果显示，采用新VG方案后螺旋桨空泡大幅减少，空泡产生的船体脉冲压力峰谷差大幅降低（见图6和图7）。水池试验进一步验证了新VG方案对改善艉部流场的效果。最终确定新VG方案为6号船振动问题的解决方案。

2.4 方案应用实效及推广

6号船的海试取得圆满成功，振动测量报告显示，在MCR工况下，振动最大的艉部带缆甲板振动测量点上的振幅峰值降低到4.3mm/s，全船其他振动测量点上的振幅峰值较前5艘船也普遍大幅度降低，乘员舒适度大幅提高，新方案取得满意效果。6号船典型位置的海试振动测量数据见表1。

表1 6号船典型位置的海试振动测量数据

在6号船上取得满意的效果后，船东与船厂和船级社商讨决定：在1~5号船上推广实施6号船的振动问题解决方案。以最先进坞修改的3号船为例，在按新方案制作、定位和安装VG之后，船东邀请专业机构在试航条件下按照试航大纲重新进行振动测量。测量结果显示，新方案实施后3号船的振动大幅度减小，与6号船交船前海试的振动数据十分接近，新方案在其他姊妹船上也取得了成功。3号船安装新VG前后振动测量数据对比见表2。

表2 3号船安装新VG前后振动测量数据对比

与预期相同，该方案在6号船的姊妹船中具有普遍的适用性，各船取得的效果一致，系列LNG船振动问题得到圆满解决。各船换装新VG都是在例行坞修时进行的，未对船舶营运造成任何影响。此外，作为坞修项目之一，实施该方案的工作量小、费用低，经济效益突出。

3 结 语

在首次建造大型LNG船时，振动问题是需解决的技术难题之一，受技术条件限制，国际上不同LNG船建造厂采用的解决方法各有不同，效果也各异，我国首批大型LNG船在解决该问题上走出了一条经济性好、效果佳的新路。

随着CFD建模计算技术日臻成熟，CFD建模计算已成为船舶流场预测计算的一个可靠手段，可大幅提高水池试验的效率和准确性。首批传统大型LNG船振动问题的解决得益于CFD建模计算方法的成功运用，相信CFD方法会在新船型开发领域发挥越来越大的作用，应用前景也会越来越广阔。

水池试验及实船油耗试验结果均证明，新VG的使用在解决系列LNG船振动问题的同时，也使船舶螺旋桨的推进效率有所提高，相应地降低了船舶油耗。在该案例中，安装VG在解决振动问题的同时，也起到了船舶节能降耗的作用。根据船桨配合情况，设计合适的VG可有效提高船舶螺旋桨的效率、降低油耗，该领域值得持续关注和深入研究。

[1] GAN Xilin，WANG Suoqian，LIU Peng. Report on local vibration test on board the LNG carrier “Dapeng Sun”[R]. China Ship Scientific Research Center, 2007.

[2] GAN Xilin. Report on local vibration test on board the LNG carrier “Dapeng Moon”[R]. China Ship Scientific Research Center, 2008.

[3] LIN DELL P. Hudong-Zhonghua large LNG carrier hydrodynam ic model tests w ith a new vortex generator configuration[R]. SSPA, 2010.

[4] CHAN D, BARW ICK R, CUNNINGHAM K. Hudong LNGC No.6 vibration assessment[R]. SSPA, 2010.

[5] GUO Lei. Report on local vibration test on board the LNG carrier “Shen Hai”[R]. China Ship Scientific Research Center, 2012.

[6] 郭列，甘锡林，朱胜昌. LNG船振动计算分析[C]. 中国船舶重工集团公司第七〇二研究所，2010.

[7] 王金宝，于海，张越峰，等. CFD技术在确定肥大船舶形状因子中的应用研究[J]. 船舶与海洋工程，2013 (4): 1-5.

[8] 潘溜溜，张伟，徐智言，等. VLCC翼桥振动分析及相关技术研究[J]. 船舶与海洋工程，2013 (4): 21-26.

[9] 王辉辉，王秀兰，江克进. 大型液化气船振动计算分析[J]. 船舶与海洋工程，2014 (4): 1-7.

[10] 沈泓萃，姚震球，吴宝山，等. 船舶CFD模拟不确定度分析与评估新方法研究[J]. 船舶力学，2010, 14 (10): 1071-1083.

Study on the Vibration and Solutions of China¢s First Series of LNG Carriers

ZHU Zhe-ren1，YUAN Hong-liang2
（1. China LNG Shipping (Holdings) Ltd, Hong Kong SAR. 999077, China；
2. Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

This paper elaborates the reason behind the local vibration of stern and its solutions for China’s first series of large Liquefied Natural Gas (LNG) carriers (1.47×105m3). Hull appendages (such as the vortex generator) around the engine region are installed to improve the flow passing the propeller and to reduce the propeller exciting forces. Thus, the local vibration at stern is significantly reduced. To solve the vibration problem of new buildings, selection of a correct research plan is the first step, but there are not many options available due to the limitations of time, cost and other conditions. However, the efficiency and correctness of the plan can be effectively improved w ith underwater imagery, sensor information collection and the simulations based on Computational Fluid Dynamics (CFD). The analysis on the vibration solution for installing and optim izing the vortex generators on LNG carriers would provide references and experience for the solutions of the similar problem.

large LNG carrier; vibration; CFD analysis; vortex generator

U661.44；U674.133.3

A

2095-4069 (2017) 03-0040-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.009

2016-04-15

朱哲仁，男，轮机长，1967年生。现从事液化天然气（LNG）运输船项目开发相关工作。