福伊特直翼推進(jìn)器在海洋工程船上的應(yīng)用

1、福伊特直翼推進(jìn)器在海洋工程船上的應(yīng)用引言隨著世界能源需求的不斷提升，陸上資源已不能滿足人們的需要，油氣資源開(kāi)發(fā)的重心正逐步由陸地向海洋轉(zhuǎn)移。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前海洋石油產(chǎn)量已占全球石油總產(chǎn)量的34%，預(yù)計(jì)到2020年，這一比例升至36%； 海洋天然氣產(chǎn)量已占全球天然氣總產(chǎn)量的32%，預(yù)計(jì)到2020年，這一比例升至42%。目前世界已探明的海上油氣資源大部分蘊(yùn)藏在大陸架及3000米以下的海底，深海能源儲(chǔ)量將是陸地儲(chǔ)量的100倍以上。海洋工程船主要指參與海上油氣資源開(kāi)發(fā)和為之服務(wù)的負(fù)責(zé)運(yùn)送人員、物資、設(shè)備以及承擔(dān)調(diào)查、測(cè)量、安裝、居住、維護(hù)/維修等重要任務(wù)的船舶，主要分為：鉆井船（Drill Ship）、地

2、震地質(zhì)勘探船（Seismic/Geographic Exploration Vessel）、平臺(tái)供應(yīng)船（PSV）、三用工作船（AHTS）、多功能支持船（MPSV）、潛水支持船（DSV）、海底建設(shè)支持船（OSCV）、居住船（ASV）、鋪管船和鋪纜船（PLV/CLV）、守護(hù)救援船（Standby/Rescue Vessel）、檢查維護(hù)維修船（IMR）、油田服務(wù)船（Oil Well Service Vessel）等。海上油氣的開(kāi)發(fā)正逐步從淺海轉(zhuǎn)向深海，由于深水領(lǐng)域的地質(zhì)和海況條件相對(duì)于淺海要惡劣的多，因此對(duì)在深海作業(yè)的海洋工程船的整體性能提出了更高的要求。而安裝了福伊特直翼推進(jìn)器的海洋工程船，其獨(dú)特

3、的性能特點(diǎn)更好的滿足了深海作業(yè)對(duì)海洋工程船推進(jìn)系統(tǒng)的要求，大大提高了其在深海作業(yè)時(shí)的可靠性、安全性、動(dòng)力定位性能和效率。福伊特直翼推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)和工作原理Servo-motor 液壓伺服馬達(dá)Propeller Housing 槳?dú)ontrol Rod 控制桿Propeller Blade 槳葉Input Shaft 輸入軸Bevel Gear 傘齒輪Rotor Casing 旋轉(zhuǎn)箱體Kinematics 連桿機(jī)構(gòu)福伊特直翼推進(jìn)器借助從船舶底部伸出并圍繞垂直軸往復(fù)式擺動(dòng)的槳葉產(chǎn)生推力。旋轉(zhuǎn)箱體沿垂直軸方向旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，單獨(dú)每片槳葉圍繞自身的軸進(jìn)行往復(fù)式擺動(dòng)，這種往復(fù)式擺動(dòng)是通過(guò)一套連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的

4、，其擺動(dòng)產(chǎn)生的推力在旋轉(zhuǎn)箱體上實(shí)現(xiàn)疊加。福伊特直翼推進(jìn)器特性自然特性 調(diào)距槳推力的大小和方向無(wú)級(jí)可調(diào)，零螺距時(shí)就是零推力。 快速舵向推力的大小和方向通過(guò)兩臺(tái)垂直布置的伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)同時(shí)控制，不需要改變旋轉(zhuǎn)箱體的旋轉(zhuǎn)方向，因此反應(yīng)時(shí)間極短，從全速正車到全速倒車的時(shí)間僅需約3秒鐘，而全回轉(zhuǎn)舵槳通常需要1215秒。低轉(zhuǎn)速工作轉(zhuǎn)速低，約為6070轉(zhuǎn)，只有全回轉(zhuǎn)舵槳的1/31/5 。因此振動(dòng)噪聲比全回轉(zhuǎn)舵槳要低。堅(jiān)固特殊的結(jié)構(gòu)，抗沖擊性能好槳葉為鍛造不銹合金鋼材料，耐腐蝕且強(qiáng)度高。低工作轉(zhuǎn)速，同功率下承受的扭矩遠(yuǎn)大于全回轉(zhuǎn)舵槳，結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固且抗沖擊性能好。因此歷來(lái)是全球獵雷艦推進(jìn)系統(tǒng)的首選方案。

5、無(wú)通氣現(xiàn)象因?yàn)楦Ｒ撂刂币硗七M(jìn)器獨(dú)特的水動(dòng)力原理，其垂直槳葉弦長(zhǎng)上的壓力分布均勻，因此沒(méi)有普通螺旋槳的淺吃水通氣現(xiàn)象。福伊特直翼推進(jìn)器的槳葉只要浸沒(méi)在水中就有推力產(chǎn)生，且推力隨著槳葉露出水面的增加下降很平緩。全回轉(zhuǎn)舵槳接近水面時(shí)就會(huì)有通氣現(xiàn)象產(chǎn)生，而且更加敏感，推力隨著槳葉露出水面的增加下降非?？於視?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空泡，導(dǎo)致額外的振動(dòng)噪聲和槳葉的剝蝕損傷。福伊特直翼槳部分露出水面 全回轉(zhuǎn)舵槳接近水面福伊特直翼槳與全回轉(zhuǎn)舵槳在不同出水比下的推力損失對(duì)比無(wú)普通螺旋槳推進(jìn)器的淺吃水通氣現(xiàn)象通過(guò)船池實(shí)驗(yàn)及實(shí)船觀察，在普通螺旋槳淺吃水運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生的“通氣”現(xiàn)象在VSP運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生，原因是VSP獨(dú)特的水動(dòng)力

6、原理降低抨擊負(fù)荷福伊特直翼推進(jìn)器槳葉部分露出水面 福伊特直翼槳運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生水墊福伊特直翼槳運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的水墊有效地降低了抨擊負(fù)荷無(wú)齒輪疲勞失效可能福伊特直翼推進(jìn)器由于具有較好的抗抨擊性能以及和全回轉(zhuǎn)舵槳相比大得多的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即使在極其惡劣的海況槳葉全部出水時(shí)也不會(huì)對(duì)傳動(dòng)齒輪造成沖擊負(fù)荷，傳動(dòng)齒輪不會(huì)出現(xiàn)TIFF即齒輪內(nèi)部疲勞失效現(xiàn)象。而全回轉(zhuǎn)舵槳在長(zhǎng)時(shí)間由于通氣和抨擊產(chǎn)生的交變負(fù)荷的作用下會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)齒輪內(nèi)部疲勞失效TIFF。附加特性減搖性能福伊特直翼推進(jìn)器推力的大小和方向可以無(wú)極、快速調(diào)節(jié)，這種極為快速的推力的產(chǎn)生和變化與船舶橫搖運(yùn)動(dòng)可完美匹配。 只需要在其控制系統(tǒng)中加裝一套加速度傳感器模塊來(lái)反饋

7、船舶橫搖的方向和角度， 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算將信號(hào)反饋到螺距控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)推力的大小和方向來(lái)產(chǎn)生和船舶橫搖反向的力矩來(lái)減小船舶橫搖運(yùn)動(dòng)。福伊特直翼推進(jìn)器減搖系統(tǒng)原理福伊特直翼推進(jìn)器為主動(dòng)式減搖，無(wú)論船只停止不動(dòng)或是航行過(guò)程中都可減搖，而且在船舶動(dòng)力定位時(shí)也可減搖。在優(yōu)先保證船舶動(dòng)力定位的前提下，利用額外的有效功率來(lái)進(jìn)行減搖。 可以替代減搖鰭和減搖水艙，而且減搖效果好于此類常規(guī)減搖裝置。Edda Fram 船減搖實(shí)驗(yàn)結(jié)果雙輸入軸設(shè)計(jì)為了更大程度地降低噪聲，福伊特船用研發(fā)部門(mén)專門(mén)開(kāi)發(fā)了一種雙輸入軸的設(shè)計(jì)，目前僅用于低速低噪音的軍用船只。動(dòng)力定位性能福伊特直翼推進(jìn)器極其優(yōu)秀的動(dòng)力定位性能來(lái)源于：u

8、 由于特殊的工作原理帶來(lái)的極為快速和精確的推力控制u 螺距無(wú)極可調(diào)，及推力的大小和方向無(wú)極可調(diào)，且調(diào)節(jié)速度快，從正向最大螺距到反向最大螺距僅需時(shí)間約3秒鐘，能夠快速適應(yīng)風(fēng)、浪、流的變化u 不會(huì)在未預(yù)期的方向上產(chǎn)生任何推力u 航速超過(guò)2 Kn時(shí)推力比全回轉(zhuǎn)舵槳高，具有更好的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)力定位性能比較艏浪狀態(tài)全回轉(zhuǎn)舵槳與福伊特直翼推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)的海工船比較研究，4槳每船對(duì)于動(dòng)力定位運(yùn)行中的每個(gè)偏差都需要推進(jìn)器做功以將之糾正回正確位置。在安裝全回轉(zhuǎn)舵槳船舶動(dòng)力定位時(shí)產(chǎn)生的這些位移實(shí)際上代表了船移動(dòng)的距離，也意味著需要螺旋槳需要做功進(jìn)行糾正，最終的結(jié)果就是較多的燃油的消耗。福伊特直翼推進(jìn)器在動(dòng)力定位模式下運(yùn)

9、行的時(shí)間越長(zhǎng)，或者動(dòng)力定位限制的設(shè)定越精確，能夠節(jié)省的燃油就越多。船舶在極惡劣海況下運(yùn)行時(shí)，推進(jìn)器出水在所難免，全回轉(zhuǎn)舵槳一旦部分出水，極易產(chǎn)生超速飛車，推力大幅降低等現(xiàn)象，對(duì)于船舶動(dòng)力定位作業(yè)產(chǎn)生較大負(fù)面影響，某些情況下無(wú)法進(jìn)行動(dòng)力定位作業(yè)。而福伊特直翼推進(jìn)器由于對(duì)部分槳葉出水不如全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器敏感，推力損失較小，這種特點(diǎn)對(duì)維持動(dòng)力定位作業(yè)狀態(tài)的正常進(jìn)行極為有利。而且因?yàn)橥猬F(xiàn)象和長(zhǎng)時(shí)間交變負(fù)載的影響，全回轉(zhuǎn)舵槳會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部齒輪疲勞失效TIFF，嚴(yán)重時(shí)功能失效，影響正常作業(yè)和船舶安全。這里將福伊特直翼推進(jìn)器的特性做了一個(gè)總結(jié)并與船舶的總體性能進(jìn)行對(duì)照。福伊特直翼推進(jìn)器特性和船舶總體性能對(duì)照不同類

10、型的海洋工程船在選擇福伊特直翼推進(jìn)器作為船舶的主推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，我們還需要考慮其在以下幾個(gè)方面的局限性u(píng) 價(jià)格高相比較全回轉(zhuǎn)舵槳，福伊特直翼推進(jìn)器初期投資成本較高，但因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能，設(shè)備更加可靠、維護(hù)成本低，燃油經(jīng)濟(jì)性特別是需要長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)力定位時(shí)更好，因此其全壽命周期的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較低的。u 重量大福伊特直翼推進(jìn)器的低工作轉(zhuǎn)速，相比較全回轉(zhuǎn)舵槳，其重量要重一些。u 最高單機(jī)功率3800 kW目前福伊特直翼推進(jìn)器的單機(jī)最大功率為3800 kWu 航速限制因?yàn)槠洫?dú)特的推進(jìn)和水動(dòng)力特性，其適合的船舶的最大航速不能超過(guò)18 Kn 。u 吃水限制福伊特直翼推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)箱體與船體外板平行，同時(shí)這里也是槳葉的密封位置，槳葉密封處的吃水不能超過(guò)10 m 。結(jié)論綜上所述，通過(guò)以上對(duì)福伊特直翼推進(jìn)器特性的分析以及其與全回轉(zhuǎn)舵槳的比較，對(duì)于深水海洋工程船來(lái)說(shuō)，選擇福伊特直翼推進(jìn)器作為主推進(jìn)系統(tǒng)，能夠大大提高其在深海作業(yè)時(shí)的可靠性、