超级游艇的动力定位功能

J. Calver, 造船工程师，BMT Nigel Gee公司，英国

J. Roy, 游艇设计主任, BMT Nigel Gee公司，英国

摘要：

动力定位系统（DP）是一种成熟的和久经考验的技术。超级游艇产业已经接受动力定位作为一种观念，并且许多大型游艇有一定程度上定位能力的特性。然而，除了基本规则外动力定位没能得到广泛理解，它的能力往往超过规定的装机功率水平，并且其产生的影响往往严重或者和游艇的推进系统所规定的推进功率不符。

本文提供了基本定位原理、典型推进系统布置和动力定位系统如何在实践中运用的背景资料。各种控制动力定位能力的基本方法和在船舶设计中的实现已经讨论过了。使用一个案例来探索研究一系列发电设备和推进系统，特别关注每一组大型游艇主要设计变量的影响。

建议水平的定位/动力定位能力适合应用到大型游艇上探索过了，允许制定一个更好通知系统规范。

1.简介

1961年，“尤里卡”号钻井船从橙色船厂启航。由美国壳牌石油公司建造并拥有，她被设计用来在超过3600英尺深的水中进行钻探，仅因为她包含了一个开创性的机载系统使这一壮举成为可能，尤里卡号是世界第一艘真正的动力定位船舶。

自“尤里卡”号以来，动力定位在复杂性、可靠性和吸收性等方面有着激增。尽管不可否认沿海产业开创和发展了DP系统，现在广泛安装在电缆和管道敷设船、调查船、游船和越来越多的游艇上。

1997年，Lurssen的96米“无限”号成为第一个配备了完整的DP系统的豪华机动游艇,允许游艇在没有第一时间抛锚的情况下保持位置。在DP系统变成像“无限号”那种大小的普通物品花了几年时间，然而柴油发电设备在游艇界已经越来越普遍，DP系统在船舶规范中也变得普遍。如今，DP已经变成多数大型游艇希望有的功能。

通常这很难去决定一艘船需要怎样等级的动力定位能力。当然，每一个游艇船长都想要在8级大风和相关海况、洋流的情况下准确、可靠地操纵一艘游艇保持它的位置，但是实际意义上这极大地损害了船的设计。因此，在试车时指定一个合适程度的DP能力十分重要，这样操作配置文件可以满足船舶的总体功能影响最小就像真实的豪华房地产证。

2.动力定位的原理

在本文中使用时，区分DP和定位很重要。动力定位指的是通过计算机控制不同的安装在船上的推进器和推进物来得到想要的推力矢量，响应来自船桥的操纵杆输入。DP系统对外部力如风、海浪和海流做出反应。DP系统的共同特点是定位功能。这是船舶在外载荷作用下为保持一定的位置和航向而作出的反应，并且这是一个好的全船DP性能的指示器。

设计一个有足够定位能力的DP系统可以总结为一下一句话：船舶能够产生与因环境因素造成的力和力矩大小相等、方向相反的力和力矩。

在实践中，这意味着船舶必须要有一个推进装置，通过它船舶可以产生纵向的力和力矩。此外，安装的动力装置必须能提供所需的店里给推进器。

在某种程度上,环境因素将克服船舶提供的推力。在这一点上,该船将开始漂移或偏航,将会达到定位包线的边缘。

DP能力分析包括发现在各方向的最大风速时，船能够保持位置和航向。成功地在特定风艏向定位需要船舶具有充足的对抗环境力和时刻作用在船上的风力、海流力和波浪力的能力。典型的定位分析软件为特定的船舶计算风力和各艏向时刻，并且反复迭代增加风速，直到达到最大可用推进器的推力配置。因此,开发一个操作包膜,显示了在各个风艏向时船的最大定位能力。

图 1 大型游艇的典型定位能力分析

同时定位图显示了船能够保持位置和航向的最大风速,这也意味着,如果所经历的风速低于限制的值,那么该船有足够的操纵能力。这是定位如何划分，还定义DP系统作为一个整体的能力。

在分析用于大型游艇设计的类型通常只考虑风荷载。需要更高级的分析包括水动力性能包括载荷波浪力和电流。

早期规范所需的定位功能,游艇客户通常不考虑波或当前载荷的影响。一个重要方面是理解在避风港口的条件下对抗30节的横风所要求的系统规范显而易见不同于在完全发达的海洋国家设计在开旷海域抵抗30节横风。

3.大型游艇上的典型推进器

典型的推进器安排大型游艇往往遵循一个共同配置;双CP螺旋推进器,与一个或两个固定隧道弓推进器。更大的游艇也可能有一个船尾推进器,通常也是固定隧道推进器但偶尔可以是伸缩的方位单元。船舶主要配备固定螺距螺旋桨(FPP)通常使用一个船尾方位推进器,而螺旋桨通常不DP系统的一部分(由于主要引擎的低速扭矩特性)。虽然azi-pods,提供更大程度的机动性,变得越来越普遍,但是绝大多数船舶遵循传统的安排。

多年来这样的安排没有改变，主要是因为它使用船体内的空间几乎没有实际用途,船首推进器放在首尖舱,就在艏防撞舱后面，船尾推进器被放置在船体甲板下的船尾升高部分(和艉鳍)。这样的安排也很适合提供所需的横向力和偏航力矩DP系统。

T本文的目的不是开发或评估提供操纵推力的新方法，而是分析一个配备标准装备的游艇的推进动力要求。然而，看起来在设计现代游艇时，造船工程师局限于布置的合适性，DP定位和操纵放在了第二位。正如将展示的一样，有一个标准推进装备可以达到的DP能力的实际限制。

4.DP系统的实际应用

DP系统是如何用于游艇是一个有点主观的话题,与每一个船长用他的系统不同,取决于他的经验与DP的可靠性和系统的能力。

不过是一个常数用DP的命令模块使一艘船在没有锚泊的情况下“停泊”在海上,并让它保持在固定位置,利用计算机自动控制推进器,这是一个能源消耗量大的操作,使用大量的燃料。这种模式下操纵船舶也是不受欢迎的,当他们的运作时，有很少或根本没有人为因素参与控制推进器。因此当船舶在这样一个模式工作时，很难开展供应操作或游泳活动。当水很深时这个功能才真正有用,当近海岸几个地中海岛屿,或者当抛锚时不会是一个可行的选择。

更常用的系统结合使用锚使船面向任何传入的膨胀,以减少运动。这提供了安全的起锚,维持一个最佳或所需的方向。

在实践中DP系统提供一个增强的操纵能力,用电脑控制推进器通过操纵杆控制，实现船长要求的运动矢量。当用于港口和操纵在狭小空间中,这个功能是非常有效的。

5.DP能力的驱动器

可以从四个方面来提高船舶的DP能力：

增加纵向或横向推进器之间的分离；

增加推进器的推力矢量可实现的范围；

增加可用的电力推进器；

减少环境负荷的容器(即减少受风面积,简化上层建筑,或优化低于水线船型的耐波性能力)。

作为后者选项有一个戏剧性的影响船舶的总体设计,它是省略了这个研究,因此假定船的上层建筑和风速剖面保持不变。在现实中如果急需DP能力,设计师应该努力简化将风作用对上述船体水线和上层建筑的影响降到最低。影响船舶设计研究是严格对船的布置和机械的选择。

各方法提高定位能力的影响研究在以下章节。

6.提高DP能力的方法

6.1增加推进器分离

当有横向分离在水线以上的阻力中心区域和水线以下区域,游艇将经历一个偏航时刻。为了保持航向,船舶必须能够产生一个大小相等,方向相反的力矩应对环境负荷。游艇上,最有效地力矩不是船头和船尾推进器(纵向分离),或由双螺旋桨推进器(横向分隔)提供的。因此,增加这些推进器分离的情况下,纵向或横向 的moment-producing能力推进器将会增加,因此可能增加DP功能,不需要增加力量

增加推进器分离的影响在游艇的设计中一般都是不利的。船的主要尾轴线的位置主要由舵定位,确定螺旋桨分离和机舱布局的实际约束。同时会略微有利于定位，提高螺旋桨之间的距离,很难证明潜在的危及到略微提高DP的性能后螺旋桨的性能。

更现实的方法提高DP能力可能是增加纵向船首和船尾推进器分离。然而传统隧道推进器有最小隧道长度(直径)，这限制了推进器可以移动的程度。

船尾推进器定位也在很大程度上取决于空间约束——移动船尾推进器尽可能远离舰尾是有利的,但如果这意味着不得不延长艉鳍,其比例会变得极端。

6.2增加向量范围

在DP系统中,推进器可以达到的矢量角是非常重要的。他们增加推进器的多功能性,和整个船产生力和力矩组合将对抗环境的力量的能力。

增加一个推进器向量角可以达到的范围可以采取许多形式。可以直接添加一个舵增加螺旋桨的矢量范围,增加现有的舵的转动范围或使用高扬程船舵。喷水推进器可以通过增加其范围来得到提升。而不是安装一个隧道推进器,一个方位推进器。任何增加的角度范围的推进器可以产生推力,将不可避免地增加了DP船的性能。

实际意义上的典型的大型游艇系统配置双FPP或CPP螺旋桨,插接有固定漏斗推进器在船头到船尾。在某些情况下使用船尾方位推进器。这样一个系统限制了他们产生全方位的有效推力的能力。然而在大部分情况下这种配置是绰绰有余。需要更高层次的定位,或者完整的DP功能,然后有充足的理由完全采用的方位推进系统。

6.3提高推进能力

事实上，在现实中最常见的DP的性能改进方法的游艇布置是提高推进器产生的推力。通过增加推进器的数量增加推力是可行的,平移和旋转操纵能力得到增强。

增加船舶推进器的输出功率被认为在许多方面对船舶有影响;

水动力;更强大的推进器总是体积更大。对于隧道推进器,这导致扩大船首图样,影响船体周围的流线,导致阻力增加。

总布置;大容积的单位占用更多的空间。船首推进器可能位于锚链舱或甲板之下的一个隔间,限制隧道推进器的垂直空间,而船尾推进器通常藏在底甲板。这常常是一个船内相当大的空间，除了作为技术空间外没有实际用途,但是足够的垂直空间必须存在于甲板和龙骨之间提供给单元。船首推进器单元变大,他们需要进一步定位,由于隧道的最小长度是直径的函数。这影响船的布置,和使用两个小单位驱动转向,这又占用更多的空间,并导致更多的阻力。电动推进器,支持电气设备数量(如频率驱动器)也将增加，来处理更高的推力,和冷却和通风要求。

机械;推进器大小通常是驱使安装电力驱动机械的一个重要因素。虽然一个船舶可以使用一个或两个发电机满足它的运营酒店的负荷,三个或四个发电机是提供操纵电力负荷高峰必需的。推进器大小也会影响主配电板大小的选择,以及从发电机到推进器的电气配电系统。

噪声与振动;较大的船首和船尾推进器单位会导致更多的噪声和振动。然而,最大的噪声振动来源不是来自推进器机器本身,而是压力脉冲和潜在的螺旋桨空化压力分布不均匀造成的。虽然有弹性地安装隧道用于衰减振动,结构传递振动的主要噪声源。压力脉冲可以在两个大型和小型单位产生,大单元创造更多的噪音这未必是正确的,一个精心设计的隧道入口可以显著降低振动。

有一点需指出，系统性能的提升和推力等级的提升不成比例，上述影响变得荒谬或过度限制设计。在这一点上,应该考虑采用全方位的推进系统。

7.特定性能

重要的是要考虑性能水平小心地写入规范。多数的建造规范要求定位能力在一定风速的横浪海域。

有几个原因,最常见的,通常认为,最复杂定位条件是在横风下,这不是正常的情况下,特别是当船尾推进器安装(如下所示)。

定位规范的目的通常是确保船舶在港口拥有足够的机动性,而不是真正的海上定位要求。因此,最繁重的演习将离开泊位处于横风条件;如果风四等分,可以摆动船首或船尾脱离风儿减少所需的推进器负荷。

此外,横风推进器计算相对简单和容易,使用一个Excel表和各种假设。在初步设计阶段,这是很重要的,最初影响DP系统性能的一些因素可能是未知的。

图 2 横风下的限制风速不一定是船舶的最低极限风速

但是有一个船舶在横风中的定位性能，和任何角度下的风速最小量级间的重要区别。考虑图2所示,其中显示了船舶能在30.1节的横风下保持位置，,但是在风向130°,(船尾四等分),最大风速为27.9节。标准配置游艇最繁重的风向的通常是船尾四等分角,反向操作时主要螺旋桨背后的舵无法给螺旋桨导向,也由于通过螺旋桨反向操作减少推力。

考虑上面几点,为应用到游艇上，横风定位规范是在大多数情况下最合适的。但是如果规范旨在确保在任何风向下最低程度的海上定位能力,然后应该给予更多的关注在最繁重的风向,结合波和流载荷标准。

8.案例分析

为了能够量化评估日益繁重的DP能力对船舶设计的影响,并确定上面讨论的它的各种提高DP性能方法的结果,提出了两个案例研究。

正如在第六节所讨论的,最现实的改善DP能力方法是增加的推力,因此可用推力推进器。允许DP需求影响主机选择是荒谬的。因此,额外的权力将被分配到船首和船尾推进器。

这项研究旨在推进器的功率需求和定位性能的关联性。不断增长的推力需求对游艇的影响将从电气和空间的角度被研究。

基础研究船选择具有代表性大小的典型船，具有DP能力，由BMT奈杰尔bull;有限公司建造和被选为“标准”形式的机动游艇。

8.1母型船

研究船是总长112米的机动游艇,代表更大的游艇船队。

简单地说,以一个典型的布置包括双螺旋桨推进器(机械传动CPP驱动),一个电传动方隧道推进器,和一个电动尾方位推进器。

基本参数：

总长:112m

水线长:101.2m

宽:16.2m

水线面面积:1200msup2;

水线面纵向形心位置:船中前4.5m

最大横截面积:260平方米

推进器：

1 x艏侧推,在480千瓦是最大产生70kn的推力。由于电力损失,526ekW需要从发电机获得。

1 x船尾全回转推进(360°),在66

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