大型LNG船双轴系非平行布置设计

宋 炜， 段 斌

(沪东中华造船(集团)有限公司， 上海200129)

0 引 言

在中国为改善环境质量而积极推进“煤改气”战略的背景下，2017年中国超越韩国成为世界第二大LNG进口国，全年进口LNG共计3 789万t。2018年上半年，中国进口LNG总量达2 366.3万t，较2017年同期增长51.3%。2017年7月初，国家发改委印发的《加快推进天然气利用的意见》提出，到2020年，天然气在一次能源消费结构中的占比力争达到10%，地下储气库形成有效工作气量148亿m3。2017年，中国从美国购买了360万t LNG，但是2018年美国向中国的LNG出口逐步下降，尤其是在美国对中国300多种进口商品增收25%的关税后，中国作为回应也提高了美国进口商品的关税，特别是对美国进口LNG增收了10%的关税，此后完全停购。当前中国进口LNG的缺口由澳大利亚、卡塔尔、马来西亚等填补，不过随着北极地区的亚马尔LNG项目陆续投产，俄罗斯将可能成为中国最大的LNG能源贸易伙伴。而对于美国，只能依靠欧盟和印度为多余的LNG买单。此外，随着国际海事组织(IMO)对2020年全球限硫决议的坚决执行，而且决定在2050年将温室气体降低至2008年的50%，航运业压力倍增，势必将在船舶节能环保方面增大投入。因此，无论从未来LNG贸易运输的整体体量，还是从北美到印度的中远贸易航线，以及IMO积极推进节能减排政策来看，船舶所有人与以往相比更加青睐节能型LNG船。

1 双轴系非平行布置设计的技术特点

考虑到船岸兼容、操纵性和灵活性等多方面原因，当前市场主流船型是18万m3LNG船，该尺度船型大多采用双轴桨、双尾鳍设计，该设计不仅满足大型船舶高服务航速所需的动力要求，而且能优化螺旋桨效率，提高船舶的推进效率和经济性，还可以提高船舶推进系统的冗余度、安全性并满足许多港口的吃水限制[1]。

从17.2万m3低速机推进LNG船与17.4万m3电力推进LNG船的平行双轴推进轴系设计评估和实船试验结果反馈来看，我国在大型LNG船的多样化推进系统设计上已积累了丰富的经验并取得了理想的效果。双轴推进船的艉部流场因双桨的相互干扰，桨内侧和外侧的流场是不对称的。受非对称流场的影响，轴系所受到的水平方向弯矩甚至可以达到40%的垂向弯矩，这种水平弯矩与垂向弯矩的交叉叠加使轴系在运行时轨迹飘忽不定，给推进系统设计带来了较大的挑战，但是这些设计难点均已被攻克[2]。虽然这两种船型的推进性能指标与油耗指标达到了国际水平，但随着船型发展和技术进步，与国际领先船型相比，这两型船在推进性能指标以及油耗指标方面存在一定差距，必须对现有船型设计以及设计理念上有所突破，才能开发出达到国际先进水平的LNG船以满足客户对船舶节能降耗更高层次的市场需求。

船型优化从线型设计与推进性能两方面来开展研究：一方面降低船型阻力，另一方面提高推进系统效率，从整体上降低船舶所需推进功率和能耗。在最新开发的17.4万m3双燃料电力推进LNG项目中，LNG船设计团队提出通过采用双轴系非平行布置设计方案来进一步改善双艉鳍周围的艉部流场，提高船舶推进效率，最终在实船项目中成功实施，如图1所示。

图1 双轴系非平行布置图

双轴系非平行布置设计技术的主要应用目的是使艉部伴流场更均匀，并增加螺旋桨盘面处来流。在设计船体线型和尾鳍时，考虑将双轴系设计成与船中线具有一定夹角的倾斜布置，通过与尾鳍的良好配合，提高推进效率。

通过艉部流场CFD计算机模拟分析对比发现：

(1)双轴系非平行布置设计螺旋桨盘面进水较平行轴系更加平滑，尤其在螺旋桨船中侧(右侧)进水得到较大改善，如图2所示，伴流因数达0.4，与先前的0.1左右相比有着可观的量变，表明双轴系非平行布置设计能使螺旋桨进水更加充分。

(2)双轴系非平行布置设计螺旋桨顶部(近船尾底部)伴流因数为0.6左右，较平行轴系设计该处伴流因数0.8相比明显降低。这表明双轴系非平行布置设计从螺旋桨盘面甩出、冲击到的船尾底部的水流流速减弱，能够有效降低船舶尾部结构受到的水流冲击力，进而能够在一定程度上改善船舶尾部以及机舱区域的船体振动。

图2 双轴平行与倾斜布置艉部流场对比

2 双轴系非平行布置设计的技术挑战

双轴系非平行布置设计虽然能够带来推进效率的提升，但在设计和安装上仍有很多技术难点与挑战。

2.1 特殊倾斜设计的齿轮箱基座结构

船舶航行时，螺旋桨巨大的推力(或拉力)通过轴系传递到齿轮箱本体推力轴承上，齿轮箱用数十个螺栓固定在齿轮箱基座上，进而将推力通过齿轮箱基座传递到船体结构上。齿轮箱基座作为螺旋桨推力传递的关键一环，其设计必须重点考虑两个方面：一是齿轮箱基座本身的结构强度须达到设计要求，能够经得住各种工况的考验；二是需要考虑齿轮箱基座结构与机舱双层底结构的有效对接，防止结构钢板错位布置产生额外的剪力，导致基座变形进而危害船舶推进系统安全。

在齿轮箱基座结构设计中，倾斜齿轮箱基座设计的关键点是齿轮箱轴承，尤其是齿轮箱推力轴承附近的结构钢板必须与螺旋桨推力方向相一致，也采用倾斜设计；同时，齿轮箱基座向船尾延伸以方便齿轮箱电动滑油泵的布置和安装；还有为保证推进电机基座能够与齿轮箱基座具有相同的热膨胀和热应力，把齿轮箱基座向船首延伸，与推进电机基座连接成一体。综合上述几个方面的考虑，第一版倾斜齿轮箱基座设计如图3所示。

图3 第一版齿轮箱基座设计图

在齿轮箱基座结构与双层底结构对接时发现，齿轮箱基座下方的纵骨、肋骨都是标准(沿船长和船宽方向)设计，而且还各有一个强纵桁通过，双层底结构设计修改已不可避免。为尽可能减少双层底设计修改，对第一版齿轮箱基座设计进行优化，优化内容是除了齿轮箱推力轴承附近的基座结构必须采用倾斜设计外，其余结构尽可能采用标准设计。为此，在第一版齿轮箱基座设计图基础上，完成第二版图纸的绘制，如图4所示。

图4 第二版齿轮箱基座设计图

为验证齿轮箱基座的结构强度满足设计要求，完成了齿轮箱及其基座、局部双层底结构的有限元计算分析。计算结果显示齿轮箱推力轴承处最大变形约为1.2 mm，基座最大变形仅为0.47 mm，均在设计允许范围内，如图5所示。

图5 齿轮箱基座有限元分析云图

虽然有限元计算分析结果显示齿轮箱基座设计满足设计要求，但是齿轮箱基座艉部结构变形明显较小，结构设计偏强。为此，做进一步优化，缩短齿轮箱基座艉部一档，一方面可以节约钢板材料(65 mm厚钢板)，另一方面减少和降低齿轮箱基座安装周期和难度，节省机舱空间，一举多得。新优化设计经设备厂家校核后得以通过。最终版倾斜齿轮箱基座设计如图6所示。

图6 最终版倾斜齿轮箱基座设计图

2.2 起吊设施的特殊布置

双轴系的倾斜设计使得用于推进轴系、齿轮箱和推进电机起吊的工字梁也必须采用倾斜布置，如图7所示。采用起吊工字梁的倾斜布置比常规平行工字梁布置更具有难度，体现在两个方面：一是倾斜的艉轴抽出难度更大，设计方案更复杂。抽出倾斜的艉轴需先将两号中间轴拆除移开并临时放置，然后才能进一步拆除艉轴，因此整个艉轴抽出流程需要更多的机舱空间，还需要结合管路和电缆实际布置情况，合理设置轴系起吊辅助眼板，这给原本就密集布置的底层甲板带来极大的挑战。二是工字梁的反顶加强结构也随之倾斜布置，该斜向结构跨度大，基本纵跨整个机舱区域，不可避免地使部分结构伸入到结构箱柜中，如双燃料发动机的润滑油循环舱，导致结构箱柜进行设计修改，呈现不规则形状，如图8所示。箱柜设计修改不仅需保证功能性相同，还需兼顾生产施工难度，形成有针对性的应对方案。

图7 工字梁的倾斜布置

图8 主发电机润滑油循环舱的结构图

2.3 机舱底层设备的优化布置

在双轴系非平行布置设计中倾斜角度选取2.4°。

在水池试验中发现，双轴系非倾斜角度在2°～3°时对推进效率贡献最大。但是机舱底层设备众多，尤其是在机舱首部，既有推进系统的齿轮箱和推进电机，又有大量压载泵和冷却海水泵，以及复杂的压载水处理系统等，倾斜角度的选取将会影响底层设备的布置和双层底结构设计。

底层设备布置的首要问题是推进系统设备定位和布置。在双艉鳍线型设计中，在艉鳍区域船体线型收紧且在两鳍中间线型呈抬高趋势，如图9所示，特殊的线型设计对齿轮箱和推进电机最优布置提出较高挑战。考虑到为推进电机转子预留抽出空间，齿轮箱定位应尽可能偏向艉部。经过反复校核齿轮箱布置安装要求和船体线型的干涉，最终确定齿轮箱输出端法兰中心位置。

图9 船体模型的艉部外形图

在双轴系倾斜角度的选取上，重点考虑机舱海水泵及其管路和阀件布置。机舱海水泵数量众多，包括3台2 500 m3/h的压载泵、2台1 800 m3/h的中冷海水泵、6台主发电机冷却海水泵和2台液货系统冷却海水泵等，如图10所示。机舱海水泵原则上尽量集中紧凑布置，海水管路长度尽可能短，阀件布置合理易操作；同时，推进电机抽出空间内不能布置海水泵及其管路和阀件。通过对海水泵布置的专题研究，制定出机舱海水泵紧凑的“一”字集中布置方案。

当确认了齿轮箱定位和机舱海水泵的布置后，经过计算和校核，最终确定双轴系非平行角度为2.4°的关键设计参数。

图10 底层机舱布置图

2.4 轴舵系的匹配安装

采用双轴系非平行布置设计，而且双舵系还为全悬挂舵设计，大幅提高了对船舶建造精度和工艺的要求。全悬挂舵设计是指舵叶整体全部悬挂于船体下面，无下支撑，性能较好。全悬挂舵系在安装时，没有镗孔或者浇注环氧的中间步骤，这也意味着一旦分段搭载结束，舵系位置就完全固定下来，不能有任何调整，而轴系采用非平行布置设计，同样的误差在倾斜轴系上会放大，安装精度必须严格控制。因此，如何实现轴舵系的匹配，对船体搭载精度及后续轴舵系照光镗孔工艺提出了较高的要求。

面对新型轴舵系匹配安装问题，结合现场实际情况，认为必须保证轴系和舵系中心线的偏差值以确保船舶性能及舵效，在舵系无法镗孔调整的情况下，仅靠轴系镗孔调整远远不够。因此，必须严格控制轴舵系关键分段的制作、总装和搭载精度。最终总结出一套双轴系非平行配合全悬挂舵的安装工艺以及搭载精度控制方法。经过实船验证，该工艺很好地解决了新型双轴系非平行—双悬挂舵的匹配安装问题，取得理想效果。

3 试航验证

在推进系统各设备及轴舵系安装完毕后进行试航验证。在常规试航中，安排长达24 h的耐久试验，包括8 h双桨运行模式和左右推进链各8 h单桨运行模式。图11所示的是在中央集成控制系统中推进系统状态监控显示页面。单桨运行模式只使用一侧的推进链，将另一侧的推进轴系锁止，能够使LNG船即便在单桨运行模式下也具有良好的操控性能，能够保障大型LNG船在单条推进链故障情况下保持自航能力的要求，这也是LNG船双轴桨推进系统具有高冗余性特点的体现。

图11 推进系统状态监控显示图

在试航开始后，为保证齿轮箱的工作状态，首先进行约10h的齿轮箱磨合试验。在此过程中，切勿[][]在船舶高速段进行大舵角转弯，时时监控齿轮箱轴承的润滑油温度、压力和振动幅度，一旦发现超出设计范围，需要立刻停车检查。在齿轮箱磨合试验后，完成对齿轮啮合状态的取样和确认，确认无误后进行推进轴系的轴承磨合试验。在推进轴系轴承磨合试验过程中需密切关注艉管轴承温度。倾斜布置的艉轴采用了特殊的双斜坡设计以应对非平行布置的双轴系设计中水平弯矩与垂向弯矩耦合后复杂而又难以预判的轴系轨迹，从而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和损坏，实现船舶全天候的安全可靠运行。为此，在艉轴承中安装了固定式的轴系在线监测系统，能够时时掌握推进系统轴承工作状态。

最终，通过实船试航，证明了非平行布置双轴系推进系统的可靠性，同时也确认了双轴系非平行布置设计达到预想的节能指标。

4 结 论

以一型17.4万m3电力推进LNG船为研究载体，开展大型LNG船双轴系非平行布置的设计研究，设计经验和结论总结如下：

(1) 在双轴系非平行布置设计中，螺旋桨盘面进水较平行轴系更加平滑和充分，从螺旋桨盘面甩出、冲击到的船尾底部的水流流速减弱，能够降低船舶尾部结构受到的水流冲击力。

(2) 与常规双轴系平行布置设计相比，采用倾斜轴系设计会导致齿轮箱基座结构、轴系和设备起吊设施的布置、机舱底层设备布置等设计更为复杂，需进行特殊考虑。

(3) 通过对机舱底层设备的紧凑化布置，尤其是机舱海水泵的“一”字集中布置和推进电机转子抽出空间的预留，确定推进轴系倾斜角度选取2.4°的技术方案。

(4) 通过实船试航中的不同负荷和工况的试验，包括双桨推进和单桨推进模式，验证了双轴系非平行布置设计的安全性和可靠性。