中大型客滾船的線型與推進系統研究

張敏健

（上海船舶研究設計院,上海 200032）

0 前言

絕大多數貨船的推進系統是由一臺柴油機（間或加減速齒輪箱）加一只螺旋槳組成。單槳船吃水深，阻力低，尾部具有良好的伴流場和較高的船身效率，且一般對貨船的操縱性要求不是很高，因而這是一種最經濟有效的推進方式。但是，對于客滾渡船，通常船速更快，主機功率更大，因而螺旋槳上的負荷變得很高，而吃水和槳徑又受到限制，這就要求設雙槳來分擔負荷。同時，船舶航行的安全性和港口內的快速操縱性也要求客滾渡船設置雙機、雙槳和雙舵。

隨著動力系統和推進系統技術上取得不斷突破與進步，針對中大型客滾渡船，一些新的推進理論與方式被提出來。隨著吊艙式推進技術（Pod）和翼式推進（Wing Thrust）技術的不斷完善，新的推進系統技術走向成熟，對傳統推進模式的革新時代已經到來。

本文前半部分介紹傳統的客滾渡船的線型設計理念和推進方式，并結合筆者的實際設計經歷，談談體會。后半部分主要介紹當今國際上最新的推進系統理念，包括：

·吊艙式相對反轉推進器（Podded CRP）；

·吊艙式翼式推進器（Wing Pods）和翼式推進器（Wing Thrust）。

1 傳統設計

1.1 船舶線型

現代雙機、雙槳、雙舵客滾渡船的線型設計多采用人字架尾軸、縱流型尾部，這一形式比另一種主流形式——雙尾鰭線型更加普遍。

縱流型尾部主船體阻力低，較小尾部伴流峰值使螺旋槳產生的噪聲和脈動壓力減小，改善了旅客和船員在船上的生活環境，因而被廣泛應用于客船和客滾渡船。但在設計時，設計師應注意對人字架等附體設計方案的把握。因為當船高速航行時，由人字架、尾軸等附體產生的附加阻力有大幅度增加的可能。另外，過長的尾軸會對船廠的尾軸加工、安裝、使用中的維護保養帶來困難，對尾軸架支撐軸承的結構可靠性也會產生影響，如圖1所示。

由于濕表面面積的增加（大約5%～8%），雙尾鰭線型導致摩擦阻力的增加，試驗證明，雖然尾鰭后部伴流分數的顯著增加，大大地提高了船舶的船身效率，克服了船舶阻力的額外增加，但同時也帶來了螺旋槳產生的噪聲和脈動壓力增加的危險。復雜的線型和狹小的空間，給機艙布置和船廠的建造、施工帶來不便，增加了建造成本，如圖2所示。

雙槳船的回轉性能本無太大問題。值得注意的是，當采用雙尾鰭線型、內旋定距槳時，轉船力矩較外旋槳要小，特別是在左右槳一正一倒運行時，轉船力距極小，因受初始條件的影響，船舶在轉向的初始階段，甚至會出現與預計相反方向的回轉，存在著嚴重的不安全因素。當然，如采用外旋槳，或內旋可調槳，這一問題將不復存在。

1.2 船舶推進系統

1.2.1 機械推進

中大型客滾渡船常用的推進系統是由2臺或4臺中速柴油機、減速齒輪箱、2只可調式螺旋槳組成。這是一種就技術方面而言簡單、安全、可靠，并且初投資較低的推進方式，因而被船東和設計師廣泛采用。但是，這種推進方式的機械系統和軸系系統存在明顯的缺陷。當船舶頻繁以低速航行或進出港時，主機時常處于低負荷運行，并不是主機的最佳和最經濟的工作狀態。另外，一般設計師將螺旋槳的設計點定在其滿負荷狀態，此時螺旋槳處于最佳工作狀態，而處于低速運行下的可調式螺旋槳，為保證軸發在船舶航行時的正常使用，主機的轉速恒定不變，可調槳的轉速也恒定不變，低負荷高轉速的螺旋槳，其壓力面容易產生空泡，導致其激振力水平和推進性能的惡化，盡管可通過調整螺距來改善這一情況，但受螺距調整范圍的限制，效果有限。因此，設計師在設計槳葉，應充分注意船舶在高、中和低速航行中的時間分配，兼顧兩頭，達到效率、空泡和激振力水平基本平衡。

雖然雙舵、雙槳為船舶提供了很好的操縱性和回轉性，但對于大多數經常進出于港口的客滾船，由舵產生的側推力仍顯不足，需另配置首、尾橫向側推，增加了投資成本。

1.2.2 柴油機－電力推進

與機械推進方式相比，柴油機－電力推進方式有其顯著的優點。發電機組體積較小，布置容易，從而有效地擴大了貨艙艙容。有的國外設計甚至將發電機組設于B/5雙殼內，不但大大地增加了車輛艙的長度，而且使上下車通道更加便捷有效。這對于采用機械推進方式的機艙，布置上很難做到。

選取一臺合適的電力推進器，可使船舶在各種工況，柴油機都處于最佳和最經濟的工作狀態，有效地降低了燃油消耗。另外，機組還能靈活地滿足船上不同的需求，從而減少了船舶動力的整體配置。電力推進器還具有良好的力矩特性，能適應于廣泛的速度范圍，并能配置以定距槳，這就降低了螺旋槳壓力面產生氣化的風險。

當前，阻礙柴油機-電力推進系統廣泛使用的主要障礙是初始投資過高，尤其是電力推進系統部分（包括變頻器、變壓器和馬達等）。此外，能量轉換時，過高損耗和較重的電力推進系統設備也是柴油機-電力推進系統的主要缺陷。

1.2.3 吊艙式推進系統

柴油機-電力推進器的另一優點是使電動吊艙式推進系統的使用成為可能。配置了雙吊艙式推進系統的船舶性能上有著諸多優勢，如改進了水動力特性，良好的船舶操縱性，降低了船體噪音和震動。在船舶全回轉運動中，螺旋槳始終處于最佳工作狀態，直接流入掛槳的水流減小了葉片上的脈動壓力。由于取消軸系，降低了船舶航行阻力。良好的船舶操縱性，減少了船舶在港時間。如果是全回轉吊艙式推進系統 （Azimuth Pods），則不必另設尾橫向側推。

從布置上來說，配置了雙吊艙式推進系統的船舶所需的機艙空間可以減小，但是對于客滾船，雙吊艙式推進系統的布置還是存在問題，因為雙吊艙式推進系統不一定能布置在滾裝甲板下，這就對車輛經過尾門處設置了障礙，導致車輛上下船不流暢，而這又是客滾船設計的關鍵之一。另外也有報告指出，在惡劣海況下，采用了吊艙式推進系統的船舶比普通的舵槳船具有更大的失速［1］。但是初始投資過大，仍是吊艙式推進系統不能順利進入客滾船市場的主要原因。

2 新的船舶推進系統

近年來，針對中大型客滾船，提出了一些新的推進理論與方式。比如吊艙式相對反轉推進器，吊艙式翼式推進器和翼式推進器等。它們具有共同的優點，都拋棄了雙尾軸設計，采用單尾鰭線型、主推進器與一個或兩個獨立的推進器聯合使用。

2.1 吊艙式相對反轉推進器

吊艙式相對反轉推進器的概念是：在一個電動推進槳轂上配置一個與主螺旋槳反向旋轉的螺旋槳，將該推進器直接設置于尾鰭中線處、主螺旋槳后部，如圖3所示。由柴油機驅動的主螺旋槳為可調槳，電動吊艙槳為定距槳。與傳統配置的雙槳、雙人字架尾軸船舶相比，吊艙式相對反轉推進器使船舶具有更好的水動力特性，這主要是有以下幾個原因：

1）沒有額外的附體，具有更低的航行阻力；

2）因為前后槳的旋轉方向相反，后槳吸收了前槳在水流中留下的部分能量；

3）與人字架尾軸船型相比，尾鰭后部伴流分數的顯著增加，提高了船舶的船身效率。

根據國外水池的船模試驗報告，與常規的雙槳、雙人字架尾軸船舶相比，推進效率的提高在12%～17%之間，間或更高的值也有報告［2］。

與傳統的單尾鰭線型船舶相比，在同等條件下，配置了吊艙式相對反轉推進器的船舶所需的動力配置更小。這可以從兩個方面找到答案：后槳吸收了前槳留在水流中的部分能量，提高了能量使用效率，這一優勢仍然存在。但即同為單尾鰭線型船舶，二者相比，低阻力和良好的尾部伴流場特點已不復存在。在這種情況下，最大的得益來自于螺旋槳負荷的減小。吊艙式相對反轉推進器將動力分配在前后兩個螺旋槳上，大大減小了單個螺旋槳上的載荷，從而提高了螺旋槳的敞水效率。推進效率提高的幅度視具體情況而定，原則上說，主機功率越大，螺旋槳負荷越高，采用吊艙式相對反轉推進器后收益也越大。從以上分析可以看出，就常規雙槳船與單槳船相比較而言，采用吊艙式相對反轉推進器后前者的受益更大，對高速中大型客滾船情況更是這樣。

配置全回轉吊艙式推進系統，可以大大改善船舶的操縱性，從而減少船舶的在港時間，對于經常進出港口的高速中大型客滾船尤其重要。

在吊艙式相對反轉推進器的配置中，柴油機驅動的主推進器與電動吊艙式推進器之間的動力分配比例是一個非常關鍵的問題。由于電動吊艙式推進器的每千瓦費用大大高于機械推進器，所以功率分配的比例對船價影響很大。此外，電推器的能量損失也更大。因此，從兩方面看，吊艙式推進器的功率選取應越小越好，而柴油機驅動的主推進器的功率選取應越大越好。但問題是怎樣的功率分配比例會影響整個推進系統的總體效率。

在由“芬蘭造船”（Finnish Shipbuilding）聯合其它三家國際著名公司共同完成的叫做“ENVIROPAX”的研究和發展項目中，主柴油機功率和電動功率的比例分配是該項目中主要研究的課題之一。大量的船模試驗是由芬蘭VTT水池和荷蘭MARIN水池完成。

在船模試驗中，選取的電動吊艙式推進器功率與主柴油機功率的分配比例從20∶80到55∶45不等（Pod/Main），并使用了兩組不同的吊艙式推進器和主螺旋槳。試驗表明功率分配比例在前后槳的不同沒有導致試驗結果產生任何實質性的變化，也沒有對推進效率產生明顯的影響。值得注意是當功率分配比例相等（50∶50）時，在功率曲線上有一個很小的向好趨勢。當功率分配比例相差最大時（20∶80），功率曲線有要求增大的趨勢，但幅度也不大。當將吊艙式推進器更換成另一個尺寸更小的而其它條件不變時，在功率曲線上會產生一個向下的臺階，最小功率發生在置換了較小的吊艙式推進器模型之時，這是因為較小的吊艙式推進器具有更低的航行阻力［3］。

船模試驗的結論是電動吊艙式推進器功率與主柴油機功率的分配比例為25∶75是整個推進系統效率的最佳點。從船舶經濟性方面考慮也支持采用較小的電動吊艙式推進器。試驗同時表明，限制將更大的功率分配于主螺旋槳主要是基于防止在正常的工作狀態下該槳的負載過大。對于一個大功率推進系統，就必須將更大比率的功率分配給電動吊艙式推進器，以防止主螺旋槳過載。一條吊艙式相對反轉推進器船舶的設計成功，意味著既能保證主螺旋槳各項設計參數的先進合理，同時配置了較小的電動吊艙式推進器。

“ENVIROPAX”研究項目的另一重點是研究在各種狀態下主螺旋槳和吊艙式推進器所產生的空泡情況和船體激振力水平。該項試驗是在荷蘭MARIN的減壓拖曳水池完成。試驗結果表明，對于相對反轉螺旋槳（Contra Rotation Propeller）系統，激振力水平整體良好，激振力主要產生于前槳，而后槳產生的激振力較低。當后槳操縱時，由于該槳上的空泡增加，導致壓力增加，但激振力仍保持較低水平［3］。

2.2 吊艙式翼式推進器與翼式推進器

另一種組合推進系統包括1個由柴油機驅動的主螺旋槳，設置于尾鰭中線處，2個全方位回轉推進器，左右舷各1個。推進器可以是電動吊艙式也可以是機械式操作，并據此分別叫做吊艙翼式推進器和翼式推進器，如圖4所示。

這種設計可為船舶提供非常高效的推進效率，尤其是對特大功率推進系統，比如高速中大型客滾渡船。由于將載荷分配在3個螺旋槳，而不是2個，螺旋槳敞水效率得以進一步提高。與傳統配置的雙槳、雙人字架尾軸船舶相比，沒有過多的附體，簡潔的船體線型，降低了船舶航行阻力?？v中部的單尾鰭線型，提供了良好的尾部伴流場，使船舶獲得了更好的船身效率。設于兩舷的全方位回轉推進器的前方沒有附體，處在完全敞開的流水區域，因此螺旋槳在360°的旋轉范圍內始終工作于最佳設計狀態，改善了其推進效率。

配置了2個全方位回轉推進器的船舶具有良好的船舶操縱性和回轉性，不必在尾部另設橫向側推，減少了船舶在港時間。

吊艙式翼式推進器的工作原理是其整個系統的核心部分。尾鰭中線處的主螺旋槳為順槳。該槳僅在船舶高速航行時工作，而在船舶中速和低速航行時，槳葉處于自由空轉狀態，順流模式（改變螺距，使槳葉處于順流方向），因此產生的阻力要大大的低于風車槳產生的阻力。當船舶低速航行時，僅以翼式推進器驅動，避免了主柴油機經常處于低負荷運行，從而克服了由此而產生的高油耗等不利因素。此外，由于可調槳不在低螺距高轉速狀態下工作，減小了可調槳壓力面產生空泡的危險。這一推進系統適合服務于經常在高速、低速不斷轉化的中大型客滾船。

當高速航行時，船舶由設于尾鰭中線處主螺旋槳后的舵操縱。此時，翼式推進器的方向被鎖住，降低了船舶在風暴天氣下失速的可能，保證了較低的燃油消耗。配備高效舵能對船舶性能帶來諸多好處。由于舵的魚雷型外形改善了尾部伴流場，減小了船體激振力，提高了推進效率。舵葉后下部的襟翼可以更好地吸收水流中由螺旋槳而產生的旋轉能量。另外，高效舵舵面積小，航行阻力低，因為是在船舶高速下使用，所以能夠保證足夠的舵效。

翼式推進器可以由電機驅動，也可以直接由柴油機驅動。此時，推進功率由柴油機提供，而輔機則提供船舶所需的電力。機械推進降低了船舶的初投資，減小了能量轉化過程中的能耗。

3 結語

從上述分析可以看出，新的推進理論擯棄了傳統的雙舵、雙人字架尾軸船型，采用單尾鰭線型，所需的功率配置大幅降低。具體的降低幅度視實際情況而定。 根據國外的報告［2，3］，降幅通常在 10%～20%之間。這主要因為前者的舵、尾軸、人字架、槳轂等附體增加了船舶的總阻力，尤其是對于具有高速、細長型船體帶長尾軸特性的客滾渡船，這一幅度將會大大增加。而單尾鰭線型船本身又具有低阻力的特性。

對于航速大約在28 kn～30 kn的客滾船，采用雙機、雙槳、雙尾軸推進船舶的功率配置，根據測算大約要比采用吊艙式相對反轉推進器船舶的功率配置高15%左右。雙機、雙槳、雙尾軸推進船舶的舵、尾軸等附體的濕表面積大約占整個船體濕表面積的6%，而吊艙式相對反轉推進器船舶的附體濕表面積大約只占整個船體濕表面積的2.5%，因此，前者的附體濕表面積比后者大約3.6%，也就說，前者的船舶阻力或有效推力比后者大約11%～14%。根據試驗所測得的船體裸體阻力及對附體附加阻力的估算，在設計航速下，船舶的有效推力收益可達2 800 kW，大于采用吊艙式相對反轉推進器后功率收益的一半以上。因此，阻力的減小是采用吊艙式相對反轉推進器后效率提高的最主要原因，其它收益來自于后槳對水流中能量的吸收和單尾鰭后部伴流場的改進，提高了推進效率。筆者所在單位上海船舶研究設計院配合廣船國際共同完成的國家工業和信息化部立項的“大型客滾船核心技術研究”，委托荷蘭MARIN水池完成的船模試驗結果也證明了以上結論［4］。

由于有多種因素影響船舶的推進性能，因此，每一種推進方式的選取都應依據項目的自身情況、特點，選擇最合適的推進方式。然而，有一些基本的特點，比如對單個推進器輸出功率的限制，還是具有共性的。比如，每一單槳的輸入功率不宜過高，在7m水深條件下，單槳最大負荷應不大于30MW。此外，吊艙式推進器和翼式推進器還會受到產品規格的限制。對吊艙式相對反轉推進器，推進器之間的功率分配比例應不小于25/75（Pod/Main）。

只要選擇了合適的推進系統，就能克服投資過高這一阻礙電力推進系統進入客滾渡船市場的主要障礙，建造出低成本、具有競爭力的新型客滾渡船。新的推進理論和技術為中大型客滾渡船的推進系統帶來了革命性的變化。

［1］ Tragradh P.-SSPA，“Enhancing themanoeuvring performance ofRoRovessels”，RoRo2002Conference，Lloyds ListEvents，Lubeck，Germany，28th～30th May 2002.

［2］ PraefKe E.，Richards J.and EngelsKirchen J.-HSVA and Blohm Voss， “Counter rotating propellers without complex shafting fora fastmonohull ferry”，Presentation atFAST 2001，Southamton UK，September2001.

［3］ LevanderO.，Sipila H.，PaKaster R.，“ENVIROPAX ferries make promising progress”，Marine News-Wartsila Customer Magazine NR 1-2005，March 2005.

［4］ Calm watermodel tests for a RoPax ferry with CRP-POD propulsion system，（ReportNo：22374-1-DT）