Table of Contents

Двигатель судна является источником жизненной силы коммерческого судоходства; выбор конфигурации двигателя непосредственно влияет на эффективность эксплуатации, безопасность и затраты на жизненный цикл. В течение десятилетий морские архитекторы и операторы флота обсуждали достоинства двухвинтовых и одновинтовых механизмов на грузовых судах. В то время как оригинальный текст дает полезный обзор, более глубокое исследование раскрывает нюансы компромиссов в гидродинамике, механической сложности и производительности конкретной миссии. Понимание этих различий имеет важное значение для оптимизации конструкции судна - будь то прибрежный фидер, балкер Panamax или глубоководный контейнеровоз.

Основные различия в конфигурациях Трустера

Основное различие между одновинтовой и двухвинтовой системой двигателей простое: одновинтовое судно использует один большой винт, установленный на центральной линии на корме, в то время как двухвинтовое судно использует два меньших винта, обычно установленных на левой и правой сторонах, каждый из которых приводится в действие собственным валом и двигателем.Однако эта разница на уровне поверхности маскирует значительные изменения в том, как винт взаимодействует с корпусом, полем будильника и придатками рулевого управления.

Характеристики одновинтового движения

В одновинтовом расположении пропеллер работает в тени корпуса и руля. Поток в пропеллерный диск сильно неравномерный из-за пограничного слоя и наличия пост-штерновой рамы. Изогнутая конструкция лопасти и современные кольца сопла могут смягчить некоторые из этих эффектов, но присущая асимметрия означает, что кавитация и вибрация часто более выражены на более высоких скоростях. Одиночный пропеллер обычно большой по диаметру для достижения эффективной тяги при низких скоростях вращения, что накладывает ограничения на компоновку машинного отделения и выравнивание вала пропеллера.

Характеристики движения двойного винта

Системы с двумя винтами позиционируют винты в более чистом потоке воды, вдали от основного корпуса. Винты меньшего диаметра могут работать при более высоких оборотах при сохранении приемлемой эффективности, а симметричное размещение позволяет использовать двойные рули или стручки. Чистый приток снижает вибрацию и шум, что особенно ценно для гибридов пассажирского судна, но также повышает структурную долговечность грузовых судов. Поскольку два винта вращаются против часовой стрелки, силы крутящего момента на корпусе сбалансированы, уменьшая потребность в компенсаторных углах руля во время прямолинейного круиза.

Эти фундаментальные различия порождают оперативные преимущества, подробно описанные ниже.

Операционные преимущества Twin-Screw Thrusters

Маневренность и портовые операции

Грузовые суда, работающие в перегруженных гаванях, узких каналах или без помощи буксира, получают огромную выгоду от двухвинтовых систем. Возможность запуска одного винта вперед и одной кормы, известная как маневр «остановка на краш-стоп» или «Z-drive», позволяет судну поворачиваться на собственной оси. Например, двухвинтовый фидерный контейнеровоз может выполнять поворот на 180 градусов по ширине, едва превышающей его собственную длину, тогда как одновинтовое судно требует гораздо более широкого поворотного круга и может нуждаться в буксировочном сопровождении. Эта способность напрямую снижает затраты на порт и время поворота. Кроме того, двухвинтовые винты обеспечивают возможности динамического позиционирования (DP) в морских грузовых судах, хотя полностью совместимые с DP системы часто требуют управляемых винтов.

Увольнение и выживаемость

В случае отказа одного двигателя судно может поддерживать 50-процентную мощность, достаточно часто для безопасного крепления или продолжения на пониженной скорости. На судах с одним экипажем полная потеря двигателя часто требует аварийной буксировки. Эта надежность имеет решающее значение для судов, работающих в отдаленных районах (например, арктических судов поддержки или глубоководных судов спасения) и для тех, кто строго соблюдает требования к расписанию, такие как трансокеанские судовые суда. Правила Международной морской организации (ИМО) для судов с резервированием двигателя менее строгие для устройств с двумя экипажами, которые могут упростить проектирование аварийных систем.

Гибкость в позиционировании и погрузке

Многие современные балкеры и суда общего назначения оснащены носовыми двигателями для помощи причалу, но даже без них суда с двумя экипажами могут «ходить» вбок по дифференциалу тяги. Эта точность неоценима при погрузке грузов тяжелой грузоподъемности, которые требуют точного бокового выравнивания с пирс-кранами. Морские грузовые суда, поддерживающие нефтегазовые платформы, используют системы с двумя экипажами для поддержания направления в токах, снижая риск столкновений при перевозке грузов. Улучшенное управление низкой скоростью также снижает зависимость от буксиров гавани, создавая значительную экономию затрат в течение срока службы судна.

Вибрация и снижение шума

Поскольку двухвинтовые винты находятся дальше от центральной линии корпуса и работают в более чистой воде, вибрация, передаваемая в жилые и грузовые трюмы, ниже, чем в конструкциях с одним винтом. Это не просто проблема комфорта; чрезмерная вибрация может вызвать структурную усталость в корпусе и машинах. Техническая бумага A Общество морских архитекторов и морских инженеров (SNAME) показала, что конфигурации с двумя винтами испытывают на 30-50% более низкие пиковые вибрационные нагрузки на лопасти винта по сравнению с одиночными винтами на той же скорости судна. В то время как одновинтовые суда могут включать в себя демпфирование перекоса или лопасти, снижение, достигнутое с двумя винтами, часто более экономически эффективно.

Преимущества одновинтовых трустеров

Первоначальная конструкция и простота

Одновинтовое расположение механически проще. Существует один основной двигатель, одна валовая линия, один винт и один руль. Это уменьшает количество компонентов, которые могут выйти из строя и упрощает процесс выравнивания во время строительства. Для верфей строительство одновинтового судна быстрее и требует менее специализированной рабочей силы. Для владельцев более низкая капитальная стоимость может быть решающим фактором, особенно для стандартизированных конструкций, таких как балкеры Supramax или танкеры Suezmax, где проверенная конфигурация одноговинтового судна является отраслевой нормой.

Топливная эффективность в условиях круиза

При проектной скорости (обычно 12-16 узлов для балкеров, 22-25 узлов для быстрых контейнеровозов) один пропеллер большого диаметра, работающий при низких оборотах, обычно достигает самой высокой эффективности с открытой водой. Эффективность винтового винта может быть на 3-6% выше, чем эквивалентная система с двумя винтами, в первую очередь потому, что двухвинтовая конструкция несет дополнительные потери от вихрей концентратора и придаточного сопротивления стойки вала. Для судов, которые проводят большую часть своей жизни на одном океанском проходе с постоянной скоростью, эта экономия топлива приводит к значительным ежегодным сокращениям OPEX. Кроме того, одновинтовые двигатели часто являются прямыми с двухтактными дизельными двигателями с низкой скоростью сгорания тяжелого мазута с более низким удельным расходом топлива, чем среднескоростные двигатели, используемые в установках с двумя винтами.

Снижение общего веса и требований к пространству

Поскольку одновинтовая система использует один двигатель и один валовый тоннель, весь двигательный пакет занимает меньше объема в машинном отделении. Это освобождает место для дополнительной емкости грузового танка или размещения. Для судов, работающих на Великих озерах или в других мелководных районах, проект штрафа из одного большого винта часто приемлем, учитывая прирост полезной нагрузки. Двувинтовым судам нужны два машинных отделения (или по крайней мере два отдельных аллея вала) и более широкий бал, который может уменьшить объем контейнера или удерживать объем в некоторых конфигурациях.

Уменьшение сложности технического обслуживания

При использовании только одной пломбы вала пропеллера, одного подшипника штанговой трубы и одной коробки для начинки интервалы технического обслуживания и затраты на проверку ниже. Операторы судов с одним винтом могут выполнять ремонт подводных винтов без докования, если используется пломбировочная пломба, но суда с двумя винтами с несколькими валами имеют двойной риск отказа уплотнения и часто требуют более частой очистки винтов от биообрастания. В регионах с высоким ростом морской среды (например, Юго-Восточная Азия) затраты на очистку двойных винтов могут быстро расти.

Сравнительный анализ: когда выбрать систему

Матрица принятия решений для грузовых судов включает в себя торговлю преимуществами двухвинтового двигателя в маневренности и резервировании против преимуществ одноговинтового двигателя в топливной эффективности и стоимости. В таблице ниже приводятся типичные результаты для различных типов судов:

Контейнерные суда

Крупные контейнеровозы после Panamax (10 000 + TEU) почти повсеместно используют двухвинтовые схемы. Потребность в высоких скоростях транзита (20-25 узлов), надежность плотного графика и частые заходы в порты в перегруженных терминалах делают избыточность и быстрое причали существенными. Отказ одного винта на таком судне может стоить сотни тысяч долларов в задержке груза. Большинство современных мега-судов используют двухвинтовые дизель-электрические или двухмедленные дизельные конфигурации с управляемыми винтами.

Навалочные перевозчики и танкеры

Очень крупные суда-перевозчики (VLCC) и суда-перевалочные суда Capesize обычно являются одновинтовыми, поскольку они работают на длинных, непрерывных маршрутах (например, Бразилия - Китай) на устойчивых скоростях 12-14 узлов. Эти суда имеют достаточный балк и осадку для размещения одного большого пропеллера, а их высокая грузоподъемность требует максимальной экономии топлива.

Специализированные грузовые суда (Ro-Ro, тяжелый лифт, усиленный льдом)

Суда типа «включено/выключено» (Ro-Ro) и тяжеловесные перевозчики часто выбирают двухвинтовые двигатели для достижения точного маневрирования, необходимого для кормовых и боковых пандусов. Ледоукрепленные грузовые суда, работающие в балтийских или полярных водах, также выигрывают от двухвинтовых, поскольку два пропеллера увеличивают ледокольную способность и уменьшают риск повреждения обоих пропеллеров льдом. Исследования Европейского агентства по безопасности на море ] показали, что двухвинтовые ледоколы страдают меньше времени простоя, чем одновинтовые эквиваленты.

Доступность и гибкость

Для судовладельцев с ограниченным бюджетом или тех, кто заказывает с небольших верфей, конструкция с одним экипажем может быть единственным финансово жизнеспособным вариантом. Однако многие современные контракты включают в себя модернизацию двигателя от одного до двух в качестве премиум-варианта, поскольку добавленная стоимость перепродажи и эксплуатационная гибкость могут компенсировать первоначальные инвестиции в сделки с высокой степенью использования. Отчет Clarkons Research о подержанных грузовых судах показывает, что двухвинтовые контейнеровозы сохраняют на 10-15% более высокую стоимость перепродажи через десять лет по сравнению с одновинтовыми аналогами аналогичного размера.

Дизайнеры: Propeller и Power Train

Диаметр Пропеллера и Revs

Одновинтовые винты физически велики - диаметры 7-10 м являются общими на VLCC. Поскольку они вращаются медленно (60-90 RPM), тяга на единицу площади низкая, снижая риск кавитации. Двувинтовые винты меньше (обычно 4-6 м) и вращаются быстрее (90-180 RPM). Более высокие RPM могут привести к шуму и кавитации, если не тщательно спроектированы, но достижения в геометрии лопастей и материалах (включая композиционные винты) смягчили эти проблемы.

Передача и Gearbox соображения

Одновинтовые системы обычно используют прямой привод, устраняя потери коробки передач и повышая механическую эффективность на 1-2%. Двувинтовые системы часто требуют редукционных передач, чтобы соответствовать высокой скорости среднескоростных дизельных двигателей винту RPM, вводя потери трения. Однако дизель-электрические двухвинтовые механизмы могут устранить необходимость в коробках передач, обеспечивая при этом оптимальную загрузку двигателя и избыточность в генерации.

Рулевые системы

Одновинтовые суда в значительной степени полагаются на руль для перенаправления пропеллерной мойки. На низкой скорости эффективность руля падает, затрудняя поворот. Суда с двойным винтом могут управляться с помощью операций дифференциальной тяги, что эффективно даже при нулевой скорости, и многие конструкции объединяют двухрулевые рули, которые находятся непосредственно в пробуксовочном потоке каждого винта для улучшения поворотного авторитета на умеренных скоростях. Сочетание двух валов и двух рулей делает двухвинтовые суда по своей сути более аварийно-избегающими.

Стоимость жизненного цикла и общая стоимость владения

Целостная оценка двухвинтовых систем по сравнению с одновинтовыми требует рассмотрения не только потребления топлива. Увеличенное движение и рулевое оборудование двухвинтовых судов влечет за собой более высокие затраты на техническое обслуживание коробок передач, подшипников вала и органов управления. Кроме того, подводная очистка двух винтов стоит вдвое. С другой стороны, одновинтовое судно может понести больше простоев, если один винт поврежден. Исследование, проведенное регистром Lloyd, показало, что для гипотетического навалочного перевозчика мощностью 50 000 ДВТ, работающего на 15-летнем жизненном цикле, общая стоимость владения для варианта с двумя винтами была примерно на 7% выше, чем у одновинтового проекта. Однако для контейнеровоза с двумя винтами конструкция дала на 3% меньшую общую стоимость из-за сокращения времени порта и меньших задержек.

Будущие тренды: за близнецом против одиночной дихотомии

Двигатели Azimuth (Z-drives) все чаще встречаются на малых и средних грузовых судах, эффективно делая каждое судно «четверным винтом» с возможностью тяги на 360 градусов. Подвесные двигательные установки, такие как ABB или Siemens, устанавливаются на высокопроизводительные фидерные суда, предлагая маневренность двухвинтовых винтов с топливной эффективностью одного стручка, потому что диаметр стручки может быть оптимизирован для корпуса. Гибридные приводы - объединение одной линии вала с убирающимся азимутальным двигателем для маневрирования в гавани - также появляются как способ захватить лучшее из обоих миров. В таких конструкциях первичная тяга - это один эффективный винт, в то время как меньший электрический азимутальный блок обеспечивает точность причала, когда-то зарезервированный для двухвинтовых судов.

Заключение

Выбор между двухвинтовыми и одновинтовыми двигателями не является вопросом универсального превосходства; это функция эксплуатационного профиля судна, торгового маршрута, терпимости к простоям и доступному капиталу. Системы с двумя винтами превосходят, где безопасность, маневренность и избыточность имеют первостепенное значение - особенно в контейнерных и специализированных грузовых судах. Системы с одним винтом остаются стандартом для балкеров и танкеров, где экономия топлива и простота приводят в движение решения. Поскольку двигательная технология продолжает развиваться с приводами струй, дизель-электрическими и гибридными решениями, линия между этими двумя конфигурациями будет размываться. Однако в обозримом будущем понимание гидродинамических, механических и экономических компромиссов, описанных выше, останется необходимым для морских архитекторов, менеджеров флота и операторов грузовых судов. Выравнивая конфигурацию двигателя с миссией судна, морская промышленность может продолжать улучшать безопасность, снижать затраты и снижать выбросы на глобальных торговых маршрутах.