动力定位船舶推进器系统介绍

动力定位船舶推进器系统介绍推进器的型式和制造厂很多。

推进器的基本功能是提供反抗环境因素的力和力矩，以便使船处于规定的回旋圈内。

推进器分类
推进器一般是用来提供动力，提高速度的。

按照原理不同，有螺旋桨、喷气推进器、喷水推进器、特种推进器。

特种推进器又有许多种类，有变距螺旋桨、导管螺旋桨、直翼推进器、喷射推进器、磁流体推进器等。

随着科学技术的发展，推进器在不断发展，会出现各种形式的新型推进器。

应用到动力定位船上的推进器主要有三种：主推进器，槽道推进器和全回转推进器。

这些推进器在动力定位船舶上的布置图如下图所示：
推进器布置图
1).主推进器
对于常规的船舶而言，单轴或双轴的主推进器基本相似。

对于DP船舶，这样的主推进器构成了DP功能的一部分，推进器通常选用可变螺距类型，以恒转速运转。

这将易于使用轴传动交流发电机，如果轴传动装置不以恒速转动将无法使用。

如果安装变频控制系统，可使用变速交流电动机与定螺距推进器联合使用。

下图是一个主推进器：
主推进器
2).全回转推进器
全回转推进器由一个安装在较短槽道内的可控螺距或固定螺距的推进器组成。

该类型推进器凸出于船舶底部，可通过旋转提供任意方向的推力。

全回转推进器利用锥齿轮由上部驱动。

某些情况下，整个推进器可以收到船壳之内。

全回转推进器的优点在于其可以提供任意方向的推力，其经常被用作主推进器。

但是，其难以实现合适的安装，若安装在船舶底部将显著增大船舶的排水量。

如下图所示：
全回转推进器
3）槽道推进器
槽道推进器主要是沿船舶的纵向贯穿安装于船壳上。

其通过锥齿轮由上部电机或柴油机驱动，向左舷或右舷旋转叶片，或者调整转速和方向可以产生推力。

通常可以在船艏或船艉安装2个或3个槽道推进器。

槽道推进器
当船舶没有显著的前进或后退时，由槽道推进器产生的作用于船舶上的合回转力矩将十分显著。

当船舶具有运动时，上述推进器产生的效果将急剧减小。

3.2推进器在动力定位系统中的作用
推进器使得船舶具有了操作性。

控制系统发出一系列的推力指令控制推进器，形成一个时变的推力系统，以抵消外在的时变的环境载荷来完成动力定位。

此推力系统包括一个特定方向的水平力和一个艏摇弯矩。

如果推进器能够产生任何方向的推力，那么仅通过两个推进器就能产生这个瞬时的推力系统。

但由于单个推进器的推力容量有限，仅仅两个推进器无法满足推力容量的要求，同时推进器系统必须满足船舶的可操纵性和可靠性，因此推进器系统中推进器的数目一般多余5个，但不是越多越好，因为还要考虑到推进器与船体及推进器间的相互影响等因素。

对于半潜式钻井平台，多数采用8个推进器。

此时的推进器系统便成了一个冗余系统，存在多个不同的推力和方向的组合，均满足特定的水平力和艏摇弯矩。

问题是应该向推进器发出什么样推力和方向指令，在这些组合中哪个是最优的，这是推进器的推力分配问题。

目前实际应用的推力分配方法有多种。

在这些方法的基础上进一步考虑推进器方位角禁区的选择和处理，可以快捷的绕过禁区，只旋转一个相对较小的角度就可以产生要求的推力。

推进器的选择
选择推进器是要推敲的因素很多，其中有些事以特定制造厂的经验为依据的。

推进器是用于产生力和力矩，来抗衡作用于船上的干扰力和干扰力矩。

动力定位所用推进器的涉及重要考虑许多因素。

例如，其反应速度、推进器尺寸、可靠性、效率、维护是否方便以及噪声高低等，都应予以考虑。

推进器的形式视推力的改变方法而定。

例如调距桨的推力输出是随螺旋桨螺距的变化而变化的。

推进器系统的另一个主要原件是推力机构的原动机，由于电动机容易和船舶电力系统匹配，而且还容易取得，所以通常用的是电动机。

动力定位控制器可以监控推进器系统的所有性能参数，下图为推力器系统与动力定位控制器之间的信号。

推进器的布置方案
动力定位船舶上推进器的布置还是应该遵循若干通则。

首先，船舶所受的作用力，要求用加载船舶纵轴和横轴方向的推力以及产生反力矩的推力来平衡。

产生反力矩的推力的最有效的方向，是与推进器所在点到船舶旋转中心之间的连线相垂直。

如果推力不是处在这个方向，那就可能造成某些损失。

对推进器能力的第一个要求，引出了推进器布置的第一条通则，即至少要用两台推进器。

列出推进器的力和力矩分配方程，即可理解为什么至少需要两台推力器。

根据纵向力、横向力和力矩的要求，应该列出三个方程[4]。

但是一台推进器只能解两个未知数。

这两个未知数就是推力的大小和方向。

因此要再加一台推进器，这样就可解出足够数量的未知数，如下列力和力矩方程所示：
1122cos cos x F F F θθ=+
1122sin sin y F F F θθ=+
11112222sin()sin()z M l F l F φθφθ=-+-
式中：x F 、y F ——分别为对抗船舶作用力所需的x 、y 方向的力。

z M ——反力矩，用以对抗船舶作用力对船舶垂直轴产生的力矩。

1F 、2F ——分别为第一和第二两台推进器的推力；
1θ、2θ——分别为第一和第二两台推进器的推力方向角；
12l l 、——分别为船舶旋转中心到第一和第二台推进器的已知距离；
12φφ、——分别为推进器x 轴与推进器到船舶旋转中心连线的夹角。

在采用两台定轴推进器时，往往一台推进器作纵向布置以保证进退平移，另一台则横向布置。

但是通常的做法总是将两只推进器的推力取得一样，而且力臂也大致相同。

如果船舶的力矩要求较高，则可根据定轴推力分配方程，将力臂取得尽可能大些。

如果拟采用的不是三台推进器，而是每处都采用若干台推进器，则可先求的各处的推力，然后将该推力平均分配于该处拟装的各推进器上。

但推进器一般不是上下重叠安装的，而是水平并列组成安装。

如上所述，如果旋转轴同一侧的各推进器具有大致相同的推力，则推力可均匀分配给各个推进器。

否则较大的推进器的功率不能全部发挥。

到目前为止已经确立的要点是：动力定位需要两只可转向的推进器，最好一只在旋转中心之前，另一只在该中心之后。

此外，最好将推进器布置得与旋转中心有一定的距离，以便利用足够的力矩，在设计环境条件下，保持船舶的艏向。

推进器在船上的安装位置，对推进器的设计有很大的影响。

此外，动力定位船舶不仅要求用推进器来定位，还要用以作为航行推进装置，这对动力定位推进器的设计也有一定的影响。

大多数船舶都采用普通推进装置来满足推进要求。

这种推进装置一般由两只螺旋桨组成，于船舶中心线对称地分布在船艉。

通常这种螺旋桨是敞式的，可以是调距型，也可以是调速型。

半潜式平台的情况于普通的船有些不同。

半潜式平台的浮力是由几个浸入水中的附体提供的。

在转移位置时，这些附体部分地露出水面或吃水很浅。

但是在作业时，这些附体所在的深度要比同排量的船舶的大得多。

此外，附体具有特
殊的形状和尺寸，以致其上不便于安装隧道推进器。

因此全回转推进器在半潜式平台上有一定的应用，而在普通的船舶上几乎没有用的。

半潜式平台选用全回转推进器的另一个有利之处是各附体上推进器之间的距离可以做的大些。

这一点是比较重要的，因为如果一只推进器排出的水流指向另一只推进器，则下游推进器就要损失相当一部分推力。

同样，推进器间距加大，对于增大力矩也是有利的。

在半潜式平台作业时，全回转推进器可以在最高效率下运转，所以这种推进器最为合适。

在采用全回转推进器时，同一个推进器的能量可以应用于任何所需的方向。

因此对于两周方向功率接近相等的半潜式平台，将定轴推进器所需功率和全回转推进器所需功率相比，可知，定轴推进器所需功率约为全回转推进器的1.4倍。

对于动力定位船舶，推进器的布置因船舶而异，影响因素很多。

主要因素是船舶的设计和功能，其它的影响因素还包括船舶吃水、冗余要求、船体结构和动力系统。

船舶的运动性能确定后，就要据此来进行推进器装置的选择和计算。

根据船舶的作业特点和工作环境的情况，从设计一开始就应明确动力定位设计级别，以确定推进器的备用和冗余配置方案。

推进器的配套需根据船舶动力定位的级别以及船舶的水上和水下的尺寸要素、排水量、重心、浮心以及其他几何中心的位置，综合计算来确定推进器的数量、规格和安装位置。

推进器的规格确定后，就要确定动力配置方案。

一艘动力定位船舶的推进器布置方案，主要有以下两种：1).全电推方案
即所有推进器（包括主推和侧推）均为电力推动，动力为发电机组。

因大多的动力定位船舶的主推进器，在动力定位工况下一般负荷不会大，电力推进的配置要方便全船动力在航行阶段和动力定位作业阶段的合理调配使用，相对来说减少了原动机的容量；同时电力推进可靠性高的特点，也有效减少了船员非常繁重的维护工作量，提高了船舶的可靠性。

但电力推进器昂贵费用限制了它的推广和使用。

2).柴—电方案
船用柴—电推进器的发展与应用在90年代末，在大型船舶上柴—电推进装
置可以产生比传统的机械推进装置更加平稳和安静的推力。

此外，推进器在船体内所占的空间小，有助于将柴油机以发动机组的灵活地安装，既可以为推进器提供动力，又可以为船上的其他设备提供服务。

这个方案是动力定位系统最早的方案，即中速柴油机驱动主推进器。

侧推选择电力推进器方案，其电力来源于主机的轴流发电机。

图11是推进器典型布置图:
图11：推进器布置图。