豪華郵輪轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)的技術(shù)探討

楊 剛，孫瑞紅，葉欣梁 YANG Gang,SUN Ruihong,YE Xinliang

（上海工程技術(shù)大學(xué) 管理學(xué)院，上海 201620）

改革開放以來，我國船舶工業(yè)在造船模式、總產(chǎn)量和國際競爭力等方面實現(xiàn)了快速發(fā)展，船舶建造能力和水平明顯提高，造船能力國際領(lǐng)先，在造船三大指標(biāo)方面連續(xù)保持世界第一，我國已經(jīng)成為了全球矚目的船舶制造大國。但是與歐美等造船強國相比，目前豪華郵輪的建造經(jīng)驗以及技術(shù)依然十分欠缺，豪華郵輪的自主設(shè)計和建造已經(jīng)成為了我國由造船大國向強國轉(zhuǎn)變的亟待突破的領(lǐng)域。

早在2015年5月，國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》，這份戰(zhàn)略性文件明確提及將突破豪華郵輪設(shè)計建造技術(shù)作為主要目標(biāo)之一。2018年5月，中船動力有限公司牽頭論申報成功了《郵輪動力系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)集成及調(diào)試技術(shù)研究》項目，該項目獲得了工信部的立項批復(fù)。這標(biāo)志著中船動力開啟了本土豪華郵輪動力技術(shù)方面的實質(zhì)性研究。2018年10月，在進博會期間召開的中央企業(yè)國際合作論壇上，中船集團與嘉年華集團及芬坎蒂尼集團簽訂了2+4艘Vista級郵輪建造合同，合同金額高達46.2億美元，并由上海外高橋造船廠負責(zé)承建。這意味著我國第一艘國產(chǎn)郵輪的建造已經(jīng)進入了實質(zhì)性的施工階段，這次發(fā)展機遇將大力推動我國船舶工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，但同時也面臨較大的建造風(fēng)險和挑戰(zhàn)。

1 豪華郵輪轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)的特點及要求

為滿足豪華郵輪在海上轉(zhuǎn)向、進出狹窄航道與入港的機動性要求，郵輪配備的轉(zhuǎn)向操控裝置顯得極其重要。目前豪華郵輪大多數(shù)采用芬蘭瓦錫蘭公司的吊艙式推進器系統(tǒng)，同時在船的前面配備四套船首側(cè)推器輔助船只的航行，每只船首側(cè)推器的直徑將近有4米。盡管豪華郵輪的水下部分是流線型的，但是水上龐大的船體部分卻是郵輪設(shè)計建造的巨大挑戰(zhàn)。因為船體的風(fēng)速剖面較大，同時豪華郵輪還面臨著海上變幻莫測的天氣。在惡劣的天氣條件下，船長要想操控郵輪順利航行，郵輪的轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)功不可沒。吊艙式推進器可以讓船只快速到達指定位置，保障了巨型船只在較小港口優(yōu)良的轉(zhuǎn)向控制能力。這一系統(tǒng)不僅使得豪華郵輪有了無與倫比的轉(zhuǎn)向控制力和轉(zhuǎn)向精度，還大大提升了郵輪在航行過程中的可操作性。全回轉(zhuǎn)式吊艙推進器不僅是郵輪建造工業(yè)的一項革命性的成果，也是全球造船技術(shù)上的一項創(chuàng)舉。

2 豪華郵輪轉(zhuǎn)向推進技術(shù)的歷史演變（如圖1所示）

圖1 技術(shù)演變圖

（1）明輪推動技術(shù)：轉(zhuǎn)向控制技術(shù)源自于英國的造船工程師露西·柯林斯的發(fā)明——明輪。在這之后，美國工程師富爾頓應(yīng)用明輪技術(shù)以及結(jié)合蒸汽機技術(shù)發(fā)明了克萊蒙特輪船，這種船能夠很好的行駛在江上及海上，它依靠明槳動力進行推進。由于明輪船擁有比較好的轉(zhuǎn)向控制能力，使得這一時期的船只擁有了穿越大西洋的能力。但是由于海上的風(fēng)浪較大，船只左右晃動時，很容易造成明輪的空轉(zhuǎn)，就會浪費了很多的動力，同時明輪的體積較大、易損壞，明輪船逐漸被淘汰。

（2）螺旋槳推進技術(shù)：發(fā)明家柏內(nèi)基于阿基米德螺旋泵的原理，他將這種螺旋泵的技術(shù)應(yīng)用在了船只上面，螺旋槳可以在水中推動船只前進。1836年弗蘭西斯·史密斯獲得了旋轉(zhuǎn)螺旋槳的專利，這種螺旋槳可以用來驅(qū)動重達6噸的船只，后來他發(fā)明了縮短的螺旋槳，這種推進器克服了明輪的弱點，它成了現(xiàn)代螺旋槳推進器的前身。此后螺旋槳轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)成為海上船只的主要推進方式，這種推進技術(shù)距今已有將近180年的歷史。

（3）舵槳推進技術(shù)：這一技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，這是由德國工程師約瑟夫·貝克爾提出的，他設(shè)計了被稱為舵槳的裝置，它既可以有效控制船舶的行進方向，同時還可以為船舶的行進提供推動力。放置在水下的螺旋槳可以為船只提供動力，并且有效地控制船只前進的方向，這種船舶的動力源可以高效的滿足船舶的需要，這個發(fā)明是相對于螺旋槳推進技術(shù)是革命性的。

（4）全回轉(zhuǎn)式吊艙推進技術(shù)：借助于舵槳的理念，造船工程師將這一設(shè)計思想運用到豪華郵輪上，發(fā)明出了全回轉(zhuǎn)吊艙式推進系統(tǒng)。與傳統(tǒng)固定在船體的螺旋槳軸系推進系統(tǒng)以及舵槳推進系統(tǒng)不同，全回轉(zhuǎn)式吊艙可以實現(xiàn)垂直軸360度自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)前全球豪華郵輪主要采用的是ABB公司生產(chǎn)的Azipod無齒輪吊艙推進系統(tǒng)。根據(jù)測算，這種推進器不僅可以提升10%到15%的效率，而且還可以節(jié)約大概70萬噸的燃油，一年平均可以節(jié)省相當(dāng)于170萬美元的燃油和能耗，同時保證了高效的轉(zhuǎn)向控制和推進的性能。

3 郵輪轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)的技術(shù)分析

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前豪華郵輪除依靠吊艙推進器之外，還需要借助船首側(cè)推器完成轉(zhuǎn)向控制。側(cè)推器是一種設(shè)于郵輪首部橫向管道內(nèi)由電動機帶動的螺旋槳，這種靈活的螺旋槳能將一舷的水排向另一舷，借助海水的反作用力助推郵輪轉(zhuǎn)變方向。借助強大的轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)，體型巨大的豪華郵輪能夠靈活自如地從一條狹小的通道中駛離港口。

（1）模塊化程度高便于安裝維護

豪華郵輪配備著全回轉(zhuǎn)式吊艙推進器，這種推進器可以拆分為3個模塊，分別為回轉(zhuǎn)模塊、推進模塊和吊柱模塊，每一模塊都可以獨立加工，然后像搭樂高積木一樣完成組裝。郵輪的船尾有三套Azipod吊艙推進系統(tǒng)，也就是3只青銅螺旋槳，它們能360度轉(zhuǎn)向，這種螺旋槳系統(tǒng)既可以推著船只前進，也可以掌控船只的方向，每只寬達6米，而且重達45噸。

（2）較高的船舶轉(zhuǎn)向控制性能

每臺推進器的功率將近2 000萬瓦特，有著非常強勁的動力。郵輪的轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)包括3臺吊艙式推進器以及5.5兆千瓦的船首側(cè)推裝置，這一系統(tǒng)使得對船只的控制變得非常容易。例如，海洋量子號在全速的情況下，僅僅需要200米的半徑就可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)，而使用傳統(tǒng)推進器的郵輪回轉(zhuǎn)半徑則需要達到400米。轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)的螺旋槳不僅可以在水中快速的驅(qū)動豪華郵輪前進，而且讓豪華郵輪同時具備小型港口的轉(zhuǎn)向控制能力。這就可以讓郵輪能夠適應(yīng)更小的港口，保持港口進出的機動性。對于普通郵輪來說，例如處女星號郵輪，它搭載的是傳統(tǒng)的推進器，每分鐘只能轉(zhuǎn)角20到25度。而使用全回轉(zhuǎn)式吊艙推進器的豪華郵輪即使在沒有船首側(cè)推器幫助的情況下，每分鐘依然可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)角90到100度，它可以全方向產(chǎn)生助推力，幫助郵輪改變航向，滿足豪華郵輪日常海上航行時調(diào)整方向的需要。

（3）提高推進效率，更加環(huán)保降噪

近幾十年來，瓦錫蘭公司研發(fā)的Azipod吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進系統(tǒng)已經(jīng)成為了全世界各種海洋船舶安全高效以及可靠的動力源。對于配備Azipod無齒輪吊艙式全回轉(zhuǎn)推進系統(tǒng)的豪華郵輪，其電動馬達位于船體外部的水下吊艙內(nèi)，這樣的設(shè)計保證了船舶高效可靠運轉(zhuǎn)，同時也降低了噪聲。它可以360度旋轉(zhuǎn)來提高機動性和運營效率，與傳統(tǒng)的軸系推進系統(tǒng)相比，能降低多達20%的油耗。并且得益于轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)的低噪音低振動，該系統(tǒng)極大地改善了乘客和船員的舒適性。豪華郵輪配備Azipod吊艙式全回轉(zhuǎn)電力推進系統(tǒng)以后，可以節(jié)省很多的燃油，這也意味著配備Azipod的郵輪每年可以減少大量的二氧化碳。配備了Azipod的郵輪能夠很好地應(yīng)對天氣的變化，加快船舶靠港的速度和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

豪華郵輪需要頻繁?？坎锤?，其特殊性要求郵輪必須具備較高的操縱能力，郵輪轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)憑借優(yōu)異的性能可以很好地保證轉(zhuǎn)向的精度以及推進的效率。國外吊艙推進器技術(shù)已比較成熟，但是這種轉(zhuǎn)向推進系統(tǒng)依然是我國在該領(lǐng)域的技術(shù)短板，我國的科研院所和造船公司應(yīng)積極開展技術(shù)攻關(guān)，立足自身進行科研，掌握豪華郵輪關(guān)鍵制造技術(shù)，早日研發(fā)出自己的吊艙式推進系統(tǒng)，實現(xiàn)郵輪國產(chǎn)化，在激烈的國際競爭中立于不敗之地。