拖帶工況下艦艇主機(jī)的管理研究

趙曉明，徐匯濤

● （公安海警學(xué)院 機(jī)電管理系，浙江寧波 315801）

拖帶工況下艦艇主機(jī)的管理研究

趙曉明，徐匯濤

● （公安海警學(xué)院 機(jī)電管理系，浙江寧波 315801）

分析艦艇在拖帶工況下的限制條件，闡述了艦艇拖帶時，主機(jī)允許使用最高轉(zhuǎn)速及最大航速的確定方法，并提出艦艇拖帶時管理的注意事項。

推進(jìn)曲線；最高轉(zhuǎn)速；最大航速；航行管理

0 引言

在艦艇拖航過程中，要估算拖航航速，一般對于資料較充足的拖船，根據(jù)《海軍防險技術(shù)手冊》，計算被拖船阻力與航速的關(guān)系和拖輪拖力與航速的關(guān)系，通過作圖法就可快速估算出來[1]。然而不能充分說明主機(jī)是否已經(jīng)發(fā)揮了潛力，以及相對應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速如何。另外，實際上有些船在進(jìn)行拖帶作業(yè)時并沒有明確的系住拖力數(shù)據(jù)，還有些是在緊急情況下被當(dāng)做拖船來使用的，那么在這種情況下，該船拖航能力、主機(jī)轉(zhuǎn)速和拖航航速就需要進(jìn)行估算[2]。

公安海警艦艇一般不執(zhí)行拖帶任務(wù)，但在執(zhí)法執(zhí)勤時，有時遇到特殊情況(如兄弟艦艇、違法嫌疑船舶等的主機(jī)損壞)也要執(zhí)行拖帶任務(wù)，此時的主機(jī)工況稱為拖帶工況。對于艦艇是否具有拖帶能力、有多大拖帶能力以及主機(jī)能開多高轉(zhuǎn)速這些問題，如果不能真正理解，在執(zhí)行拖帶任務(wù)時，難免會出現(xiàn)誤判斷、誤操作等情況，影響艦艇執(zhí)勤任務(wù)的順利完成。盡管艦艇的相關(guān)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能履歷簿或設(shè)備使用保養(yǎng)條例均對艦艇拖帶航速作了規(guī)定，如裝備柴油機(jī)的某型艦艇規(guī)定：“拖帶航行時，為了防止主機(jī)超負(fù)荷，主機(jī)轉(zhuǎn)速不得超過根據(jù)推進(jìn)器特性曲線所確定的允許轉(zhuǎn)速，一般拖帶本型艦時主機(jī)轉(zhuǎn)速不得超過xx轉(zhuǎn)/分”但是上述規(guī)定留有很大余地，并不是最大允許航速、轉(zhuǎn)速[3]。那么這艘船能不能拖帶大于本艦噸位的艦船？處于拖帶工控時如何發(fā)揮艦船的最大拖帶能力同時能保證主機(jī)的安全，如何確定最大允許航速和轉(zhuǎn)速？本文從剩余功率著手，結(jié)合拖帶工況時柴油機(jī)的推進(jìn)特性曲線，分析艦艇的拖帶能力及主機(jī)最高轉(zhuǎn)速和最大航速的確定方法。

1 拖帶工況分析

柴油機(jī)的推進(jìn)特性，是指柴油機(jī)直接與螺旋槳連接(或通過離合器及減速齒輪箱連接)時柴油機(jī)發(fā)出的功率隨轉(zhuǎn)速而變化的關(guān)系，即按照螺旋槳所吸收的功率隨轉(zhuǎn)速而變化的規(guī)律變化時，各性能指標(biāo)和工作參數(shù)隨轉(zhuǎn)速(或負(fù)荷)變化的規(guī)律[4]。由于艦艇在大海中以一定航速航行時，艦艇所受阻力和螺旋槳所產(chǎn)生的推力是相平衡的。此時，對主機(jī)和螺旋槳來講，若是不考慮軸系和傳動機(jī)構(gòu)的損失，則柴油機(jī)發(fā)出的功率與螺旋槳所吸收的功率同樣是相等的。所以，柴油機(jī)帶動螺旋槳工作時，其功率等參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，也就是螺旋槳本身吸收的功率隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。所謂特性曲線是指功率等為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速的曲線。

艦艇處于拖帶情況下航行時，螺旋槳所產(chǎn)生的推力除了克服本艦艇的航行阻力外，還要克服被拖船的航行阻力，因此，與正常航行條件相比較，拖帶工況的航行總阻力增加[5]，在主機(jī)轉(zhuǎn)速相同的情況下，艦速必然相對降低，相對進(jìn)程λp要減小，推進(jìn)特性曲線變陡，如圖1所示。圖中曲線λp1為艦艇在正常航行條件下的推進(jìn)特性曲線，曲線λp2、λp3分別為系泊試車和拖帶時的推進(jìn)特性曲線。位置時，柴油機(jī)的工作參數(shù)和主要性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速n而變化的規(guī)律[6]。螺旋槳吸收的功率是按推進(jìn)特性線Np=Φ(n)變化的(如圖2所示)。根據(jù)ΔN=Ne-Np，可得柴油機(jī)的剩余功率曲線(如圖3中曲線OFBTH所示)。

圖1 螺旋槳推進(jìn)特性曲線

圖2 螺旋槳吸收的功率

圖3 剩余功率曲線

從圖中可看出，拖帶時的推進(jìn)特性曲線λp3只能在標(biāo)定推進(jìn)特性曲線λp1和系泊推進(jìn)特性曲線λp2之間變化，其變陡程度隨被拖船阻力的大小而異。當(dāng)主機(jī)在標(biāo)定供油量時，配合工作點就是推進(jìn)特性曲線λp3與主機(jī)的標(biāo)定速度特性1的交點T，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nT即為拖帶工況時主機(jī)的最高允許轉(zhuǎn)速，當(dāng)n＞nT時即屬于超負(fù)荷運轉(zhuǎn)。

1.1 剩余功率

所謂剩余功率，就是艦艇處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下航行，在特定的航速和主機(jī)轉(zhuǎn)速下，主機(jī)允許發(fā)出的最大功率 Ne與螺旋槳所能吸收功率 Np之間的差值，即剩余功率ΔN=Ne-Np。一定轉(zhuǎn)速下主機(jī)允許發(fā)出的最大功率通常是由標(biāo)定速度特性曲線Ne=μ(n)所決定的，所謂標(biāo)定速度特性曲線指柴油機(jī)在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下發(fā)出標(biāo)定功率時的供油量

1.2 艦艇拖帶能力的限制

艦艇主機(jī)若沒有剩余功率，就不具備拖帶能力，但艦艇拖帶能力并不僅僅取決于剩余功率，它還受到四方面的限制：一是標(biāo)定速度特性線的限制，超出此線，柴油機(jī)將超負(fù)荷運行；二是系泊推進(jìn)特性線的限制，此線表示拖帶時螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下吸收的最大功率；三是標(biāo)定推進(jìn)特性線的限制，此線表明艦艇必須克服自身的航行阻力；四是最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速線的限制，此線是保證主機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的基本條件。

拖帶時的配合工作點只能落在以上四條曲線所構(gòu)成的區(qū)域f-D-B-H-f之內(nèi)(圖2所示)。因此，圖3中的剩余功率ΔN并不全是完全可以利用的功率，只有在f-D-B-H-f所構(gòu)成區(qū)域內(nèi)的功率，才是真正可以利用的功率，f-D-B-H曲線稱為實際剩余功率曲線。從實際剩余功率曲線上可以看出，在B點實際剩余功率有最大值，B點對應(yīng)的主機(jī)轉(zhuǎn)速為nB，而nB是系泊試車時主機(jī)所允許運轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速。因此，在實際拖帶工作中，若要使被拖船獲得最大拖力，應(yīng)將主機(jī)的轉(zhuǎn)速開至系泊試車時的最高轉(zhuǎn)速，若此時仍拖不動被拖船，則說明不超負(fù)荷運轉(zhuǎn)就別無選擇了[7]。而在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時，剩余功率ΔN=0，此時主機(jī)發(fā)出的功率完全用來克服艦艇自身航行阻力，拖帶能力為零，這說明轉(zhuǎn)速愈高拖帶能力愈大的觀點是對操縱管理很大的誤解。如何確定艦艇拖帶時主機(jī)最高轉(zhuǎn)速，在實際操縱過程中有下述兩種方法。

2 拖帶時最高航速及主機(jī)最高轉(zhuǎn)速的確定

提出3種計算方法，在滿足主機(jī)安全使用的前提下，計算拖帶工況下主機(jī)轉(zhuǎn)速和最大允許航速計算方法，其中部分算法可以使用計算機(jī)自動生成。

2.1 經(jīng)驗公式估算法

艦艇執(zhí)行拖帶任務(wù)時，若有被拖船的性能資料，可以用經(jīng)驗公式首先確定拖帶時的最高航速 VTmax，然后確定拖帶時允許使用的主機(jī)最高運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

1）確定拖帶時的最高航速VTmax：

式中：Nb為拖帶艦艇系泊試車時的最大功率；NH1、VH1分別為拖帶艦艇的標(biāo)定功率、標(biāo)定航速；NH2、VH2分別為被拖船的標(biāo)定功率、標(biāo)定航速。

2）確定拖帶時主機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nTmax：

式中：nB、nH1為拖帶艦艇的系泊試車轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速。

2.2 實際航行試驗法

在很多情況下，往往缺乏被拖船的性能資料，通過前面艦艇拖帶能力的分析，可知如下方法可確定主機(jī)最高允許拖帶轉(zhuǎn)速：首先將主機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增加到系泊工況最高轉(zhuǎn)速 nB(nB=0.7nH～0.8nH)，然后檢查主機(jī)的最高爆發(fā)壓力、排氣溫度、油水溫度以及加油齒桿位置等，根據(jù)這些檢查數(shù)據(jù)來判斷主機(jī)是否接近標(biāo)定速度特性線工作。如未達(dá)到，可逐步加速，直到主機(jī)參數(shù)顯示接近標(biāo)定速度特性線為止。此時柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速即為拖帶時允許使用的最高轉(zhuǎn)速。

2.3 公式計算法

該方法從船-機(jī)-槳角度出發(fā)，求出拖帶時主機(jī)外特性曲線和螺旋槳吸收功率曲線的交點，交點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是最大允許轉(zhuǎn)速 nTmax，同時相對應(yīng)的航速即為最大航速VTmax。可按以下步驟進(jìn)行：

1）算出兩船拖帶時針對不同航速的總阻力R總，并進(jìn)行擬合。

2）將拖船的螺旋槳水動力曲線擬合成公式，即：

推力系數(shù) K1=f1(λp1) f1、敞水效率 ηo=f2(λp)

式中：系數(shù)λp=VA/nD，VA=v·(1-ω)；D 為螺旋槳直徑；ω為伴流系數(shù)；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，v為航速。

3）設(shè)定一系列拖帶速度Vi及相應(yīng)的拖帶阻力Ri，由

R=T(1-t)=K1ρn2D4(1-t)，可得一系列拖帶轉(zhuǎn)速ni

式中：t表示拖船推力減額系數(shù)；T表示螺旋槳推力；

擬合之后可以得到拖帶時轉(zhuǎn)速-航速的關(guān)系式 v=f3(n)。

4）綜合可得到一系列PTEi=ViRi，PTE為推進(jìn)功率。

5）由螺旋槳吸收功率Pp和推進(jìn)功率的關(guān)系式，可得一系列Ppi，拖帶時螺旋槳吸收功率公式Pp=f4(n)就是該擬合公式。

6）將拖船主機(jī)外特性曲線進(jìn)行擬合得到公式PS=f5(n)。

7）滿足Pp=PS的值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是拖帶工況下的最大轉(zhuǎn)速nTmax。

單纖維肌電圖在甲亢伴眼肌型重癥肌無力和Graves眼病鑒別診斷中的價值 … 李文娟，王玉凱，謝堅 422

8）將nmax代入關(guān)系式V=f3(n)，可得到拖帶工況下最大航速VTmax。

3 拖帶航行時的管理要點

除了掌握艦艇的拖帶能力和主機(jī)轉(zhuǎn)速確定方法外，在實際管理工作過程中，還要注意以下幾個方面。

3.1 起拖要逐步提速

當(dāng)兩個船舶緊固系牢后才能進(jìn)行起拖。且起拖時要逐步提速，在期間可以微進(jìn)車，同樣也可反復(fù)使用停車與微進(jìn)車指令，保持穩(wěn)定的懸垂量后可逐步提速。此外，當(dāng)提速至2kn時，就可逐步開始提速，并根據(jù)行程控制好每段的提速量，提速量控制以每個區(qū)域段0.5kn為宜，目的是穩(wěn)定懸垂量，并與事先預(yù)定好的提速目標(biāo)相符合。

3.2 轉(zhuǎn)向控制

當(dāng)在拖行過程中時需要大幅度轉(zhuǎn)向時，應(yīng)盡量展開多次進(jìn)行，并把轉(zhuǎn)向角度盡可能控制在20°之內(nèi)。特別是對船舶在行進(jìn)過程中對于一些浪涌、潮流現(xiàn)象控制時，應(yīng)當(dāng)保證轉(zhuǎn)向角度控制在5°之內(nèi)；沒有較大風(fēng)浪、潮流時可控制在 5°～20°轉(zhuǎn)向行駛。此外，控制轉(zhuǎn)向角度問題時也要對被拖救船舶的情況加以考慮，即等到被拖救船舶完全轉(zhuǎn)向行駛后的角度時，才能進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)向。

3.3 注意拖纜長度，防止拖翻艦艇

拖纜長度要適當(dāng)，拖纜過長則易垂入水中被螺旋槳纏住，過短則由于兩船起伏搖擺不一致，會出現(xiàn)沖擊載荷，易將拖纜拉斷，一般以拖纜垂于水面為宜。此外，由于拖纜一般系在甲板上，拖力的作用點高于艦艇的重心，拖力的橫向分力對艦艇構(gòu)成一個傾覆力矩，影響艦艇的穩(wěn)定。特別是轉(zhuǎn)彎時，若不減速航行，易將艦艇拖翻。此外，若被拖船的艉軸沒有被剎住，還應(yīng)經(jīng)常檢查被拖船艉軸等軸承及齒輪箱內(nèi)的潤滑情況。

4 結(jié)語

1）艦艇拖帶時的推進(jìn)特性曲線只能在標(biāo)定推進(jìn)特性曲線和系泊推進(jìn)特性曲線之間變化，其變陡程度隨被拖船阻力的大小而異。

2）從剩余功率出發(fā)，可以對艦艇拖帶時最高航速及主機(jī)最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算。

3）拖帶工況下，在實際管理工作過程中，要充分考慮提速、轉(zhuǎn)向、拖纜長度等因素，防止發(fā)生意外事故。

[1]肖冰, 石愛國, 余力, 等.確定任意艦船拖帶組合最大允許航速的新方法[J].船舶工程, 2006, 28(1):17-20.

[2]汪福強(qiáng), 張富剛.應(yīng)用螺旋槳性能曲線估算拖航最大航速[C]//第五屆中國國際救撈論壇論文集, 2008:244-246.

[3]朱建元.船舶柴油機(jī)[M].北京: 北京人民交通出版社, 2004.

[4]丁江明, 王永生, 黃斌.調(diào)距槳鎖軸拖帶工況最小拖槳阻力和水動力矩[J].上海交通大學(xué)學(xué)報, 2012,46(3): 423-429.

[5]孫明.輪機(jī)管理[M].大連: 大連海事大學(xué)出版社,2005.

[6]金仲達(dá).船舶概論[M].哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2002.

必維助紐威取得SIL3證書為其提供功能安全本土化一站式服務(wù)

此前，全球最大的閥門制造商-蘇州紐威閥門股份有限公司（以下簡稱“紐威”）與全球知名測試、檢驗、認(rèn)證和技術(shù)咨詢服務(wù)供應(yīng)商-必維國際檢驗集團(tuán)（Bureau Veritas，以下簡稱“必維”）達(dá)成關(guān)于設(shè)備功能安全的合作協(xié)議，邀請必維幫助保證其產(chǎn)品在從設(shè)計到報廢的整個生命周期內(nèi)的功能安全。如今，必維助紐威六大類的產(chǎn)品全部順利地通過了所有續(xù)證擴(kuò)證的項目，并且取得了SIL3等級的功能安全認(rèn)證證書。

必維檢驗認(rèn)證部中國區(qū)總監(jiān)范江鋒介紹：“此次認(rèn)證包含了六大類，幾十種小類產(chǎn)品的審核，能在較短的時間內(nèi)完成，與必維提供的本土化一站式服務(wù)密不可分。必維的認(rèn)證過程嚴(yán)格按照2010新版IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，對紐威產(chǎn)品的安全生命周期進(jìn)行了全面審核。紐威產(chǎn)品取得的SIL3證書，證明其產(chǎn)品的安全等級已經(jīng)達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)要求，并且具備了在流程工業(yè)安全儀表市場應(yīng)用的資質(zhì)，為其開拓市場起到了一定的促進(jìn)作用。”

自2013年起，必維開始大力在國內(nèi)拓展功能安全業(yè)務(wù)。至今，必維已經(jīng)與浙江中控、泰科、紐威等十余家企業(yè)簽訂了功能安全認(rèn)證服務(wù)合同，為包括傳感器、安全柵、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門以及繼電器等不同類型的企業(yè)提供獨立的第三方功能安全認(rèn)證服務(wù)，并與國內(nèi)西門子、ABB、德爾格、國核自儀、中國商飛等建立了不同程度的業(yè)務(wù)聯(lián)系。一年以來，必維在功能安全認(rèn)證領(lǐng)域積累了豐富的實戰(zhàn)經(jīng)驗，從而進(jìn)一步提升了服務(wù)能級，致力于為國內(nèi)企業(yè)提供功能安全本土化一站式服務(wù)。

（必維國際檢驗集團(tuán)）

Analysis on Towing Capacity of Ship and Max Speed of Main Diesel Engine

ZHAO Xiao-ming, XU Hui-tao
(Public Security Marine Police Academy, Ningbo 315801, China)

The constraints of towing capacity are analyzed from remaining power.When the ship is on towing condition, the method how to determine max speed of main diesel engine is described , and the advertent matters of management are proposed.

propelled characteristic curve; maximum speed of revolution; maximum speed; traffic management

U663

A

浙江省教育廳科研項目資助（Y201431936）

趙曉明（1986-），男，助教，碩士，研究方向為輪機(jī)工程