DP定位船舶推力系统设计原则

【摘

要】动力定位系统（Dynamic　Positioning　System）是一种闭环的控制系统，其采用推力器来提供抵抗风、浪、流等作用在船上的环境力，从而使船尽可能地保持在海平面上要求的位置上[1]。其中推力系统是动力定位系统的一个组成部分，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。本文阐述了推力系统设计时的几个原则。

【关键词】推力系统；推进器；设计特点

1.引言

推力系统是动力定位系统的执行机构，其作用是按照控制系统发出的一系列推力指令，形成一个时变的推力系统，以抵消外在的时变环境载荷[2]。

最新的动力定位系统的推力分配除了正常工作时的推力分配，还要求在系统部分受损的情况下，依然能够进行合理的推力分配以达到定位。

按照IMO的分类[3]，现有3种不同冗余度的动力定位系统：第一种是无冗余的动力定位系统，即系统受到一定的干扰和损坏就不能完成定位任务；第二种是有冗余的动力定位系统，即系统在单个设备有故障的情况下依然能够完成定位；第三种是有备份的动力定位系统，即在整个系统受到严重破坏的情况下，可以启动备用系统进行动力定位。

2.推力系统的组成

动力定位的推力系统一般由若干个不同类型的推进器组成，根据动力定位设计的要求分别布置在船舶的不同位置，推进器类型主要包括主推进器[4]，侧向推进器，全回转推进器等几种形式。

3.推力系统的设计

传统的船舶推力系统的设计主要侧重于获得较高的航速和最佳的效率，而动力定位则偏向于在较低进速时的推力输出。这就使得动力定位推力系统更加复杂，在尺寸选择、布置形式、推力分配和性能表现方面提出的更高的要求。

一般地，推力系统的设计主要按以下几个步骤来进行：

3.1计算极限外环境载荷。准确计算外环境力是能够设计出合理推力系统的基础，外环境载荷资料是否准确直接关系到设计的好坏甚至成败。平台在海上所遭遇的环境条件主要有三种：风、波浪和海流。由于动力定位只对低频水平载荷做出响应，除了考虑长周期变化的风和流载荷外，波浪载荷则只计及其中的低频慢变部分，即波浪漂移力。

3.2优化推力器的布置和推力分配方案。在第一步计算出各种环境力的基础上，得到作用于船舶上的干扰力。为了实现动力定位，推力装置所发出的推力要恰好抵消这个干扰力并且使用尽量少的响应时间[5]。推力器的布置应该能使推力系统能在最少的推力器个数的情况下提供足够的推力，尽量布置在船舶或平台的首尾两端。同时应该考虑推力器之间以及推力器与船体之间的干扰因素，尽可能的降低干扰，减少推力损失[6]。

3.3推力器的功率确定及选型。在动力定位控制中，根据分配给螺旋桨的力，要求螺旋桨的转速，则必须知道螺旋桨的推力计算模型。一般推力器的推力和扭矩计算模型是通过船池试验或空泡试验而来，这种模型是一种准静态模型，并不能描述推力器的过渡状态[7]。Ralf　Bachmayer等人提出了一个精确的四象限非线性动力学模型，并通过试验验证了该模型的有效性。

3.4推力器的驱动系统设计。包括选择驱动推力器发动机、驱动系统的设计等。推力系统驱动推力器发动机一般为柴油发动机或电力发动机。推力器系统要比普通螺旋桨复杂，因为动力定位对推力器系统有一些特殊要求，比如大部分时间发动机都是在低速运行、发动机要有很好的机动性还应对突变的海况等，而这些要求是常规船用螺旋桨所不需要的。有两种系统可以采用：一种是调距系统，一种是调速系统。同时，推进器的伺服机构必须有比较准确和快速的响应能力。

3.5推力器系统的冗余度考虑。由于海洋工程的作业环境非常复杂，很可能出现极端恶劣的海况。这就要求动力定位系统具有一定的冗余度，推力系统的冗余度水平是由严格的规范所保证的。因此必须严格按照的相应船级社规范要求进行推力系统设备部件的设计和布置，以达到船东指定的冗余度级别。对设备本身的能力也应该考虑冗余要求。如对推力器的设计时应使其保有一定的冗余推力。

4.推力系统的设计原则[8]

动力定位操作本身的特殊性使其推力系统的设计较之普通船舶推进器有了非常鲜明的特点。

第一：从推力器效率上讲，动力定位推力系统在设计时应当在低功率水平上寻找最佳效率。这是因为动力定位船设计时需要考虑在及其恶劣的环境下生存，而这种环境发生的统计概率又很小，所以在大部分作业时间中推力系统都以比较低的功率水平工作。

第二：动力定位推力系统的运行模式具有多样化的特点。DP系统的推力器经常会在不同的模式下运行，比如动力定位模式（来流速度较低）和迁移航行模式（来流速度较高）。不同模式下推力器的推力特性差异很大，若仅以动力定位模式设计螺旋桨，可以按系柱模式进行，但是对十迁移航行模式显然不适用。综合考虑两种工作模式，一般是在低进速与迁移航速间选取折衷设计点。

第三：从可靠性方面来讲。动力定位船舶或者平台经常会长时间离岸工作，不能及时的得到维护和支持，因此可靠性成为动力定位系统设计中的重要要求。在相关规范的严格要求下，DP系统本身就被设计为具有冗余度的系统。即使某些部件失效，系统还是会以一个相对较低的水平继续工作。

第四：推力器的推力大小和方向以必须是可以控制的。这保证了推力系统可以在环境载荷随机性很强的情况下进行定位。推力大小一般可通过变转速或者变矩来实现。某些DP推力器甚至需要长时间有效的在两个方向产生推力，而普通船舶推进器仅仅在反向操作或停止时偶尔使用反向力。

第五：由于动力定位系统可能会装备有声学测量系统，要保证定位的可靠性还必须要求推力器具有低噪声的特性。从空泡和螺旋桨整体布置等方面尽量避免推力器噪声对声学测量系统产生不利影响。

5.结语

动力定位推力系统作为动力定位系统的执行机构，对于整个定位过程起着关键的作用。只有在推力系统完好的前提下，才能深入优化推力的分配和保证精确的控制。本文对动力定位推力系统中主要应用的推力器形式做了简要的介绍，概括了推力系统的设计过程及阐述了推力系统设计时的几个原则。以期能对推力系统有更加深入的了解，从而能更好的研究动力定位系统。

（江苏科技大学2012年本科生创新计划）

参考文献

[1]赵志高，杨建民等.动力定位系统发展状况及研究方法.海洋工程，2002，20（1）.

[2]吴显法，王言英.动力定位系统的推力分配策略研究[J].船海工程，2008，27（3）：92.96.

[3]孙武.动力定位系统规范介绍[J].上海造船，2003（1）：55—57.

[4]张申，王磊.动力定位推力系统研究.实验室研究与探索.2010.29（10）.

[5]杨世知等.动力定位推进系统中桨一桨干扰研究进展[J].实验室研究与探索，2009，28（11）：17-24.

[6]Lehn，E.Thrusters　in　extreme　condition，　part　2，　Propeller/hull　interaction　effects[R].　FPS-20001.6B，　January，　1990.

[7]刘应中，缪国平.船舶在波浪上的运动理论[M].上海交通大学出版社.1987.

[8]陈恒.深海半潜式平台动力定位推力系统设计研究[D].上海：上海交通大学，2008.