某平台供应船CPP舵桨装置应用

摘    要：CPP舵桨是一种新型的可调螺距螺旋桨的Z型传动装置，螺旋桨的推力方向可在水平面内任意改变，且可实现其推力大小与其方向合理配合，改进了船舶传统推进装置结构形式，大幅提升了船舶的操纵性和灵活性，适用性强，市场应用前景广。文章以某57m海上平台供应船的轴系布置与设计为例，阐述CPP全回转舵桨推进装置的结构特点、性能，以及其在海上平台的应用，并根据船舶布置要求对轴系布置进行优化设计，满足了海上平台供应船对机动性及操纵性的要求。

关键词：海上平台供应船；CPP全回转舵桨；轴系设计与布置

中图分类号：U664                                   文献标识码：A

CPP Rudder Propeller Device Arrangement of a Platform Supply Vessel

LV Haiyan

（ Guangzhou Shunhai Shipyards Co.， Ltd.，  Guangzhou 511440 ）

Abstract： CPP Azimuth rudder propeller is a new Z-type transmission device with controllable pitch propeller （CPP）. All thrust of CPP propeller can act in any direction， so as to obtain the best match of propulsion direction and thrust， thus completely changing the traditional ship propulsion mode， greatly improving the maneuverability and mobility of ships， and having stronger applicability and better market. This article presents the shafting layout and design of a 57 m offshore platform supply ship ， and structural  characteristics & performance of its CPP Azimuth rudder propeller propulsion as well as its application in offshore platforms， and optimizes the shafting layout according to the ships requirements， which is satisfied with the requirements of maneuverability and manipulation of this type of ships.

Key words： offshore platform supply ship;  CPP azimuth rudder propeller;  shafting design and layout

1     前言

海上平臺供应船通常用于海上石油平台服务，其往往具有物资供应、海上救助和巡逻、拖带、对其它船进行消防灭火、运送人员等功能。其中供应物资主要包括常规燃油、钻井水、淡水及水泥、重油、易燃易爆的LNG等。船舶的传统推进方式是主机通过高弹联轴节、齿轮箱、中间轴和尾轴驱动螺旋桨，并通过齿轮箱离合器的正、倒车换向，实现船舶前进或后退功能，并在螺旋桨后方配置独立的舵叶，以控制船舶航向。传统推进方式操纵性较差，而CPP舵桨推进装置具有较好的操纵性和推进效率，在振动、噪音及空泡等方面也表现出优越的性能，特别适合海上平台供应船。

2    平台供应船概况

某57 m海上平台供应船， 主要为中东地区海洋平台供应燃油、淡水、救生、对其它船消防灭火、吊装等功能的船舶，同时具有DP2船舶动力定位系统。全船为钢质、双柴油机双CPP舵桨、首部布置2个首侧推。 机舱位于船舯，舵桨舱位于船艉，艏侧推舱位于船艏。

该船满足《BV钢质船舶入级规范》要求，其船级符号为： I+Hull+Mach，Offshore Supply Vessel + DP AM/AT R， In Water Survey，FFSⅠ-water spraying。

主要技术参数为总长57 m、型宽14.0 m、型深5.0 m、吃水3.8 m、设计航速12 kn、配员50人。

该船设主机2 台，额定功率1566 kW 、额定转速 1600 r/min；2套CPP全回转舵桨及3台柴油机发电机组。两台主机分别布置在机舱尾部左右舷，主机组曲轴中心线距船舯3.5 m。主机通过高弹连接齿轮箱，齿轮箱带离合器，齿轮箱输出轴通过中间轴带动舵桨装置工作。在中间轴上设有万向联轴器以减少对中误差。另外，每台主机通过齿轮箱的PTO轴带动轴带发电机为首侧推提供动能。主机调速、离合、舵桨回转等通过位于驾驶室的遥控操纵台进行操纵。

3    CPP舵桨工作原理与构成

3.1   CPP舵桨推进装置工作原理

CPP全回转舵桨推进装置的轴线布置成Z型，推进主机通过高弹性联轴节、离合器、万向轴1、中间轴、万向轴2，万向轴2，将主机发出的动力传递给舵装装置上部直角齿轮的竖轴，竖轴再将输出功率传递至下部直角齿轮的横轴，横轴再传递给可调螺旋桨。此推进装置同时具有船舶推进和船舶转向操控功能，螺旋桨可以围绕舵桨装置的竖轴作360°转动。通过遥控系统使螺旋桨的螺距发生变化来控制其推力；通过电液控制系统操纵下部直角齿轮，使其在水平面内360°无限旋转，让螺旋桨所产生的推力能够作用于所需方向。通过控制程序同时操纵变螺距和推力方向，可实现其合理配合。

3.2   CPP舵桨推进装置的结构

舵桨装置主要由：补偿油箱、液压油箱、液压冷却器、两台液压马达、两台行星齿轮箱、舵角反馈器、螺距反馈器、上下齿轮箱、导流管、调距螺旋桨及中部井箱等组合一体，见图1。

舵桨装置采用井箱式焊接安装方式，自下往上吊入到船体围井基座内。舵桨装置的井箱法兰与船体的围井基座采用焊接方式连接，井箱上焊有加强筋，加强筋外侧与围井基座的内侧焊接连接。该安装方式具有船体开孔较小，与船体连接的结构强度高，抗振能力强优点。

井箱加强筋（留有余量的）的底部根据船体线型切割，然后封上井箱底板（焊接或螺钉安装，根据船体线型确定）。为了保证井箱内的润滑油在水流中循环交换散热，舵桨底板与船体底板之间必须开有足够的间隙（约10 mm），便于海水流动冷却。

舵桨井箱上设有通气接口，舵桨装船后需要接管至船體主甲板上通气并安装透气阀，用于井座内的气体流通。上齿轮箱含一对直角螺旋锥齿轮，用于动力传动；在驱动轴上，设一止动装置，避免舵桨非正常反转。在上齿轮箱的下方装有一个锥形箱体， 锥形箱体与井箱合成一体安装在船体上，支撑整套舵桨装置，箱体内包括转舵套管和转舵机构。在转舵套管内设有动力传动轴，用于连接上、下两对齿轮。转舵结构内部装有直齿轮副，两个液压操舵马达通过行星减速齿轮和主动小齿轮将转舵扭矩传给主操舵齿轮。下齿轮箱外形为流线型，可减小水中的阻力。下齿轮箱安装在转舵管的末端下方，且包含一套直角螺旋锥齿轮，用以驱动桨轴。桨轴由多层水封和油封密封，与其轴套相配合。下齿轮箱与桨毂间有一环形防护槽，用于保护密封层，防止外部异物的侵入和网绳的堵塞。下齿轮箱和导管上设阳极锌块以减缓舵桨腐蚀。

螺旋桨由调距桨桨毂组件和四片桨叶组成。桨毂采用铜合金（ZCuAl8Mn13Fe3Ni2，GJB3341-1998）材料，桨叶采用镍铝青铜材料 （材料牌号Cu3）。调距桨桨毂中装有转动桨叶的四个曲柄盘、滑块和一轴向移动的活塞杆。该型调距桨桨毂设有后置油缸，当压力油进入油缸内前或后腔时，推动活塞杆轴向移动，通过曲柄销和滑块将活塞杆的直线运动转换成桨叶回转运动，从而使桨叶的螺距角发生变化。桨叶下设有密封圈，有效地防止海水进入桨毂内。该型调距桨桨毂具有零件少，结构简单等特点；其导架与活塞相连，伺服活塞直径比较大，降低了工作油压，安全可靠性更高；桨叶密封结构简单可靠，桨毂润滑来自舵桨内的润滑油，将海水污染的可能性降到最低；当船舶电力或电气控制系统出现故障时，液压锁止阀可使螺旋桨桨叶仍然保持在原来螺距上或通过手摇泵改变螺距后保持不变。

舵桨内的螺旋锥齿轮用高强度合金钢（18 CrNiMo 7-6）制造，经硬化处理并刮削精加工而成，精度达6级。螺旋桨轴和其它传动部件为高强度合金钢经调质处理后制成。

3.3   润滑系统

舵桨采用“上齿轮箱淋浴润滑、下齿轮箱油浴润滑”、上下循环润滑相组合的润滑方式，该系统的补偿油箱位于上齿轮箱上方，井箱箱体作为主要的循环油箱。舵桨静止时，上齿轮箱是完全充满润滑油的，油面位于润滑油液位观察窗的上边界。舵桨运转时，润滑油部分被循环至补偿油箱，上齿轮箱液位下降至一定高度，进行淋浴润滑，减少高速旋转时搅油引起的发热。下齿轮浸泡在润滑油中。润滑油通过浸入水中的下齿轮箱以及井箱壳板由海水冷却散热，装在转舵管内中间立轴上的压油螺杆对润滑油进行上下循环，提高冷却效果。

润滑系统主要部件：电动润滑油泵2.2 kW 、转速 1780 r/min，用于高温时加强润滑油循环运行冷却；温度传感器，设定值：80 ℃，用于润滑油高温报警；油位指示器，用于观察润滑油油位；自循环方式压油螺杆，正常时循环润滑油；流量传感器：设定值：5 L/min，用于润滑油流量低报警；双联式过滤器设定值：0.2 MPa，用于润滑油滤器堵塞报警。

3.4   转舵系统

舵桨的全回转功能是通过电控单元和转舵液压系统来实现，带螺旋桨的下齿轮箱可在360°范围向左向右任意回转。井箱法兰上装有一套舵角反馈器，舵角指针以1：1的转速与下齿轮箱同步旋转，转舵速度≤15 s/180°。

每台舵桨装置转舵系统的主要部件：2台变量柱塞泵，液压电动式；2台液压马达; 1台应急转舵手摇泵用于舵失效时恢复零位; 1台冷却器；还设有温度传感器，设定值：65 ℃，用于液压油高温报警；液位传感器用于液压油低位报警；压力继电器，用于液压油高低压报警；过滤器，设定值：0.2 MPa，用于液压油滤器堵塞报警；舵角反馈器，用于舵角指示及信号输出；

3.5   调距系统

可调螺距舵桨的调距系统结构紧凑，船舶在航行过程中，主机的转速和转向无需改变，可通过调节螺距来控制其推力大小和正反方向，大大提高了船舶操纵性和经济性。

螺旋桨螺距的改变是通过桨毂内的液压传动机构驱动桨叶转动角度，实现其螺距控制。船舶的航速可按需操控，实现无级控制。在不同工况时，可实现机-桨完美匹配。

一套舵桨的调距系统的组成部件有：2台电动调距油泵，互为备用、自动切换；桨毂组件；配油器组件，集成在舵桨内部，螺距定位，由液控单向阀组实现，具有回转和旋转两组配油器；温度传感器，设定值：80℃，用于液压油高温报警；液位传感器，用于液压油低位报警；过滤器，设定值：0.2 MPa，用于液压油滤器堵塞报警；螺距反馈器，指示精度±1°，用于螺距指示及信号输出。

4    轴系设计

4.1   轴系布置

根据照船体的线型及结构，螺旋桨轴线对称布置在船舯线两侧，且保证舵桨转动时均会与船舷保持一定的距离；两条轴线与船舯线平行且对称布置[1]。由于主机输出轴线与舵桨装置输入轴线在同一竖直平面内平行但不相交，分别在其两端采用1个万向轴联轴器与中间轴呈”Z”型联接，由于中间轴线太长（约13 m），所以将中间轴分成两段，中间采用1个万向联轴器用法兰连接，消除刚性联接造成的误差，以保护轴系不受到损坏、运行可靠。

为了保证推进装置的推進效率，本船的舵桨推进装置输入轴线和主机轴线在水平方向的倾斜角为0°，中间轴总长度约13 m，由2根5 m的短轴和1个万向联轴节组成，轴的法兰之间用非紧配螺栓联接，每根5米的短轴上设有4个中间轴承支承，FR29舱壁设有隔舱填料函，轴系布置见图2。

4.2   万向联轴器设计原量和对中校正

CPP舵桨推进系统的轴系传动原理就是主动轴和从动轴的角速度相同，其中间轴与主动轴和从动轴的节点倾角相等，即β1=β2，β3=β4，主动轴、中间轴和从动轴中心线在必须位于同一竖直平面内，且布置成Z字型[2]，如图3所示。万向轴对中时需严格按图3及表1数据对中，以保证轴系运转良好。

4.3   轴系计算

本船入级BV船级社，其中间轴直径、螺栓直径、轴联轴器法兰、万向联轴节的强度等轴系按《BV钢质船舶入级规范》的要求计算送审。

5    结束语

采用CPP调距桨舵桨装置，无需改变主机的转速和转向，通过改变螺旋桨的推力方向，结合调节螺距就可以改变船舶的航速和航向，具有优越的操纵性、机动性，近十年来在海洋平台应用十分的广泛，亦常见用于客渡船、供应拖带船、勘探船、海事执法船和LNG运输船等。经试验检测， 该57 m海上平台供应船在60 s内可使船舶由全速前进降速到零航速，特别适于高海况下的海上停靠作业。

参考文献

[1]陈勇.全回转对转桨推进装置轴系设计与布置[J].河南科技，2015（08）.

[2]成大先.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社， 2007.

作者简介：吕海燕（1979- ），女，工程师。现从事船舶轮机专业设计工作。

收稿日期：2022-12-14