動(dòng)力定位船舶推進(jìn)器系統(tǒng)介紹

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1、動(dòng)力定位船舶推進(jìn)器系統(tǒng)介紹 推進(jìn)器的型式和制造廠很多。推進(jìn)器的基本功能是提供反抗環(huán)境因素的力和力矩，以便使船處于規(guī)定的回旋圈內(nèi)。 推進(jìn)器分類 推進(jìn)器一般是用來(lái)提供動(dòng)力，提高速度的。按照原理不同，有螺旋槳、噴氣推進(jìn)器、噴水推進(jìn)器、特種推進(jìn)器。特種推進(jìn)器又有許多種類，有變距螺旋槳、導(dǎo)管螺旋槳、直翼推進(jìn)器、噴射推進(jìn)器、磁流體推進(jìn)器等。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)器在不斷發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)各種形式的新型推進(jìn)器。應(yīng)用到動(dòng)力定位船上的推進(jìn)器主要有三種：主推進(jìn)器，槽道推進(jìn)器和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。這些推進(jìn)器在動(dòng)力定位船舶上的布置圖如下圖所示： 推進(jìn)器布置圖 1). 主推進(jìn)器 對(duì)于常規(guī)的船舶而言，單軸或雙

2、軸的主推進(jìn)器基本相似。對(duì)于DP船舶，這樣的主推進(jìn)器構(gòu)成了DP功能的一部分，推進(jìn)器通常選用可變螺距類型，以恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。這將易于使用軸傳動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，如果軸傳動(dòng)裝置不以恒速轉(zhuǎn)動(dòng)將無(wú)法使用。如果安裝變頻控制系統(tǒng)，可使用變速交流電動(dòng)機(jī)與定螺距推進(jìn)器聯(lián)合使用。下圖是一個(gè)主推進(jìn)器： 主推進(jìn)器 2). 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器由一個(gè)安裝在較短槽道內(nèi)的可控螺距或固定螺距的推進(jìn)器組成。該類型推進(jìn)器凸出于船舶底部，可通過旋轉(zhuǎn)提供任意方向的推力。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器利用錐齒輪由上部驅(qū)動(dòng)。某些情況下，整個(gè)推進(jìn)器可以收到船殼之內(nèi)。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的優(yōu)點(diǎn)在于其可以提供任意方向的推力，其經(jīng)常被用作主推進(jìn)器。但是，其難以實(shí)現(xiàn)

3、合適的安裝，若安裝在船舶底部將顯著增大船舶的排水量。如下圖所示： 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器 3）槽道推進(jìn)器 槽道推進(jìn)器主要是沿船舶的縱向貫穿安裝于船殼上。其通過錐齒輪由上部電機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，向左舷或右舷旋轉(zhuǎn)葉片，或者調(diào)整轉(zhuǎn)速和方向可以產(chǎn)生推力。通?？梢栽诖蓟虼喊惭b2個(gè)或3個(gè)槽道推進(jìn)器。 槽道推進(jìn)器 當(dāng)船舶沒有顯著的前進(jìn)或后退時(shí)，由槽道推進(jìn)器產(chǎn)生的作用于船舶上的合回轉(zhuǎn)力矩將十分顯著。當(dāng)船舶具有運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述推進(jìn)器產(chǎn)生的效果將急劇減小。 3.2推進(jìn)器在動(dòng)力定位系統(tǒng)中的作用 推進(jìn)器使得船舶具有了操作性?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出一系列的推力指令控制推進(jìn)器，形成一個(gè)時(shí)變的推力系統(tǒng)，以抵消外在的時(shí)

4、變的環(huán)境載荷來(lái)完成動(dòng)力定位。此推力系統(tǒng)包括一個(gè)特定方向的水平力和一個(gè)艏搖彎矩。如果推進(jìn)器能夠產(chǎn)生任何方向的推力，那么僅通過兩個(gè)推進(jìn)器就能產(chǎn)生這個(gè)瞬時(shí)的推力系統(tǒng)。但由于單個(gè)推進(jìn)器的推力容量有限，僅僅兩個(gè)推進(jìn)器無(wú)法滿足推力容量的要求，同時(shí)推進(jìn)器系統(tǒng)必須滿足船舶的可操縱性和可靠性，因此推進(jìn)器系統(tǒng)中推進(jìn)器的數(shù)目一般多余5個(gè)，但不是越多越好，因?yàn)檫€要考慮到推進(jìn)器與船體及推進(jìn)器間的相互影響等因素。對(duì)于半潛式鉆井平臺(tái)，多數(shù)采用8個(gè)推進(jìn)器。此時(shí)的推進(jìn)器系統(tǒng)便成了一個(gè)冗余系統(tǒng)，存在多個(gè)不同的推力和方向的組合，均滿足特定的水平力和艏搖彎矩。問題是應(yīng)該向推進(jìn)器發(fā)出什么樣推力和方向指令，在這些組合中哪個(gè)是最優(yōu)的，這是

5、推進(jìn)器的推力分配問題。目前實(shí)際應(yīng)用的推力分配方法有多種。在這些方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮推進(jìn)器方位角禁區(qū)的選擇和處理，可以快捷的繞過禁區(qū)，只旋轉(zhuǎn)一個(gè)相對(duì)較小的角度就可以產(chǎn)生要求的推力。 推進(jìn)器的選擇 選擇推進(jìn)器是要推敲的因素很多，其中有些事以特定制造廠的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的。推進(jìn)器是用于產(chǎn)生力和力矩，來(lái)抗衡作用于船上的干擾力和干擾力矩。 動(dòng)力定位所用推進(jìn)器的涉及重要考慮許多因素。例如，其反應(yīng)速度、推進(jìn)器尺寸、可靠性、效率、維護(hù)是否方便以及噪聲高低等，都應(yīng)予以考慮。推進(jìn)器的形式視推力的改變方法而定。例如調(diào)距槳的推力輸出是隨螺旋槳螺距的變化而變化的。推進(jìn)器系統(tǒng)的另一個(gè)主要原件是推力機(jī)構(gòu)的原動(dòng)機(jī)，由于電動(dòng)

6、機(jī)容易和船舶電力系統(tǒng)匹配，而且還容易取得，所以通常用的是電動(dòng)機(jī)。動(dòng)力定位控制器可以監(jiān)控推進(jìn)器系統(tǒng)的所有性能參數(shù)，下圖為推力器系統(tǒng)與動(dòng)力定位控制器之間的信號(hào)。 動(dòng)力 定位 控制 器 推 進(jìn) 器 系 統(tǒng) 中 間 監(jiān) 控 點(diǎn) 推力指令變量 推力反饋?zhàn)兞? 請(qǐng)做好準(zhǔn)備 準(zhǔn)備完畢、警報(bào) 起/停指令 性能參數(shù) 推進(jìn)器系統(tǒng)與動(dòng)力定位控制器之間的信號(hào) 推進(jìn)器的布置方案 動(dòng)力定位船舶上推進(jìn)器的布置還是應(yīng)該遵循若干通則。首先，船舶所受的作用力，要求用加載船舶縱軸和橫軸方向的推力以及產(chǎn)生反力矩的推力來(lái)平衡。產(chǎn)生反力矩的推力的最有效的方向

7、，是與推進(jìn)器所在點(diǎn)到船舶旋轉(zhuǎn)中心之間的連線相垂直。如果推力不是處在這個(gè)方向，那就可能造成某些損失。 對(duì)推進(jìn)器能力的第一個(gè)要求，引出了推進(jìn)器布置的第一條通則，即至少要用兩臺(tái)推進(jìn)器。列出推進(jìn)器的力和力矩分配方程，即可理解為什么至少需要兩臺(tái)推力器。 根據(jù)縱向力、橫向力和力矩的要求，應(yīng)該列出三個(gè)方程[4]。但是一臺(tái)推進(jìn)器只能解兩個(gè)未知數(shù)。這兩個(gè)未知數(shù)就是推力的大小和方向。因此要再加一臺(tái)推進(jìn)器，這樣就可解出足夠數(shù)量的未知數(shù)，如下列力和力矩方程所示： 式中：、——分別為對(duì)抗船舶作用力所需的x、y方向的力。 ——反力矩，用以對(duì)抗船舶作用

8、力對(duì)船舶垂直軸產(chǎn)生的力矩。 、——分別為第一和第二兩臺(tái)推進(jìn)器的推力； 、——分別為第一和第二兩臺(tái)推進(jìn)器的推力方向角； ——分別為船舶旋轉(zhuǎn)中心到第一和第二臺(tái)推進(jìn)器的已知距離； ——分別為推進(jìn)器x軸與推進(jìn)器到船舶旋轉(zhuǎn)中心連線的夾角。 在采用兩臺(tái)定軸推進(jìn)器時(shí)，往往一臺(tái)推進(jìn)器作縱向布置以保證進(jìn)退平移，另一臺(tái)則橫向布置。但是通常的做法總是將兩只推進(jìn)器的推力取得一樣，而且力臂也大致相同。 如果船舶的力矩要求較高，則可根據(jù)定軸推力分配方程，將力臂取得盡可能大些。如果擬采用的不是三臺(tái)推進(jìn)器，而是每處都采用若干臺(tái)推進(jìn)器，則可先求的各處的推力，然后將該推力平均分配于

9、該處擬裝的各推進(jìn)器上。但推進(jìn)器一般不是上下重疊安裝的，而是水平并列組成安裝。 如上所述，如果旋轉(zhuǎn)軸同一側(cè)的各推進(jìn)器具有大致相同的推力，則推力可均勻分配給各個(gè)推進(jìn)器。否則較大的推進(jìn)器的功率不能全部發(fā)揮。到目前為止已經(jīng)確立的要點(diǎn)是：動(dòng)力定位需要兩只可轉(zhuǎn)向的推進(jìn)器，最好一只在旋轉(zhuǎn)中心之前，另一只在該中心之后。此外，最好將推進(jìn)器布置得與旋轉(zhuǎn)中心有一定的距離，以便利用足夠的力矩，在設(shè)計(jì)環(huán)境條件下，保持船舶的艏向。推進(jìn)器在船上的安裝位置，對(duì)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)有很大的影響。此外，動(dòng)力定位船舶不僅要求用推進(jìn)器來(lái)定位，還要用以作為航行推進(jìn)裝置，這對(duì)動(dòng)力定位推進(jìn)器的設(shè)計(jì)也有一定的影響。 大多數(shù)船舶都采用普通推進(jìn)裝置

10、來(lái)滿足推進(jìn)要求。這種推進(jìn)裝置一般由兩只螺旋槳組成，于船舶中心線對(duì)稱地分布在船艉。通常這種螺旋槳是敞式的，可以是調(diào)距型，也可以是調(diào)速型。 半潛式平臺(tái)的情況于普通的船有些不同。半潛式平臺(tái)的浮力是由幾個(gè)浸入水中的附體提供的。在轉(zhuǎn)移位置時(shí)，這些附體部分地露出水面或吃水很淺。但是在作業(yè)時(shí)，這些附體所在的深度要比同排量的船舶的大得多。此外，附體具有特殊的形狀和尺寸，以致其上不便于安裝隧道推進(jìn)器。因此全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器在半潛式平臺(tái)上有一定的應(yīng)用，而在普通的船舶上幾乎沒有用的。 半潛式平臺(tái)選用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的另一個(gè)有利之處是各附體上推進(jìn)器之間的距離可以做的大些。這一點(diǎn)是比較重要的，因?yàn)槿绻恢煌七M(jìn)器排出的水流指向

11、另一只推進(jìn)器，則下游推進(jìn)器就要損失相當(dāng)一部分推力。同樣，推進(jìn)器間距加大，對(duì)于增大力矩也是有利的。在半潛式平臺(tái)作業(yè)時(shí)，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器可以在最高效率下運(yùn)轉(zhuǎn)，所以這種推進(jìn)器最為合適。 在采用全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器時(shí)，同一個(gè)推進(jìn)器的能量可以應(yīng)用于任何所需的方向。因此對(duì)于兩周方向功率接近相等的半潛式平臺(tái)，將定軸推進(jìn)器所需功率和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器所需功率相比，可知，定軸推進(jìn)器所需功率約為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的1.4倍。 對(duì)于動(dòng)力定位船舶，推進(jìn)器的布置因船舶而異，影響因素很多。主要因素是船舶的設(shè)計(jì)和功能，其它的影響因素還包括船舶吃水、冗余要求、船體結(jié)構(gòu)和動(dòng)力系統(tǒng)。船舶的運(yùn)動(dòng)性能確定后，就要據(jù)此來(lái)進(jìn)行推進(jìn)器裝置的選擇和計(jì)算。根據(jù)船

12、舶的作業(yè)特點(diǎn)和工作環(huán)境的情況，從設(shè)計(jì)一開始就應(yīng)明確動(dòng)力定位設(shè)計(jì)級(jí)別，以確定推進(jìn)器的備用和冗余配置方案。推進(jìn)器的配套需根據(jù)船舶動(dòng)力定位的級(jí)別以及船舶的水上和水下的尺寸要素、排水量、重心、浮心以及其他幾何中心的位置，綜合計(jì)算來(lái)確定推進(jìn)器的數(shù)量、規(guī)格和安裝位置。推進(jìn)器的規(guī)格確定后，就要確定動(dòng)力配置方案。一艘動(dòng)力定位船舶的推進(jìn)器布置方案，主要有以下兩種： 1). 全電推方案 即所有推進(jìn)器（包括主推和側(cè)推）均為電力推動(dòng)，動(dòng)力為發(fā)電機(jī)組。因大多的動(dòng)力定位船舶的主推進(jìn)器，在動(dòng)力定位工況下一般負(fù)荷不會(huì)大，電力推進(jìn)的配置要方便全船動(dòng)力在航行階段和動(dòng)力定位作業(yè)階段的合理調(diào)配使用，相對(duì)來(lái)說減少了原動(dòng)機(jī)的容量；同時(shí)電力推進(jìn)可靠性高的特點(diǎn)，也有效減少了船員非常繁重的維護(hù)工作量，提高了船舶的可靠性。但電力推進(jìn)器昂貴費(fèi)用限制了它的推廣和使用。 2). 柴—電方案 船用柴—電推進(jìn)器的發(fā)展與應(yīng)用在90年代末，在大型船舶上柴—電推進(jìn)裝置可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)裝置更加平穩(wěn)和安靜的推力。此外，推進(jìn)器在船體內(nèi)所占的空間小，有助于將柴油機(jī)以發(fā)動(dòng)機(jī)組的靈活地安裝，既可以為推進(jìn)器提供動(dòng)力，又可以為船上的其他設(shè)備提供服務(wù)。 這個(gè)方案是動(dòng)力定位系統(tǒng)最早的方案，即中速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器。側(cè)推選擇電力推進(jìn)器方案，其電力來(lái)源于主機(jī)的軸流發(fā)電機(jī)。圖11是推進(jìn)器典型布置圖: 圖11：推進(jìn)器布置圖 8