全回轉式調距槳港作船降耗初探

付昭斌 孫成琪 鄭燕祥

摘 要：為解決全回轉式港作拖船高油耗的問題，本文在分析調距槳主要特性和控制方式的基礎上，全面分析了影響油耗的因素，進而提出降耗的措施。

關鍵詞：主機轉速;油耗;調距槳;全回轉式

中圖分類號：U674.24 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0122-03

港口是對外經濟交流的窗口和現代物流業的重要環節，作為船舶港內安全作業的重要輔助工具，港作拖船燃油消耗直接影響了拖輪公司的經營成本。因其優良的船舶操縱特性，全回轉式港作拖船已經成為港口拖船使用的首選。但相比其他港作拖船而言，全回轉式調距槳拖船的油耗普遍較高。因此，如何降低全回轉式港作拖船的油耗，顯得非常必要。

圍繞降耗問題，馮樹強[1]提出控制船舶速度等措施來降低油耗;潘永良[2]在分析拖船運行特點的基礎上，提出遵循熱工運行規律，增強節能降耗意識等措施來降耗;王偉[3]提出合理調整船舶吃水差來降低遠洋船舶油耗的措施;曹用順、陸漢林[4，5]認為采用經濟航速節能效果顯著;莫司丞[6]采用魚翅分析法，研究得出設備自身質量、設備運行環境和管理是引起粵海鐵路火車渡輪主機高油耗的主要原因;張琳[7]認為可通過優化拖輪調度計劃和改變駕駛行為等措施來降低油耗。上述研究是從某個方面研究了全回轉式港作船的油耗情況。本文擬在分析全回轉式推進器的主要特性和控制方式的基礎上，全面分析影響油耗的因素，進而提出降低油耗的措施。

1全回轉式調距槳工作原理及主要特性

1.1調距槳工作原理

根據螺旋槳理論，當流體以某一速度w與螺旋槳槳葉弦線以某一攻角α流入時，將在槳葉處產生垂直于w的升力和翼型阻力D，此合力可平行或垂直于螺旋槳軸線進行分解，可得推力T和旋轉阻力D。在固定螺距下，只能通過調節主機轉速n來改變水動力角，實現船舶的加減速操作;但對于可調螺距螺旋槳，除此之外，還可通過改變槳葉葉片處的螺距角方式，改變水動力角，從而實現船舶加減速操作。另外，全回轉調距槳沒有舵機，改變螺旋槳導流管回轉角度，可以控制船舶的航向，起到了舵機的作用。

1.2 調距槳的主要特性

根據文獻[8，9]，調距槳的主要特性如下：

（1）可以根據不同的工況，調整螺距角，始終保持螺旋槳推進效率處于最佳狀態。相同轉速下，隨螺距角的增大，螺旋槳效率呈現先增大后減少的趨勢;相同螺距角下，螺旋槳的效率隨轉速的增大而提高，但變化規律因進程比的不同而有差異;

（2）主機轉速n和調距槳直徑D一定時，可以通過保持螺旋槳扭矩系數KQ不變，調節螺距比P/D，既能達到航速穩定的目的，又能充分發揮主機額定功率;

（3）保持調距槳直徑D不變，可以同時調節主機轉速n和螺距比P/D，實現給定的推進力，穩定所需航速;

（4）在主機轉速n不變的情況下，可以通過調節螺距比P/D，實現前進或后退時的最大航速;

（5）在雙調距槳工作時，可以通過調節螺旋槳推進方向，配合主機轉速，實現船舶的原地旋轉、橫移。

2 全回轉式調距槳推進系統控制方式

常見的全回轉式可調螺距螺旋槳推進系統控制方法有獨立控制、組合控制和非跟蹤控制三種。

2.1獨立控制

獨立控制方式意指分別操控主機轉速調節手柄和可調螺距旋鈕。這種控制方式下，可調螺距和主機轉速是獨立控制的，彼此之間毫無關聯，操作相對較為復雜。需要駕駛員極為熟悉可調螺距螺旋槳的工作原理及性能，以及主機轉速和可調螺距的最佳匹配關系，否則，極易因操作不當，致使螺旋槳出現空泡、效率低和主機出現超載、失速等現象。因此，一般不選擇這種控制方式。

2.2組合控制

組合控制是在推進系統預編某一工況下主機轉速和螺距角匹配程序的情形下，通過控制操控主機轉速，螺距角按照預先編制的程序自動追隨主機轉速的控制方式。如“湛港消拖601”是通過調節主機轉速，螺距角則自動追隨主機轉速的方式，實現對推進系統的控制。同時，通過順時針（或逆時針）旋轉主機轉速調節手柄根部的大圓盤，調節導流管的方向與船舶中心線的方向。相應的螺距角、主機轉速等都在控制臺的儀表上顯示。

組合控制的優點主要在于操作簡單，且能確保在設定工況下有最低燃油消耗。但這種控制方式下的最低油耗僅局限于所設定的工況，一旦工況發生改變，也就難以保證有最低燃油消耗。

2.3非跟蹤控制

作為上述兩種控制方式的備用控制方式，非跟蹤控制一般在應急時使用。當螺距控制系統出現故障時，可利用駕駛臺上的應急操縱按鈕，直接控制螺距;或者是將螺距固定在某一位置，將它作為定距槳來使用。

3油耗分析

3.1船舶阻力

運營中的船舶所受到阻力總量RT由基本阻力R0和附加阻力ΔR兩大部分構成，基本阻力受船速、排水量和船型等諸多因素的影響[10]，主要由摩擦阻力、興波阻力、渦流阻力和空氣阻力組成。摩擦阻力一般為總阻力的70～90%，主要與濕水面積、船體光潔度和船速有關。船體表面粗糙度越大，附加阻力越大，可使船舶總阻力增加25～50%。

3.2 定速航行

船速是影響船舶摩擦阻力的主要因素。摩擦阻力總阻力中的大小主要取決于船速的大小，基本上以船速的二次方速率迅速增大。若定速航行的速度越高，船舶所受到的航行總阻力自然就越高，相應的油耗也就越高。

3.3可調螺距螺旋槳螺距與主機轉速匹配

在協助大船靠、離泊作業或旋回作業時，拖船需要根據大船的操縱意圖，提供有效的推力。通常情況下，拖船最大推力是由大船指揮者以“車鐘令”的形式下達，而拖船上主機轉速均與車鐘令一一對應。因此，只需研究既定轉速時可調螺距螺旋槳最大推力及最佳螺距和轉速的匹配關系，即可達到節能的目的[11]。

當額定扭矩和額定轉速一定時，扭矩系數為常數（公式）。從公式不難看出：與成正比，與轉速的平方成反比。

根據進程比計算公式，進程比與進速成正比，而與該額定轉速成反比。

因此，可根據和在螺旋槳特性工作曲線圖，查取相應的螺距比和推力系數。再按照推力的計算公式，計算不同航速時的最大推力。

3.4頂推或拖拉著力點

頂推點或拖拉著力點的不同，同等頂推力或拖拉力所產生的轉船力矩是不同的。頂推點越靠近大船船中，同樣轉船力矩情形下，需要的頂推力越大。因此當協助大船掉頭操作時，宜選擇大船首尾最遠端系靠，可在同等主機輸出功率時能提供最大的轉船力矩，以此降低拖船的油耗。

3.5 其他

主機的維護保養，如噴油嘴霧化狀態、設備是否“跑、冒、漏”、燃油燃燒是否充分等等，也是影響主機油耗的原因。船舶的吃水和吃水差對船舶的快速性有一定的影響，不合理的吃水和吃水差也會引起船舶油耗的額外增加。

4 降耗的主要對策分析

4.1 定速航行采用經濟航速

因港口拖船配置或海況的原因，港作拖船承擔了部分引航員登、離船的接送任務，拖船與引航員登、離船點有一段較遠的距離。有時拖船停駐點至作業地點也有較遠的航程，因此，從降低油耗的角度，宜采用合適的經濟航速。

4.2研究主機技術資料，總結和歸納不同工況下可調螺距與主機轉速的最佳匹配

“組合控制”的推進系統控制方式，雖然操作簡單，但這種控制方式下的可調螺距（螺距角）與主機轉速僅僅是適合某一固定海況下的最佳匹配，并不適用于所有的海況，難以保證最好的有效推進效率。因此，需要圍繞可調螺距與主機轉速的最佳匹配，研究船舶柴油機各類技術資料，特別是燃油曲線圖等，總結和歸納不同工況下的最佳匹配，以期達到節能的效果。

4.3 合理選擇控制方式

推進系統有多種控制方式，可同時或獨立操作螺距和主機轉速，同時還可操作導流管與船舶中心線的偏轉夾角。駕駛員熟悉不同的控制方式下螺距角與主機轉速的匹配度，需根據作業環境和工況，合理選擇控制方式。在“獨立控制”模式下，密切關注螺距角與主機轉速的匹配度，使之處于最佳匹配狀態。

4.4 合理選擇系靠點進行降耗

港作拖船主要為大船港內作業時，提供大船旋轉或調整航向時的轉船力矩或攏岸、離岸時的橫向運動的推力或拖拉力。著力點的不同，決定了相同推力或拖拉力所產生的轉船力矩的異樣。因此，當大船在決定拖船的系泊點時，可以向大船指揮者提出合理化的建議。

4.5 加強船舶機器設備的維護保養，保持機器設備處于良好的工作狀態

平時應加強對機器設備的維護保養，尤其是對主機進行定期維護，密切關注主機噴油嘴的霧化和燃燒情況，始終保持機器設備處于良好的工作狀態，杜絕“跑、冒、漏”現象。

4.6 其他

加強對船體的維護，定期刮擦船體附著物，保持船體的光潔度;為降低船舶的油耗，應保持合適的吃水和吃水差，以提高船舶的快速性。同時應從管理層面建立激勵機制，實行船舶維護保養、油耗率與獎罰掛鉤，激勵船員積極進行船舶的維護保養，鼓勵船員鉆研業務，改善操作習慣。

5 結語

本文分析了全回轉式調距槳港作船油耗的影響因素，進而提出了降低油耗的對策，可供拖船在實際操作時作為參考。不同工況下螺距與主機轉速最佳匹配，是影響油耗的關鍵，將是下一步的研究重點。

參考文獻：

[1]馮樹強.船舶引航中的節能降耗措施[J].中國水運， 2016， No.507（04）：70-71.

[2]潘永良.港口作業船舶節能降耗的實踐與效果[J].船舶節能， 1996（3）：31-35.

[3]王偉.合理利用船舶最佳吃水節能降耗[J].中國水運（下半月）， 2013（12）：13-17.

[4]曹用順.船舶柴油機節能減排技術[J].石油工程建設，2011，37（S1）：91-93+9.

[5]陸漢林. 采用經濟航速是節能的最佳途徑[J].港口科技動態， 1991（1）：23-24，26.

[6]莫司丞. 粵海火車渡輪燃油消耗原因分析與對策研究[D]. 西南交通大學， 2013.

[7]張琳. 淺談拖船節能降耗的途徑[J].交通財會， 2011（08）：68-72.

[8]王瑩. 船用調距槳推進性能分析[D].集美大學，2015.

[9]楊智強. 基于STAR-CCM+和Fluent的可調螺距螺旋槳的水動力性能研究[D]. 2016.

[10]船舶操縱[M]. 大連海事大學出版社，洪碧光， 2008

[11]蔡學廉.可調螺距螺旋槳的螺距與轉速匹配[J].漁業現代化，1979（02）：26-29.

基金項目：“湛港消拖 601”輪機槳協調控制策略的研究（LT18JS001）