某船全回轉試驗主動力失效原因分析及解決措施

楊亞男 徐雪波 薛小衛

摘? ? 要：針對某船海上全回轉試驗時出現的主動力失效事件，結合其它船航行試驗中出現的類似案例的原因分析，在船舶水動力學和船機槳匹配理論的基礎上，分析全回轉中船舶的特殊運動狀態，對全回轉試驗中船舶主動力失效因素進行歸納，提出預防風險的若干措施，旨在為新船的全回轉試驗提供參考借鑒。

關鍵詞：全回轉試驗;主動力失效;風險;措施

中圖分類號：TK427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Analysis and Measures of Main Power Failure

During Ship Turning Circle Test

YANG Yanan ， XU Xuebo ， XUE Xiaowei

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： As there is a main power loss failure during the turning circle test of a ship in sea trial， this paper combines the phenomenon and cause analysis of several similar events， based on theoretical knowledge of ship hydrodynamics and hull-engine-propeller matching， analyzes the special motion sate of the ship during the turning， summarizes the risk factor of the main power failure during the test， and some measures to avoid the risks are put forward.

Key words： Ship turning circle test;? Main power failure;? Risk;? Measures

1? ? ?前言

船舶建造完成后進行的海上回轉試驗，是檢驗船舶操縱性的重要試驗項目之一，目的是了解船在一定航速和舵角下的回轉能力及所需水域大小，提供相關數據給船東記錄，并供操作、修理及改裝設計參考。

國家軍用標準GJB6850.5-2009中，詳細規定了新船在交付前要進行的回轉試驗項目和指標，其中全速滿舵的回轉試驗被稱為全回轉試驗[1]。回轉工況屬于船的過渡工況，此時船-機-槳處于動態匹配狀態，有可能發生異常情況。例如某船穩性和操縱性均滿足要求，但在全回轉試驗中出現了主動力失效導致試驗無法順利完成。下面對該事件的分析及解決過程進行闡述。

2? ? ?某船全回轉試驗動力失效現象及原因分析

2.1? ? 試驗方法

以船全速穩定直線航行（以下簡稱直航）為試驗初始狀態，記錄航向、航速、初始舵角及主機轉速，以最快速度按左或右滿舵35°操舵，讓船回轉直至首向角變化540°。

試驗時，通過差分GPS輸出回轉軌跡圖，并在試驗過程中記錄穩定回轉時速度、穩定橫傾角、最大動橫傾角和回轉周期，根據回轉軌跡圖得出穩定回轉直徑、橫距、縱距等試驗指標。當船首向角變化達540°時，可恢復直航，航速穩定后進行反方向操舵的回轉試驗，一般情況下宜以相同或相差180°的初始航向角進行各次操舵試驗。

全回轉試驗時，船的回轉軌跡如圖1所示。

2.2? ?試驗故障原因及排除過程

（1）故障現象

該船采用柴-柴聯合動力裝置，螺旋槳推進，主機采用德國MTU16V1163型高速柴油機，排氣系統為水下舷側排氣方式（挪威MECMAR舷側排氣系統）。

在首次左滿舵全回轉試驗進行至20 s左右時，右舷前后兩臺主機先后出現排氣溫度高（右舷后主機700 ℃左右）以及舷側排氣背壓高（右舷后主機舷側排氣口背壓在190 mbar左右）報警，報警持續60 s左右時，右舷后主機出現安全停機，導致該試驗無法順利完成。

（2）故障原因分析及排除

通過試驗觀察發現，左滿舵回轉試驗至穩定階段，船體出現右橫傾，穩定橫傾角為13°，導致右側主機舷側排氣口的水下浸深變大，舷側排氣口排氣背壓升高。在舷側排氣系統安全要求、主機熱負荷限制特性保護下，舷側排氣系統設定舷側排氣背壓在高于85 mbar后持續60 s時輸出安全停機信號至主機，高于400 mbar時無延時立刻安全停機。經過和設備服務商討論，雖然主機的技術參數中設計/最大允許排氣背壓為30/50 mbar，但舷側排氣系統的舷側排氣背壓報警停車值可以根據主機實際運行情況修改。服務商提出60 s延時時間為系統初始設定時間，可以在主機安全運行的前提下，根據實船操縱需要適量調整。因此，將系統參數設定修改為：排氣背壓高于85 mbar持續4 min后安全停機。調整相關設定后，該船全回轉試驗順利完成。

類似于上述的故障現象，也發生在該船的電站柴油機舷側排氣系統上。該柴油機為輔機，在全回轉試驗中出現輔柴油機舷側排氣口排氣背壓高達到安全停車設定值，先后導致兩臺在網發電機組安全停機。由于未能及時起動備用發電機組，造成了短暫的全船失電，其故障原因同上，后采取同樣的修改設定值的措施后排除了故障。

3? ?其他類似全回轉試驗故障案例

3.1? 某輔船在全回轉試驗中出現主機冷卻水溫度過高安全停機

原因分析：該船設有高、低位海底門，船在全回轉時橫傾角度較大，此時使用的高位海底門吸入的海水夾雜著大量氣泡，主機冷卻海水量減小，冷卻能力大幅下降，導致主機冷卻水溫度過高安全停機。

該船同時設有低位海底門和高位海底門，按一個海底門能滿足正常航行時海水需求量設計，因此在后續全回轉試驗前通過切換管路使用低位海底門排除了故障。

3.2? ?某船在全回轉試驗中主機出現負荷限制

該船全速工況為四機雙槳推進，在右滿舵全回轉試驗中，左側螺旋槳為外槳，右側螺旋槳為內槳，進入穩定回轉階段記錄主推進裝置負荷相關數據，見表1。

由表1數據可以看出，右滿舵全回轉時，左右推進軸的實測軸功率都比直航工況時變大，負荷最大狀態為：左軸功率增加2 884 kW，是右軸功率增加值的1.6倍，左軸主機超負荷運行，超負荷狀態下，左軸螺旋槳實際螺距隨指令降至84%，負荷下降至設計值。對此，分析原因如下：船在右滿舵全回轉時船體左傾，此時受船速降低、槳葉攻角變大、槳盤流場變化、螺旋槳浸深變化等多方面因素的影響，內外槳負荷均變重，且外槳負荷遠大于內槳負荷[3]，導致兩軸主機負荷不同程度的增加;主機負荷一旦達到主機的扭矩限制線，主機遙控系統將自動減小螺距指令，使柴油機的油門限制在扭矩限制線下邊緣，以防止主機因扭矩限制而轉速下降;當柴油機負荷低于扭矩限制線時，主機遙控系統將螺距指令自動恢復到所需螺距，直至主機的扭矩限制取消[4]。但該措施若設計不當有可能會導致全回轉速降過大，影響試驗指標。該船全回轉穩態航速相對初始直線航速下降了56.7%。

通過上述試驗現象及原因分析，在采用調距槳的情況下，可以通過主機遙控系統自動降螺距的方式，在全回轉時，使主機保持設定轉速而不會超負荷運行。由此可見，全回轉試驗中船的特殊運動狀態對主動力系統的正常工作造成了一定程度的影響，有必要進一步分析全回轉工況船的運動狀態和原因。

4? ? 全回轉工況船舶運動狀態分析

4.1? ?船速降低

以本文第2節的某船為例，在后續順利完成的回轉試驗中，船穩定回轉時船速降幅為船直線航速的25%。

船在全回轉運動中漂角（船的航向與回轉圓形軌跡切線方向的夾角）增大，使船的前進阻力增大，離心力在前進方向上的分量消耗了螺旋槳的部分推力;另一方面，船-機-槳匹配處于一個動態的過程，螺旋槳推進效率降低，船的航速顯著減小，稱為回轉速降[5]。回轉直徑越小、回轉漂角越大，則回轉速降越大，一般降速幅度為船舶初速的25%～40%。

4.2? ?回轉的橫傾

船在回轉運動中，受力情況如圖2所示。由于舵力、離心力和水動力不在一條直線上，形成繞船縱向軸的力偶，因此會出現繞船縱向軸的橫傾。

船的回轉運動過程，可以分為三個階段[6]：

（1）轉舵初期

轉舵開始時，船體因本身慣性很大，來不及產生明顯的橫向速度和回轉角速度，會因舵力短時內傾;

（2）過渡階段

船進入穩定回轉前的動態過程，隨著船體漂角增大，船受回轉慣性離心力矩的作用，由內傾漸漸變為外傾，因慣性產生最大外傾角，一般為穩定外傾角的1.2～1.5倍;

（3）穩定階段

受力與運動處于穩定狀態，船以一定的橫向速度和回轉速度繞固定點作回轉運行，船體穩定于某一外傾角。

4.3? ?螺旋槳負荷增加

船的回轉速降導致螺旋槳的進速系數減小，當螺旋槳轉速不變時，螺旋槳的推力和阻力矩均相應增大。結合多型船海上全回轉試驗的測試數據，以及參考相關資料文獻的研討[3～9]，可以了解到船在全回轉試驗的穩定回轉階段，內外槳負荷均大于船直航時負荷，且外槳負荷大于內槳負荷。

5? ? 全回轉試驗動力失效風險分析

通過以上若干全回轉試驗中出現的問題以及船舶運動狀態分析，以下因素可能會導致全回轉試驗中主動力系統出現故障風險：

5.1? ?試驗海況

船在全回轉試驗中的外界環境條件，如風速、流速所造成的擾動力矩會和舵力矩疊加，增大船的橫傾角，使船在過渡工況的動態特性偏離設計狀態，影響主動力裝置及其保障系統的正常工作。

5.2? ?試驗時船舶狀態

全回轉試驗前，對船的縱橫傾狀態、排水量、重心位置以及所處的試驗階段都有嚴格的指標要求，以確保船體狀態盡可能接近設計階段滿足操縱性指標的狀態。

5.3? ?海底門的使用

某些船同時設有高、低位海底門，在淺水航行時為避免吸入泥沙，使用高位海底門;在海洋中或輕載航行時為避免船搖擺時吸入空氣，使用低位海底門[10]。在全回轉試驗時，若海底門使用不當，會影響主、輔機的冷卻水來源，造成動力失效風險。

5.4? ?主機超負荷出現扭矩限制

全回轉工況下螺旋槳阻力矩的增大要求主機同時發出更多功率，在這種情況下，主機有可能超負荷運行出現扭矩限制，特別是外槳對應的推進主機。若主機遙控系統自動減小螺距指令和恢復螺距指令的采樣和發令周期不當，會導致主機功率頻繁達到扭矩限制線，無法穩定控制主機轉速和螺旋槳螺距，使螺旋槳發出所需推力，也會間接影響回轉航速、回轉半徑等試驗指標。

6? ? ?試驗中預防風險的措施

針對上述風險分析，建議在試驗組織、系統設計等方面采取以下預防措施：

6.1? ?選擇合適的試驗海域及時機

全回轉試驗對試驗海區、水文氣象有明確規定，要求海況不大于二級，能見度良好，水域寬闊，應大于50×50船長[1]，試驗海域有足夠的水深。

試驗時機應合適，盡量避免順風順浪時進行回轉試驗，條件無法滿足時適量減緩操舵速度，盡可能減小外界環境條件造成的擾動因素。

6.2? 嚴格控制船舶狀態

試驗前通過調整液艙內油、水裝載量使船的排水量為正常排水量，嚴格按要求完成船舶配載，減少自由液面，采取適當措施防止重物移動，使船的重心位置、縱橫傾盡量接近設計狀態。同時，要求螺旋槳表面和船體水下部分清潔無損。

6.3? ?排除動力裝置受橫傾影響的風險因素

（1）新船設計時，高位海底門的布置位置要滿足全回轉工況下不會露出水面。若不可避免時，在實船航行試驗時操船人員和試驗組織人員要知道此情況且及時采取相應措施，比如通過對高低位通海閥的開閉或管路切換，提前控制主機及電站柴油機的冷卻水來源，避免主機安全停車;

（2）若主、輔機采用舷側排氣，應重點關注影響主、輔機排氣溫度和排氣背壓的不利因素，如主機熱負荷限制安全停車的設定時間等;

（3）將電站的備用發動機組全部起動待命，并使電站工作在自動模式，以便試驗中出現電網失電時備用機組能及時投入電網。

6.4? ?合理設計主機遙控系統負荷限制功能

主機遙控系統負荷限制功能設計中，自動減小螺距指令和恢復螺距指令的采樣及發令周期，需根據試驗情況進行調整。該速率太快會導致螺距下降過多，主機發出功率不足;速率太慢會導致主機扭矩限制起作用主機轉速下降;恢復螺距指令速率的設定不當，也同樣會導致主機頻繁達到扭矩限制。最終導致了船的回轉速降過大，影響全回轉指標。因此，合理的負荷限制功能的設計，有利于穩定控制主機轉速和螺旋槳螺距，保證主動力裝置的有效性。

7? ? ?結束語

本文結合若干艘船全回轉試驗現象及故障實例，分析其原因，歸納出可能導致試驗中出現船舶動力失效風險的因素，提出降低風險的原則和措施，并經過了實船試驗驗證。希望能為新造船的全回轉試驗提供一定的參考和借鑒。

參考文獻

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