鉆井平臺傾角全回轉推進器優(yōu)勢概述

程偉俊，蔣愛國，朱征宇，張 磊

（中海油田服務股份有限公司，河北 燕郊 065201）

0 引 言

隨著深海石油和天然氣勘探活動日益頻繁，作業(yè)水深不斷增加，海洋鉆井平臺在某些海域遭遇惡劣氣候狀況的概率逐漸增大，作業(yè)難度不斷提高；同時，有關其航行性能、操縱性能及定位系統(tǒng)的要求日益嚴苛。因此，需實現(xiàn)鉆井平臺推進系統(tǒng)的技術突破，優(yōu)化其推進性能、提升其推進效率，同時，必須兼顧平臺操縱的靈活性。全回轉推進系統(tǒng)是一種推進與操控合一，可提供任意方向推力的全方向推進裝置，是滿足鉆井平臺動力定位特殊要求的推進與操控合一的動力系統(tǒng)[1]。

全回轉推進器的軸是豎向立軸，螺旋槳可繞軸線作360°的回轉，可在任意方向上獲得最大推力；鉆井平臺能實現(xiàn)原地回轉、橫向移動、急速后退和在微速范圍內(nèi)操舵等特殊操縱。全回轉推進器憑借自身可觀的推進效率、優(yōu)良的操縱性能及便捷的安裝維護等優(yōu)點，受到業(yè)內(nèi)相關人員的廣泛關注。全回轉推進器已成為船舶與海洋鉆井平臺動力定位依賴的重要裝備。

1 全回轉推進器研究現(xiàn)狀

肖爾特公司是較早開始生產(chǎn)全回轉螺旋槳的廠家，其主要產(chǎn)品有Z型回轉推進器和Z型雙槳全回轉推進器，其中Z型雙槳全回轉推進器SPR對船舶的舵槳系統(tǒng)進行了性能優(yōu)化，可提升20%的推進效率[2]。羅羅公司開發(fā)的 Azipull全回轉推進器具有流線型附體，利用單機低速齒輪傳動，采用牽引式螺旋槳，將其應用到海洋供給船上，對提高船舶的推進效率有很大作用[3]。

然而，隨著研究的不斷深入，推力系統(tǒng)的水力干擾問題成為全回轉推進系統(tǒng)推力設計中需重點考慮的問題。在船體底部工作的推進器與船體和附近推進器之間會產(chǎn)生復雜的相互干擾。目前尚無較為完善的理論方法來精確計算這些干擾，大多數(shù)預測還是通過基于模型試驗的半經(jīng)驗方法進行。

LEHN[3]和MOBERG等[4]等對2個螺旋槳呈前后布置的形式進行試驗，結果表明，2個螺旋槳距離越近，干擾問題越嚴重，船舶尾流會在相當大的范圍內(nèi)對下游螺旋槳產(chǎn)生影響，在16倍直徑距離處推力損失仍在25%左右[4]。

由于船體形式和推進器方向有很多種，螺旋槳與船體之間的干擾問題較為復雜。在實際設計中，需考慮的干擾形式有以下幾種。

(1) 摩擦力：當在平坦的船體底部安裝推進器時，推進器尾流將緊貼船底板，產(chǎn)生與推力方向相反的摩擦力，導致推力衰減，衰減幅度為 20%～25%；當在船體端部安裝推進器時，尾流在沿著船體流向另一端的過程中會產(chǎn)生很大的摩擦力。

(2) 柯安達效應：當船體表面（如舭部連接處）為曲面時，螺旋槳尾流沿著曲面擴散，在曲面附近形成低壓區(qū)域，造成壓差阻力，從而抵消部分推力。NIENHUIS[5]曾用不同形式的舭部和舭部半徑進行研究，結果顯示：舭部半徑越大，推力器距離舭部越遠，則柯安達效應越強，壓差阻力越大，推力衰減可達到15%。

(3) 雙浮體的影響：ENGLISH[6]研究發(fā)現(xiàn)，當螺旋槳安裝在非常靠近平坦的船體底部且距離大半徑艙部較遠時，尾流跡線偏轉角度可達29°，大大超過開放水域中的尾流擴散角8°～10°。這會對雙浮箱半潛式平臺造成相當大的影響，因為向上偏轉的尾流會直接沖擊到另一個浮箱，導致總推力損失。NIENHUIS[5]曾測量另一個浮箱受到的力為螺旋槳推力的8%～12%。

經(jīng)過近幾年的研究，大部分相關學者及公司都得到相同的結論，即：當上游螺旋槳改變角度或增加距離時，可減小其尾流對下游螺旋槳直接而強烈的沖擊，同時可減少推進器尾流與船體間的相互干擾，且干擾問題能得到改善。NIENHUIS[5]和LEHN[3]的試驗結果都證明了這一點，其對不同的角度和不同的距離進行試驗，試驗結果一致，改變角度能大大改善推力損失狀況，特別是當兩槳之間的距離較大時，在 10°范圍內(nèi)的角度調整對避免干擾非常有效。

2 傾角推進器性能

瓦錫蘭公司制造出一種新的推進器，使得動力定位裝置的性能得到進一步提高。在設計過程中，不僅優(yōu)化單個推進器在開放水域的動態(tài)性能，還分析完整的船舶推進性能?；谠撛O計制造推進器螺旋槳軸向下傾斜8°的推進器。圖1為直角推進器和傾角推進器直觀圖。本文基于瓦錫蘭公司的8°傾角推進器進行性能分析。

圖1 直角推進器與傾角推進器直觀圖

2.1 傾角推進器在鉆井平臺航行時的性能

對于鉆井平臺或鉆井船而言，航行是其重要的操作工況。圖2給出BULTEN等[7]通過數(shù)值模擬得到的直角推進器和傾角推進器水力學分析及模型試驗的流線圖。從圖2中可看出，艉部流線的差異是顯而易見的，在鉆井平臺或鉆井船航行期間，直角推進器的推力衰減系數(shù)約為 0.22，而 8°傾角推進器的衰減系數(shù)僅為0.01，這很好地解釋了為何圖2中傾角推進器的尾流沒有與船底發(fā)生任何接觸。

2.2 傾角推進器與船體的作用

推進器與船體相互作用的流線圖見圖3和圖4。圖3為推進器與船體沿平坦的船體表面相互作用的結果。傳統(tǒng)的直角推進器在相同距離處下游的流線與船底板之間產(chǎn)生相互作用。在虛線標示區(qū)域，由于與船體的相互作用，流線發(fā)生偏轉，這將導致沿船體的流速加快，因此摩擦損失增加。傾角推進器的流線充分向下偏轉避免與平的船底板相互作用。對于給定的船體長度，傾角推進器的推力衰減在5%左右；直角推進器的推力損失在20%左右。

圖2 航行時2種推進器對比

圖4中的流線指示半潛式鉆井平臺推進器側推的方向。傳統(tǒng)的直角推進器的尾流與第二浮箱相互作用，可通過流線的偏轉及船體表面增加的側壓力清晰地判斷。傾角推進器的尾流向下偏轉，因而沒有觀察到其與第二浮箱有明顯的相互作用。直角推進器的推力衰減系數(shù)約為50%，而傾角推進器僅＜5%。

流線可用來估算螺旋槳推出的水流的偏轉量和尾流的擴大角度。常規(guī)的直角推進器的尾流與水平軸線成一條直線與預期是一致的。但是，8°傾角推進器產(chǎn)生的有效推力軸線只向下偏轉5°，相對于軸線有明顯的角度減小。尾流在2種情況相對于軸線的擴大角度都大約為4°。5°的有效推力軸線結合4°的尾流擴展角直接導致尾流最小向下偏轉1°。傾角推進器推出的水流向下偏轉限制在1°，因此不會對浮箱產(chǎn)生明顯的干擾。基于該方法可得出傾斜角度＜8°的推進器會與船體產(chǎn)生一定的相互作用的結論。該結論與其他出版物中提出的研究結果相同[8,9]。

圖3 推進器與船底板的相互作用示意

圖4 推進器與浮箱相互作用示意

2.3 傾角推進器之間的作用

推進器與推進器之間相互作用的分析比推進器與船體之間相互作用的分析更為復雜。對于推進器之間的相互作用來說，2個推進器之間的距離和上游推進器的轉動角度都是重要的參數(shù)。2個推進器之間的相互作用可通過上游推進器的流管圖顯現(xiàn)。圖5為推進器與推進器相互作用示意，2個推進器都為5°操作角。理論上已知的是在7倍螺旋槳直徑距離內(nèi)，禁區(qū)大概為16.8°。因此，在5°操作角情況下，推進器不可避免地會發(fā)生相互干擾。

圖5 推進器與推進器相互作用示意

從圖5中可明顯看出，直角推進器之間的相互干擾很明顯。上游推進器的圓形部分被吸入到下游推進器。雖然仍在5°的操作角上，但傾角推進器間的相互干擾小得多。下游推進器的流管圖形變得更圓，直接導致傾角推進器比直角推進器的禁區(qū)小。

2.4 確定禁區(qū)

以8個推進器的半潛式平臺為例，在任意2個推進器成直線的方向上將發(fā)生干擾，當直角推進器在側方向上產(chǎn)生推力時，推力損失約有50%。推力損失是由推進器與推進器的相互作用產(chǎn)生的。禁區(qū)可基于推進類型及推進器的距離計算得出。

對于傾角推進器來說，唯一的推力損失來源于部分情況下推進器的相互干擾，在所有工況下，最大的推力損失僅有5%。圖6為推進器在不同操作角下的推力損失。

圖6 推進器在不同操作角下的推力損失

2.5 推進器的定位能力

為進一步估算獨立的推進器在目標方向上的有效推力，建立一個簡單的數(shù)值模型，每個推進器都被定位在目標推力方向上。此外，對每個推進器的轉向角都進行評估，避免所有的禁區(qū)。假設有一個推進器單元被放置在禁區(qū)內(nèi)，通過調整操作角來避免禁區(qū)。

基于該模型，可確定8個推進器在滿功率情況下的可用推力。8個推進器在要求的方向上的總推力與總的可用系柱拉力正?；?。

直角推進器與傾角推進器之間的差異可通過不同的方式進行評估。圖7用2種方法來呈現(xiàn)差異。圖7a）中繪制有2個極坐標圖。由圖7a）可知，直角推進器只覆蓋傾角推進器的一部分。為更詳細地量化傾角推進器與直角推進器的差異，給出圖 7b）。圖 7b）中：上部虛線顯示的是傾角推進器在側方向上操作（90°或270°）時的最大推力增益約為35%；下部虛線顯示的傾斜推進器向前的推力增益，約為9%；在360°方向上的可用推力的平均增加量約為19%。

圖7 傾角推進器優(yōu)勢對比

3 結 語

通過分析，得到以下結論：

(1) 由導流罩噴出的流線圖可直觀地發(fā)現(xiàn)，8°傾角推進器可有效避免與船底及浮箱的之間的相互干擾和推進器與推進器之間的相互干擾，有效增加平臺的定位能力。

(2) 分析推進器尾流與船體及浮箱的相互作用，傾角推進器可有效減小與船底板的摩擦；分析傾角推進器傾角的選擇依據(jù)，8°傾角推進器的尾流軸線只有5°，而尾流擴散角度為4°，因此可避免尾流與浮箱的相互干擾。

(3) 對比分析傾角推進器與直角推進器的禁區(qū)，傾角推進器的推力平均比直角推進器增加19%左右。

(4) 傾角推進器對比直角推進器具有更獨特的優(yōu)勢，后期將在鉆井平臺傾角推進器及直角推進器經(jīng)濟性方面進行信息收集和對比研究。

【 參 考 文 獻 】

[1] 郁玉峰，梅斌賢，徐高峰，等.大功率海工可調螺距全回轉推進系統(tǒng)[J].中外船舶科技，2015 (4): 20-23.

[2] 王培生.全回轉推進器的水動力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007: 4-8.

[3] LEHN E.Thruster Interaction Effect[R].The Ship Research Institute of Norway (NSFI Report), 1980.

[4] MOBERG S, HELLSTR?M A.Dynamic Positioning of a Four-Column Semi-Submersible-Model Tests of Interaction Forces and A Philosophy about Optimum Strategy when Operating the thrusters.[C]//Proceedings of the Second International Symposium on Ocean Engineering and Ship Handling, pp443-480,March 1-3, 1983.Gothenburg, Sweden.

[5] NIENHUIS U.Analysis of Thruster Effectivity for Dynamic Positioning and Low Speed Manoeuvring[D].Dissertation of Technical University Delft, 1992.

[6] ENGLISH J W.Propeller/hull interaction[C]//Proceedings of the 14th International Towing Tank Conference, 1975.

[7] BULTEN N, STOLTENKAMP P.DP-capability of tilted thrusters[C]//Dynamic Positioning Conference, Houston, 2013.

[8] MATTILA M, YLITALO J.Semisubmersible rig – the reliable solution with minimal thrust losses[C]//Dynamic Positioning Conference, Houston, 2002.

[9] JüRGENS D, PALM M, AMELANG A, et al.Design of reliable steerable thrusters by enhanced numerical methods and full scale optimization of thruster-hull interaction using CFD[C]//Dynamic Positioning Conference, Houston, 2008.