外挂式结构平台吊舱推进装置试验验证技术研究.pdf

第 卷 第 期江苏船舶.年 月.外挂式结构平台吊舱推进装置试验验证技术研究张勇明李葳蕤宋志国(启东中远海运海洋工程有限公司江苏 南通)摘 要:以 极地高冰级大功率推进装置为研究对象经过平台搭载、稳性计算、系统仿真设计、满负载工况下平台强度计算和模块化吊装试验技术方案建立一种用于安装推进器的模块化箱体式外挂结构平台 结果表明:模块化结构平台为箱体式的结构设计利于独立吊装能够提高一次性成功率且完全可以承受 大功率推进装置的满负载瞬时扭振并易于改造及重复利用增强了设计的灵活性关键词:试验验证驳船吊舱推进器推进器结构基座模块化中图分类号:.文献标志码:./.引言吊舱式推进装置是近 年发展起来的一种新型船舶推进装置是极地船舶的核心设备 目前极地船舶吊舱式推进装置技术被国外少数公司所垄断 国内高冰级大功率吊舱式推进装置完全依赖进口严重制约了我国极地船舶的自主配套并成为极地船舶国产化发展的瓶颈因素因此本文将结合大型无动力驳船与外挂结构平台上安装的吊舱式推进器在敞水区域开展极地高冰级大功率吊舱式推进装置与船舶总体匹配、作业模式、环境适应性、运动性能及试验验证等技术研究确保试验数据更接近于推进器研发要求的准确性实现 级推进装置工程样机在 范围内旋转回转角度控制精度不大于 具备实船安装应用条件 试验验证的技术基础试验验证是吊舱推进器核心能力之一主要体现在以下 个方面:试验验证是确保型号任务一次成功的关键因素之一试验验证是确保适航是否符合目标要求的重要方法之一试验验证是持续获得新技术、新装备及新工艺的主要方法之一.吊舱式推进装置简述吊舱的研制需要兼顾敞水性能、破冰性能和冰收稿日期:基金项目:高技术船舶科研项目资助()作者简介:张勇明()男工程师主要从事轮机工程及自动化研究区航行的操纵性能 吊舱与船舶的匹配性的好坏会影响到极地船舶的推进效率、破冰能力和航行中的安全性是吊舱研制成功的重要条件吊舱式推进装置即推进电机和螺旋桨都是在船体的外部螺旋桨和低速电机直接连接没有中间轴和减速机构只有少量的控制设备和系统布置在推进器舱内 其主要构成见图 图 吊舱式推进装置 吊舱式推进装置是电推系统的核心系统主要包括:转舵单元、推进单元、电控系统、辅助系统等 大功能模块 其中:电控系统包括主推进遥控系统、健康状态监控系统和动力系统辅助系统包括桨轴密封系统、润滑系统、滑环单元、空气冷却系统及气动控制系统吊舱式推进装置的技术参数见表.吊舱式推进装置的优势()采用拉式螺旋桨体现出双向破冰的优势()冰区转向灵活操纵性优越()没有机械方面强度限制(锥齿轮)配套功率大 第 期张勇明等:外挂式结构平台吊舱推进装置试验验证技术研究 ()电机直接驱动螺旋桨响应速度快()抗过载能力强表 技术参数舵桨型号原动机型式/永磁同步电机电动机最大功率/电制 螺旋桨转速/()螺旋桨形式 叶定距桨螺旋桨直径/回转形式电机驱动()系柱推力/因此高冰级大功率吊舱式推进装置是极地船舶的首选 吊舱式推进装置单套功率高达 吊舱推进电机可以在低转速时输出过载扭矩使得吊舱式推进装置可以轻松应对突变负荷的影响甚至可以应付螺旋桨短时堵转的情况此外吊舱式推进装置可以 回转可迅速为船舶任意航向航行提供最大扭矩使船舶具有卓越的操纵性能吊舱式推进装置与常规推进器对比见表 表 吊舱式推进装置与常规推进器对比内容吊舱式推进装置常规推进器推进电机集成独立推进器底座无独立中间轴无有减速箱无有转舵机构电动液压滑油系统集成独立螺旋桨和轴有有舱室占用面积小大.验证的主要目的验证的主要目的:验证吊舱式推进装置的各功能及相关性能指标能否满足设计要求该推进装置系统、部件及辅助系统是否适合预定的研发目标、符合监管机构的要求是否能提供试验数据记录作为客户及主管机构的接受依据.验证的对象分析在已掌握相关的技术基础之上对极地吊舱式推进装置的试验验证还需突破以下关键技术:极地船舶吊舱式推进装置操纵策略、吊舱推进系统接口匹配设计技术、可靠性的高精度回转驱动技术、高冲击载荷下的吊舱包结构安全性技术、高冲击载荷下的螺旋桨可靠性连接技术、瞬时大负载作用的推进电机系统稳定运行技术 其中:最为重要的电气遥控系统包含了主推进控制系统、吊舱状态监控系统、动力启动系统等分布在各成员系统内部的机内测试装置和传感器完成对本系统或与连接的其他系统的故障检测和状态监控 吊舱式推进装置遥控系统图见图 图 吊舱式推进装置遥控系统图.验证的主要层次()设备层即静态试验验证安保功能试验:推进装置安全保护与报警功能试验正确性各个系统部件及检测点的检查()系统层即水下动态综合耐久试验转舵单元功能试验验证:验证吊舱桨转舵装置是否满足设计要求及正确性推进单元功能试验验证:验证吊舱桨的推进功能是否满足设计要求()应用层即遥控控制功能试验验证综合运转功能试验验证:验证吊舱的空载运转是否满足设计要求及正确性 试验验证的主要方案.试验驳船试验验证技术是研究吊舱式推进装置流畅和水动力性能的一个重要手段 结合吊舱式推进装置置于船体外的特性根据吊舱桨系柱推力(约 )采用驳船(船长.型宽.型深.结构吃水.甲板载荷 /)接载外挂结构箱体平台整体安装吊舱式推进装置的方案承载本次试验验证(见图)驳船为非自航半潜甲板驳与吊舱式推进装置搭载后按规范进行稳性计算.外挂式结构平台作为承载本次试验安装主体的外挂结构平台结合设备重量及推进曲线设计结构见图 江 苏 船 舶第 卷.结构有限元分析船体结构模型每一个分段都由结构板材与加强筋组成单元在骨架间距内包含了所有主要构件常常是临界分段的加筋板单元容易发生崩溃 因此建立分段有限元模型对底座进行强度校核 有限元模型见图 图 吊舱式推进装置试验平台图 吊舱式推进装置外挂结构平台图 有限元模型 根据 船规 推进装置基座许用应力为.其中 为材料屈服强度 屈服合成应力汇总见表 最大合成应力图见图 表 屈服合成应力表构件材料屈服强度/许用应力/最大应力/利用率船体.推进器基座.图 最大合成应力(单位:).全船稳性分析在驳船尾部改装外挂平台势必增加驳船结构质量其中吊舱式推进装置本体质量约为 辅助设备及系统质量约为 结构底座平台质量为 发电机组质量为 基于规范和 软件计算平台要求稳性衡准分别为:()拖航工况下稳性衡准数 不小于()拖航工况下本船复原力臂曲线的消失角应不小于.()拖航工况下本船最大复原力臂对应角或进水角为止的取较小复原力臂下的面积不小于.()拖航工况下本船最小修正后的初稳性高度不小于 根据计算软件 规定:本船原点纵向位置取在肋骨 号处指向艏部方向为正横向取在船的中心线处指向左舷为正计算结果中左右舷分别用、表示垂向取在船基线位置 指向上方为正模型见图 基于 规范的计算稳性曲线见图 稳性计算检查结果见表 图 驳船模型稳性计算示意图图 计算稳性曲线表 稳性计算检查结果项目标准数值实际值结果消失角/().通过面积最大值/().通过 试验验证的资源配置.主电网的配置根据吊舱推进器主电机功率 及辅助设备 第 期张勇明等:外挂式结构平台吊舱推进装置试验验证技术研究 用电负荷需求主电网配置如下:()台 集装箱式柴油发电机组变频启动方式自动同步及负载管理系统()台整流器及变压器、台热交换器、台深水冷却泵.轴承润滑系统设计临时滑油油箱通过油处理单元连接管路到 轴承接口 试验验证的程序设计根据对吊舱式推进装置在敞水区域的试验程序设计研究在运行过程中对于大负载工况下吊舱式推进器的抗冲击适应能力、推进电机循环冷却能力、低速大扭矩与低速稳定性能力、分析桨叶与吊舱的相互作用与远程遥控转舵角度建议至少不限于以下程序试验验证:()启动联锁功能试验按照触摸屏上启动联锁条件顺序模拟所有联锁条件满足启动连锁要求主推变频器处于遥控位置且变频器“准备就绪”信号有输出触摸屏上按“启动”按钮变频器“运行”信号有输出按照触摸屏上启动联锁条件顺序分别模拟每一条联锁条件不能满足启动连锁要求后且变频器“准备就绪”信号有输出触摸屏上按“启动”按钮变频器“运行”信号无输出()降速功能试验按照降速条件顺序模拟每一条降速条件转速信号降为当前速度一半()停机功能试验按照触停机条件顺序模拟每一条停机条件停机指令发出停机信号()随动及非随动转舵控制试验在遥控调速模式下激活备用控制功能依次按下备用左舵/右舵按钮检查制动器是否正确分闸和合闸回转装置是否按照指令运行试验过程中分别记录低速(/)正转 圈、反转 圈状态下的变频器的电流和转矩试验过程中分别记录回转电机在全速下正转 圈、反转 圈时的回转时间回转时间应不超过/圈试验结束后测量回转润滑油箱内油温和回转滑动轴承的温度无异常上升并记录回转润滑油箱内油温和回转滑动轴承的温度值()舵角指示功能试验正转、反转各 圈的状态下使用备用回转控制功能将回转装置依次放置在、及 舵角附近位置处 各位置状态下电气舵角指示及实际舵角位置相差不超过 为合格 此项内容可与随动转舵控制试验同时进行()推进遥控加减速控制功能试验在遥控面板上按下“备用开”按钮激活备用控制系统检查桨轴转速是否增加到设定转速(/)旋转方向为顺时针过程中检查桨轴密封无异常温升和噪声试验结束后测量回转润滑油箱内油温和回转滑动轴承的温度无异常上升并记录回转润滑油箱内油温和回转滑动轴承的温度值()综合运转及满负载运转功能试验装置处于遥控状态通过驾驶室手柄同时操作电机转速和回转角度检查吊舱装置的运转功能螺旋桨转速从 逐渐加速到 /同时回转角度按()的顺序进行操作主推运转时间不小于 装置处于遥控状态通过驾驶室手柄同时操作电机转速和回转角度检查吊舱装置的运转功能螺旋桨转速从 /逐渐减速到 同时回转角度按()的顺序进行操作主推运转时间不小于 结语本文介绍了利用驳船加装外挂平台对吊舱式推进装置进行安装及试验验证其各项性能指标的技术方案 作为我国自主研发的大功率吊舱式电力推进装置应该加大力度开展基础试验和应用试验的研究加速试验技术积累弥补自身薄弱环节 该方案初步建立了吊舱式推进装置的敞水区域和自航的试验验证方法在直航或者斜航状态下螺旋桨推力、扭矩及吊舱阻力都达到了预期设计参数目标也较好地检验了各辅助系统性能记录成册最后形成全面的最真实的试验报告为提高我国吊舱式推进器自主研制水平提供坚实的技术试验验证支撑参考文献:张庆文 王言英.吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算.船海工程 ():.沈兴荣 蔡荣泉 冯学梅 等.粘性流场中吊舱推进器水动力性能数值研究.中国造船 ():.李恒 郎元荣.船舶与海洋工程结构极限强度分析.科技资讯 ():.徐亮.吊舱推进船舶运动数学模型与自抗扰控制研究.大连:大连海事大学.康登登.基于 方法的 吊舱式集装箱船水动力性能研究.杭州:浙江大学.