大型動力定位海工船螺旋槳配置和選型欠當實例分析

李書霖

摘 要：本文以某一新建的大型海工船在動力定位調試時推力不足為例，采用調試過程中實際取得的各種曲線圖表等數據為素材進行深入分析，從而論證電推海工船在動力定位時需要的螺旋槳、推進電機平衡關系，以期船舶設計者、船東和相關部門多加關注該型船舶螺旋槳的設計和選型。

關鍵詞：大型海工船 動力定位 螺旋槳特性 曲線推力

1.引言

大型海工作業船舶經常需要在復雜海洋氣象環境中進行精確定位，克服風、浪、流對船體作用而產生的漂移。在淺水海域一般可用錨泊系統來定位，而在深海通常多用動力定位系統。

實際船舶動力定位過程中， 船體與螺旋槳的水動力性能相互影響難以分割，完整考慮這些相互影響， 將使得船舶螺旋槳設計異常復雜。本文就目前大型海工船舶航行和動力定位時涉及到的推進電機和螺旋槳匹配，探討推進電機和螺旋槳的轉速、功率和推力有關問題，并以某海工船動力定位時推力不足為起因，從而論證大型海工船推進器螺旋槳的設計和選型匹配。

2.該船推進器的布置

該船設計有8個對稱分布的全電力推進螺旋槳，船舶尾部設計有兩臺5500KW主推進器，四臺3500KW可伸縮推進器合理布置中船底位置，此外還有兩臺1500KW艏側推；中壓發電機產生6600V電壓經中壓配電饋電到西門子變頻器，從而驅動知名品牌LL的全回轉螺旋槳。

在首次實際船舶海試過程中，動力定位時，我們發現推進器的轉速和功率沒有達到額定值而推力負荷卻達到滿負荷；

作為以動力定位為主的大型海工船來說，建造過程中需要進行船舶動力定位能力分析和動力定位能力實效驗證，然后需要將測量到的實際轉速和實際功率等數據輸入到動力定位控制計算機中進行船舶模型的建立，以便在船舶動力定位作業時根據DP計算機內部的船舶模型，并綜合外部傳感器采集到風速風向、船舶位置和艏向、船舶吃水、發電機狀態、母排主開關狀態和電站消耗、推進器配置模式以及各種設定值等實時數據，進而控制每個推進器的矢量推力和方向從而保持船舶位置；實際上如果當扭矩限制在原設計值時，推進器轉速和功率無法達到設計值，這樣會導致船舶的定位能力下降。

3.相關數據的驗證和DP推力不足問題分析

對于推力不足問題，推進電機的轉速和功率均沒有達到額定轉速和功率，但是推力扭矩卻已經達到最大限制值；為判斷故障點，在排除水下探摸船體和螺旋槳的光潔程度正常，推進系統安裝正常外，無非就是推進電機及變頻驅動控制系統、螺旋槳不正常導致推力不足。

3.1推力限制放開獲取技術數據

鑒于電力驅動系統可以調整限制，包括電流、轉矩和功率等，根據本船船體、螺旋槳、系統三方的匹配關系，確定適當放開驅動系統的電流、轉矩限制，而保持額定功率不變。

具體測試方案，船舶首部拋一個航行錨作為系柱點，船舶隨水流向穩定，在風速、流速滿足試驗的情況下，逐步對某一個測試推進器按照從零轉速逐步增加50RPM情況下測量電壓、電流、功率、功率因數（最大功率時）、扭矩，繪制相應的曲線，同時西門子實時輸出采集的波形曲線并查看研究轉速時的電壓電流波形曲線（含轉速給定、轉速反饋），判斷電壓電流是否被限制過度。根據試驗數據繪制相應的電力曲線，并查看最大轉速時的電壓、電流等波形曲線，同時檢查功率、轉速和電流是否能夠升高。另外檢查第三方專業機構所測試的轉速、扭矩、功率，與西門子的測試數據形成對比表進行分析及修正。然后由西門子工程師利用西門子變頻器軟件工具starter從限制額定電流開始逐步放開電流120%，130%，150%限制，以及放開5%，8%的轉矩限制，測量相關數據繪制曲線。以主推進器為例，放開推進器驅動系統的轉矩限制逐步從70KN到74KN時，使螺旋槳發揮出額定的推力。

3.2西門子驅動系統數據分析

本次試驗數據是基于零航速下測試的數據，對于主推進器動力定位相關數據獲取，西門子驅動系統首先按照額定值測試一系列數據；然后逐步放開轉矩/功率/電流限制后測試一系列數據。

通過理論分析可以得出主推結論：基于槳設計功率需求曲線和實際功率需求曲線的對比信息可以看出，在不同速度點下，實際功率需求高于設計功率需求。基于槳設計轉矩需求曲線和實際轉矩需求曲線的對比信息可以看出，在不同速度點下，實際轉矩需求高于設計轉矩需求。根據試驗數據，每個槳所需扭矩均較原設計值大了很多，在額定功率達到時，主推T7T8超過4-5%。

通過上述西門子推進電機控制數據獲取和分析可知，在放開推進電機的扭矩限制后，推進電機轉速和功率均能達到額定轉速和功率。

3.3螺旋槳與推進電機系統的配合分析

電機重載情況下（如圖1所示），設計機槳匹配點H點往左邊偏移至B點，B點即為機槳所能達到的最高轉速點。此時電機所能提供的最大轉矩為MH，電機最大轉速為nBMH，NB>NH ，電機將嚴重超負荷，不能正常運行。因此，螺旋槳必須進行扭矩限制。

對于推進電動機最重要的是防止電動機超負荷，推進電機工作轉速必須低于最高點B點的轉速nB。

由于螺旋槳是按本身的特征線運行，不能全部吸收的來至電動機的功率、轉速、扭矩，只有在額定狀態下，才能全部吸收的來至電動機的功率、轉速、扭矩，即功率、轉速、扭矩同時達到額定值。重載配合時推進電動機不能發揮出額定轉速和額定功率，相應的螺旋槳就不能吸收到全功率，推力就不足，由此定位模式下導致達不到設計時的定位能力。

根據螺旋槳的水動力特性，螺旋槳阻力矩Mp達到額定極限，功率和轉速未到達額定值、沒有達到設計點。原因無非有二：

（1）艦船的阻力系數 K R。若艦船阻力系數 K R 越大，相對進程λ P 越小，螺旋槳轉矩系數 K 2 變大，船舶阻力系數Kr，取決于船體的排水量、線型、污底程度、拖帶情況、航道情況、海情（風浪大小）等因數。

（2）螺旋槳的直徑 D。若螺旋槳的直徑D誤差超過設計值（通過螺旋槳的直徑D的5次方關系影響螺旋槳轉矩），也會導致螺旋槳特性曲線變陡。

綜合評估，在排除推進裝置安裝不當引起的推力附加損失，以及螺旋槳葉面臟污外等，導致該現象的主要原因是螺旋槳的阻力距過大，也就是螺旋槳偏“重”。

設計院船體進行相關推進系統的推算，一般商船是按照選型好的主柴油機功率，再來選擇螺旋槳；而電力推進的海工船，恰恰相反，即：

A.設計院根據計算和船模實驗提供推進所需的推力值；

B.螺旋槳廠家根據推力值配置相應的槳直徑和轉速，進一步計算出推進器的所需扭矩；

C.推進電機廠家根據螺旋槳廠家提供的扭矩和相應的轉速，計算出推進所需的電機功率。

4.結論

本文論述了本船在動力定位工況下和航行工況下螺旋槳的工作特性，根據試驗數據分析了造成本船動力定位時推力不達標的可能原因。

本文也深層次揭示了在大型海工船螺旋槳設計和選型過程中，既要保證動力定位所需要的推力需求，又要兼顧航速要求，對航速技術指標可以提前進行船模驗證并及時采取措施修正，但是在動力定位狀態下對船機槳配合關系目前卻沒有更好的方法去效驗，因此兩者匹配時要保證動力定位模式下留有適當的推力余量，期望相關專業人士對大型海工船螺旋槳選型和設計引起注意并作出優選的判斷。

參考文獻：

[1]吳家明，龐文洋，曾凡明.艦船動力裝置原理.國防工業出版社.2009.2.