動力定位船舶推進器系統(tǒng)介紹

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1、動力定位船舶推進器系統(tǒng)介紹 推進器的型式和制造廠很多。推進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)。 推進器分類 推進器一般是用來提供動力，提高速度的。按照原理不同，有螺旋槳、噴氣推進器、噴水推進器、特種推進器。特種推進器又有許多種類，有變距螺旋槳、導管螺旋槳、直翼推進器、噴射推進器、磁流體推進器等。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，推進器在不斷發(fā)展，會出現(xiàn)各種形式的新型推進器。應用到動力定位船上的推進器主要有三種：主推進器，槽道推進器和全回轉(zhuǎn)推進器。這些推進器在動力定位船舶上的布置圖如下圖所示： 推進器布置圖 1). 主推進器 對于常規(guī)的船舶而言，單軸或雙

2、軸的主推進器基本相似。對于DP船舶，這樣的主推進器構(gòu)成了DP功能的一部分，推進器通常選用可變螺距類型，以恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。這將易于使用軸傳動交流發(fā)電機，如果軸傳動裝置不以恒速轉(zhuǎn)動將無法使用。如果安裝變頻控制系統(tǒng)，可使用變速交流電動機與定螺距推進器聯(lián)合使用。下圖是一個主推進器： 主推進器 2). 全回轉(zhuǎn)推進器 全回轉(zhuǎn)推進器由一個安裝在較短槽道內(nèi)的可控螺距或固定螺距的推進器組成。該類型推進器凸出于船舶底部，可通過旋轉(zhuǎn)提供任意方向的推力。全回轉(zhuǎn)推進器利用錐齒輪由上部驅(qū)動。某些情況下，整個推進器可以收到船殼之內(nèi)。全回轉(zhuǎn)推進器的優(yōu)點在于其可以提供任意方向的推力，其經(jīng)常被用作主推進器。但是，其難以實現(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)推進器 3）槽道推進器 槽道推進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或柴油機驅(qū)動，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個或3個槽道推進器。 槽道推進器 當船舶沒有顯著的前進或后退時，由槽道推進器產(chǎn)生的作用于船舶上的合回轉(zhuǎn)力矩將十分顯著。當船舶具有運動時，上述推進器產(chǎn)生的效果將急劇減小。 3.2推進器在動力定位系統(tǒng)中的作用 推進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器，形成一個時變的推力系統(tǒng)，以抵消外在的時

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

5、推進器的推力分配問題。目前實際應用的推力分配方法有多種。在這些方法的基礎上進一步考慮推進器方位角禁區(qū)的選擇和處理，可以快捷的繞過禁區(qū)，只旋轉(zhuǎn)一個相對較小的角度就可以產(chǎn)生要求的推力。 推進器的選擇 選擇推進器是要推敲的因素很多，其中有些事以特定制造廠的經(jīng)驗為依據(jù)的。推進器是用于產(chǎn)生力和力矩，來抗衡作用于船上的干擾力和干擾力矩。 動力定位所用推進器的涉及重要考慮許多因素。例如，其反應速度、推進器尺寸、可靠性、效率、維護是否方便以及噪聲高低等，都應予以考慮。推進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。推進器系統(tǒng)的另一個主要原件是推力機構(gòu)的原動機，由于電動

6、機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機。動力定位控制器可以監(jiān)控推進器系統(tǒng)的所有性能參數(shù)，下圖為推力器系統(tǒng)與動力定位控制器之間的信號。 動力 定位 控制 器 推 進 器 系 統(tǒng) 中 間 監(jiān) 控 點 推力指令變量 推力反饋變量 請做好準備 準備完畢、警報 起/停指令 性能參數(shù) 推進器系統(tǒng)與動力定位控制器之間的信號 推進器的布置方案 動力定位船舶上推進器的布置還是應該遵循若干通則。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)生反力矩的推力來平衡。產(chǎn)生反力矩的推力的最有效的方向

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

8、力對船舶垂直軸產(chǎn)生的力矩。 、——分別為第一和第二兩臺推進器的推力； 、——分別為第一和第二兩臺推進器的推力方向角； ——分別為船舶旋轉(zhuǎn)中心到第一和第二臺推進器的已知距離； ——分別為推進器x軸與推進器到船舶旋轉(zhuǎn)中心連線的夾角。 在采用兩臺定軸推進器時，往往一臺推進器作縱向布置以保證進退平移，另一臺則橫向布置。但是通常的做法總是將兩只推進器的推力取得一樣，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推進器，而是每處都采用若干臺推進器，則可先求的各處的推力，然后將該推力平均分配于

9、該處擬裝的各推進器上。但推進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)的各推進器具有大致相同的推力，則推力可均勻分配給各個推進器。否則較大的推進器的功率不能全部發(fā)揮。到目前為止已經(jīng)確立的要點是：動力定位需要兩只可轉(zhuǎn)向的推進器，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，在設計環(huán)境條件下，保持船舶的艏向。推進器在船上的安裝位置，對推進器的設計有很大的影響。此外，動力定位船舶不僅要求用推進器來定位，還要用以作為航行推進裝置，這對動力定位推進器的設計也有一定的影響。 大多數(shù)船舶都采用普通推進裝置

10、來滿足推進要求。這種推進裝置一般由兩只螺旋槳組成，于船舶中心線對稱地分布在船艉。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。 半潛式平臺的情況于普通的船有些不同。半潛式平臺的浮力是由幾個浸入水中的附體提供的。在轉(zhuǎn)移位置時，這些附體部分地露出水面或吃水很淺。但是在作業(yè)時，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器。因此全回轉(zhuǎn)推進器在半潛式平臺上有一定的應用，而在普通的船舶上幾乎沒有用的。 半潛式平臺選用全回轉(zhuǎn)推進器的另一個有利之處是各附體上推進器之間的距離可以做的大些。這一點是比較重要的，因為如果一只推進器排出的水流指向

11、另一只推進器，則下游推進器就要損失相當一部分推力。同樣，推進器間距加大，對于增大力矩也是有利的。在半潛式平臺作業(yè)時，全回轉(zhuǎn)推進器可以在最高效率下運轉(zhuǎn)，所以這種推進器最為合適。 在采用全回轉(zhuǎn)推進器時，同一個推進器的能量可以應用于任何所需的方向。因此對于兩周方向功率接近相等的半潛式平臺，將定軸推進器所需功率和全回轉(zhuǎn)推進器所需功率相比，可知，定軸推進器所需功率約為全回轉(zhuǎn)推進器的1.4倍。 對于動力定位船舶，推進器的布置因船舶而異，影響因素很多。主要因素是船舶的設計和功能，其它的影響因素還包括船舶吃水、冗余要求、船體結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)。船舶的運動性能確定后，就要據(jù)此來進行推進器裝置的選擇和計算。根據(jù)船

12、舶的作業(yè)特點和工作環(huán)境的情況，從設計一開始就應明確動力定位設計級別，以確定推進器的備用和冗余配置方案。推進器的配套需根據(jù)船舶動力定位的級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，綜合計算來確定推進器的數(shù)量、規(guī)格和安裝位置。推進器的規(guī)格確定后，就要確定動力配置方案。一艘動力定位船舶的推進器布置方案，主要有以下兩種： 1). 全電推方案 即所有推進器（包括主推和側(cè)推）均為電力推動，動力為發(fā)電機組。因大多的動力定位船舶的主推進器，在動力定位工況下一般負荷不會大，電力推進的配置要方便全船動力在航行階段和動力定位作業(yè)階段的合理調(diào)配使用，相對來說減少了原動機的容量；同時電力推進可靠性高的特點，也有效減少了船員非常繁重的維護工作量，提高了船舶的可靠性。但電力推進器昂貴費用限制了它的推廣和使用。 2). 柴—電方案 船用柴—電推進器的發(fā)展與應用在90年代末，在大型船舶上柴—電推進裝置可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)的機械推進裝置更加平穩(wěn)和安靜的推力。此外，推進器在船體內(nèi)所占的空間小，有助于將柴油機以發(fā)動機組的靈活地安裝，既可以為推進器提供動力，又可以為船上的其他設備提供服務。 這個方案是動力定位系統(tǒng)最早的方案，即中速柴油機驅(qū)動主推進器。側(cè)推選擇電力推進器方案，其電力來源于主機的軸流發(fā)電機。圖11是推進器典型布置圖: 圖11：推進器布置圖 8