船舶不同航行工況下船機槳配合特性分析

黃振華，李 霏，唐 然，王樹仁，楊斌斌

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

船舶不同航行工況下船機槳配合特性分析

黃振華，李 霏，唐 然，王樹仁，楊斌斌

（中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431）

本文基于船機槳基本理論，以某遠洋特種船舶動力系統實際運行參數為依據，討論分析了該船動力系統在工作工況下的船機槳配合情況，針對其存在的問題，并結合測量船設備的實際情況，提出了改善方法。

測量船；船機漿配合

0 引言

航行在水中的船舶受到水的阻力，需要推進器提供推力來克服其所受到的阻力，使船舶能夠保持某一穩定的航速，而推進器需要產生推力，這就需要船舶主機提供能量以克服推進器所消耗的能量，由此便形成了船—機—槳的能量轉換系統。船舶推進系統中主機、傳動裝置、螺旋槳等都有各自的運動規律和工作特性，要使推進系統在最佳的狀態下運轉，實現推進裝置的最佳能量轉換，需要船—機—槳在船舶航行中有十分完善的相互匹配，實踐證明，如果船機槳匹配不當，則會出現主機功率不足或者超負荷、敲缸拉缸等嚴重故障。

該船在航行的全過程中主機的運行工況主要分為航渡工況和工作工況。以工作時間100天為例，其分配情況見表1。航渡工況時，主機以80%至85%的額定功率、100%額定轉速運行，航速為18kn至19kn。工作工況時，主機以25%額定功率、75%的額定轉速運行，航速為12kn。在工作工況時，需要保持12kn的航速不變，此時船機槳的配合是否合適，主機推進裝置工況是否良好直接影響主推進裝置是否能穩定可靠運行，任務是否能順利完成。

表1 主推進裝置使用工況分配表

1 船機槳系統動力傳遞模型

船機槳系統實際上是一個能量轉換系統，主機提供某一轉速下的旋轉力矩，通過傳動裝置和軸系將它們送至螺旋槳，克服螺旋槳相應轉速下的阻力矩。螺旋槳實際上是一個能量轉換器，將主機的旋轉能轉換為推力能。船機槳的配合是建立在船機槳系統運行相互平衡的基礎上的，這種平衡關系表現在兩個方面，即運動平衡和動力平衡。

在主機和螺旋槳之間考慮到傳動裝置及軸系的傳遞損失，按能量守恒原理和運動平衡，可得機槳之間的平衡條件為：

式中，MD為主機的轉矩；i為減速比；Mf為推進裝置阻力矩；MP為螺旋槳的力矩；J為軸系的總轉動慣量；Js為螺旋槳附連水的轉動慣量；ωP為螺旋槳的角速度；nD為主機的轉速；nP為螺旋槳的轉速。

在螺旋槳和船體之間，考慮到螺旋槳的伴流的影響，可得槳船之間的平衡條件為：

式中，ZP為螺旋槳數量；T為一個螺旋槳的推力；R為船舶阻力；m為船舶質量；ms為船舶的附加質量；VP、Vs為螺旋槳的進速、船舶航速；ω為螺旋槳伴流系數。

2 船、機、槳三者特性及穩態配合

2.1 船舶的阻力特性[1]

船舶在航行時，受到水的阻力R的作用，理論研究表明，一般排水型船舶的阻力特性可近似的表示為：

R為阻力系數。取決于船體的排水量、線型、污底程度、航道情況、風浪大小等因素。對于一艘確定的船舶，主要取決于航行海況。Vs為船舶的航速。

2.2 螺旋槳特性

2.2.1 相對進程

螺旋槳在靜水中每轉動一周實際前進的距離為進程，即：

式中，VP為螺旋槳在靜水中的前進速度；np為螺旋槳的轉速。

相對進程是螺旋槳每轉動一周時前進的實際進程hp與該螺旋槳的直徑的比值，用λP表示，即：

相對進程反映了螺旋槳工作時的軸向“滑脫”程度。對于一個既定的螺旋槳而言，其直徑是常數，因此相對進程表示了螺旋槳的前進速度與螺旋槳轉速之間的比例關系。相對進程是反映螺旋槳運轉工況的一個重要參數。

2.2.2 螺旋槳的水動力特性

螺旋槳旋轉時會產生推力和阻力矩，當其相對進程與轉速一定時，產生的推力和阻力矩的大小也是一定的。這是螺旋槳本身的固有性能，稱為螺旋槳的水動力特性。研究表明，螺旋槳產生的推力和阻力矩與它的結構參數和運動參數有關，即：

TP為螺旋槳推力；MP為螺旋槳的阻力矩；ρ為海水密度；D為螺旋槳直徑；KT為螺旋槳的推力系數；KM為螺旋槳的轉矩系數推力系數和轉矩系數。除了與螺旋槳的螺距比、盤面比、葉片數、截面形狀等結構參數有關之外，主要與螺旋槳的運行狀態參數——相對進程有關。

2.2.3 螺旋槳的敞水作用曲線

推力系數KT和轉矩系數KM隨相對進程λP的變化規律稱為螺旋槳的敞水作用曲線，如果將其在常用范圍內作簡單線性化近似處理：

其他結構參數完全相同而螺距比不同的螺旋槳，有各自的作用曲線，且互不相同。

2.3 柴油機外特性

為了使柴油機安全可靠的工作并達到一定壽命，對柴油機的工作范圍必須加以限制，各種限制構成的區域即為柴油機的允許工作范圍。這些限制主要來自最高負荷限制、最低負荷限制、最高轉速限制、最低轉速限制。圖1是第三代測量船主機瓦錫蘭8L46C柴油機的允許運行范圍（單缸）。

圖1 瓦錫蘭8L46C柴油機單缸運行圖

從功率—轉速的關系圖中可以看出最低轉速限制為350r/min，最高轉速限制為516r/min。最高負荷限制1050KW。虛線為名義推進曲線即為各轉速下的負荷限制線。白色區域為持續工作區域，灰色區域為短暫工作區域，不能長時間在此區域內運行。在調距槳的配合下，在最低和最高轉速之間，沒有最低負荷的限制，在白色區域內，機槳可在任何一點穩定配合。

3 船舶不同工況下的船機槳配合分析

該船采用雙機雙槳的動力形式，單機最大持續功率 MCR（Maximum Continuous Ratings）為8400kw，標定轉速 500r/min。齒輪箱變速比為4.136:1。螺旋槳采用5葉調距槳，螺旋槳標定轉速為120.9r/min，最佳設計效率為0.685，螺旋槳直徑D 為 5.4m，盤面比 AE/AD=0.679，螺距比為P/D=1.073（變距分布）。

該船主機運行的控制方式分為聯控和分控，在駕控模式下，采取聯控方式，螺距和轉速的配合關系（正車）見表2。

下面利用該船在不同工況下主推進裝置的運行參數作出主推進裝置在不同工況下的運行曲線。

表3至表6是聯控模式下手柄格數分別從+40至+100的運行參數。

表2 聯控方式下的轉速和螺距匹配表

表3 手柄格數為+40時的運行參數

表4 手柄格數為+60時的運行參數

取各個數據的平均值可以分別得到不同手柄格數下的推進特性的比例系數為：Kp4=0.0028；Kp6=0.0037；Kp8=0.004；Kp10=0.0039。由此可以作出主推進裝置在不同工況下主機和螺旋槳的配合曲線，如圖2所示。

表5 手柄格數為+80時的運行參數

表6 手柄格數為+100時的運行參數

圖2 不同工況下主機和螺旋槳配合曲線

從圖2中可以看出，在聯控方式下，主機和調距螺旋槳并沒有沿著某一條固定的推進特性曲線改變配合點，考慮到燃油消耗率，螺旋槳推進效率等因素，聯控方式下，配合點沿著圖中紅色配合點組成的一條曲線變化。

4 某船測量工況下機槳配合形式的改善方法

在船舶工作時，為保持12節的航速，主機一般在375r/min轉速和25%額定功率下工作，即圖中+40配合點。在實際工作中，發現主機在這個轉速下出現以下問題：管系震動強烈、各缸排溫不均勻、總排溫較高。究其原因是柴油機以很低的轉速運轉時也會帶來各種危害：燃料噴射壓力過低、霧化不良，從而惡化了空氣與燃料的混合，使燃燒不完全，積炭嚴重；各軸承潤滑情況會變壞；各缸供油量的不均勻度顯著增加，甚至個別缸不能保證發火燃燒。還有一些情況下某些附屬泵的排量在轉速過低時也不能保證柴油機在該轉速下運轉的需要。

某船主機的排溫與轉速之間的對應關系見表7。

表7 轉速與排溫的對應關系表

為了改善機槳配合情況，解決排溫和燃燒工況等問題，保證主機處于更好的可靠穩定運行狀態，可以有以下幾種其他機槳配合的處理方式。

4.1 單機運行

由于雙機運行時，單機功率輸出只有25%，所以考慮單機運行，另一臺主機處于一鍵啟動狀態。單機運行時，由于不工作螺旋槳的附加阻力的影響，單機實際功率要大于50%，此時，單機轉速較高，工況也較好。這種處理方式存在其優缺點。其優點是：主機在略大于50%的工況下，燃燒工況、排溫都較好；而缺點為：船舶工作時，若工作主機出現故障，另一臺主機從啟動到保持船舶12節的航速，需要一定時間，可靠性略有降低。

4.2 改聯控模式為分控模式

由于螺旋槳為調距槳，在可運行區域內的任何一點均可穩定運行，因此可以采用分控方式，使主機轉速保持在430r/min左右，功率為25%的額定功率。這樣能使得主機的噴油效果更好，燃燒工況和排溫得以改善，配合點見圖3。

圖 3中三角形表示出了新的配合點轉速為480r/min，功率為25%額定功率。這種方式的優點為：改善了燃燒工況和主機排溫，且保持了可靠性；缺點是：燃油消耗率高，螺旋槳推進效率低，有較大的剩余功率。

Performance Analysis of Paddle Boat Machine under Different Ship Sailing Conditions

Huang Zhen-hua,Li Fei,Tang Ran,Wang Shu-ren,Yang Bin-bin
(China Satellite Maritime Monitoring Department,Jiangsu Jiangyin 214431,China)

In this paper,based on the basic theory of ship engine propeller and real operation data of a pelagic special ship power system,discussed and analyzed the power system of the ship engine propeller in working conditions with the situation,to solve the existing problems,and combining with the actual measurement of ship equipment,proposed the improvement method.

measure ship; hull-engine-prop relations

U664.81

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.008

黃振華（1988-），男，工程師，研究方向：船舶電氣設備。