某MT系列飽和潛水支持船的船機槳匹配分析

楊威

摘? ? 要：本文介紹CMHI121-MT6024和CMHI161-MT6023飽和潛水支持船在海上航行試驗中，船舶正常航行或DP工況時，出現螺旋槳運行轉速不能達到額定轉速或理論轉速，航速不能達到設計值。本文對其船機槳匹配特性進行分析，找出問題原因，提出解決方案，經整改后試驗結果滿足要求。

關鍵詞：航行試驗;螺旋槳;機槳匹配;特性曲線

中圖分類號：U664.5? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Analysis on Ship-engine-propeller Matching of MT Series Saturation Diving Support Vessel

YANG Wei

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 510725 ）

Abstract： In the sea trial of CMHI121-MT6024 and CMHI161-MT6023 saturation diving support vessels， the actual propeller speed cannot reach the rated speed or theoretical speed， and the ship speed cannot reach the design value when the vessel is under normal sailing or DP conditions.? Through the analysis on the ship-engine-propeller matching characteristics of the vessels， the cause of the problem is found， and the solution is put forward. the conclusion is drawn and the solution is put forward. After rectification， the test results meet the requirements.

Key words： Sea trial; Propeller; Ship-engine-propeller matching; Characteristic curve

1? ? ?前言

船舶的推進裝置是將發動機（如柴油機、電動機）產生的機械能通過傳動軸系傳遞給螺旋槳，從而產生推力推動船舶航行。螺旋槳所產生的推力，用來抵抗船舶運動所產生的合成阻力，當船舶受到的推力與受到的阻力相等時，船舶將以恒速航行。

船、螺旋槳、發動機三者，在運行工況下是相互制約的。當三者中任意一個特性變化，必定會導致其他兩者的狀態產生相應變化，從而影響三者工作特性的相互配合。船舶航行的航速、阻力等參數，不但受裝載量、風浪、海況等的影響，還受船體的尺度和線型的影響。船舶在航行中有多種工況，運轉工況不同，船、機、槳三者的配合狀況是不同的。所以要分析船舶、發動機、螺旋槳三者之間的匹配工作特性關系，需要首先獲取其各自的工作特性，然后將其工作特性間的匹配性進行分析，以推斷推進裝置匹配的合理性，鑒別推進裝置的匹配形式在各工況下的工作能力和適應性，并在設計中選擇一套滿足設計航速下的高效率、經濟性好的的推進匹配形式。

2? ? 船、機、槳三者基本特性

2.1? ?船舶阻力特性

船舶航行時，會受到相應的航行阻力，其阻力主要來自于空氣和水。船舶總阻力包含：興波阻力、摩擦阻力和粘性阻力三大部分，對不同航速的船，這三部分阻力在總阻力中的占比是不同的。

船舶總阻力R與航行速度VS 的二次方成正比，即

R=K_RV_S²（1）

式中：K_R為阻力系數;V_S為船舶的航速。

2.2? ? 螺旋槳特性

2.2.1進程系數λ_p

螺旋槳在靜水中每旋轉一周的軸向前進距離為hp， 螺旋槳的直徑為D，則螺旋槳的進程系數λ_p為h_p/D表示。如果螺旋槳單位時間內回轉n_p周，則螺旋槳的進速v_p=h_pn_p，所以進程系數λ_p為：

λ_p=v_p/Dn_p（2）

從公式（2）可以看出，對于給定槳徑為D的螺旋槳，進程系數λp會隨著螺旋槳的進速vp和轉速np的變化而變化，進程系數λ_p是表示螺旋槳運動狀態的一個重要的參數。

2.2.2水動力特性

螺旋槳旋轉會形成推力T，同時也受到水的阻力，該阻力矩Mp的作用方向與螺旋槳的旋轉方向相反。所以當螺旋槳的進程系數與轉速一定時，產生的推力和阻力矩的大小也是一定的。

螺旋槳的推力T，可表示為：

T =K_Tρn_p²D⁴（3）

螺旋槳的扭矩Mp，可表示為：

M_p= K_Mρn_p²D⁴（4）

上兩式中：K_T、K_M分別稱為螺旋槳的推力系數和扭矩系數;ρ為水的密度。

2.2.3 敞水特性曲線

螺旋槳的推力系數K_T和扭矩系數K_M，與進程系數λ_p呈一定的函數變化關系，K_T和K_M與λ_p的函數關系曲線，稱為敞水特性曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出：KT和KM隨進程系數λp增大而減小，并且螺旋槳的推力T和阻力矩 Mp 與λp也有相同的函數變化關系。

2.2.4 推進特性

根據公式（3）（4）可知，對于給定的外形參數，在海況和操作工況穩定的情況下，λp、T、 Mp基本保持不變，皆可視為常數，那么螺旋槳的推力公式和扭矩公式可以近似的寫為：

T =C₁n_p²（5）

M_p= C₂n_p^2?（6）

從公式（5）、（6）可以看出：螺旋槳的推力T和扭矩Mp與轉速np的平方成正比;而代表螺旋槳負荷的進程系數λ_p的變化又會引起曲線的變化，所以螺旋槳的扭矩與轉速的推進特性曲線圖如圖2所示，曲線圖中λ₁<λ₂<λ₃，而對應的螺旋槳的負荷是由高到低。

2.3? ?電動推進器交流異步電動機的特性曲線

船用電動推進器，一般由三相交流異步電動機驅動。下面分析異步電動機轉矩-轉速的特性曲線。

從圖3可知：bd段為穩定運行區域， bc段為不穩定運行區，所以電動機的實際運行區域僅為bd段，也就是說電動機最后會根據外部加載負荷對應的扭矩和轉速而穩定在bd段的某一個點;又因為bd段大部分區域接近直線，所以在后續內容中主要以近似直線來表示在各種工況下，機槳配合特性曲線圖中異步電動機的特性曲線。

通常，異步電動機有三種調速的方法（如圖4）。

（1）調整磁極對數的調速;

（2）調整轉差率的調速;

（3） 調整電網的頻率調速。

在額定頻率和轉速以下，電動機的運行特性曲線是最大扭矩不變，稱為恒轉矩模式;反之則是最大功率不變，稱為恒功率模式。

船、機、槳在整體運行工況下是互相牽制和互有聯系的，其中某一個特性改變，會導致其他兩者的運行狀態的改變，進而導致三者配合工作特性的改變。三者的選型是為了滿足設計航速下最合適的推進裝置匹配形式，同時也要滿足在某些特定非設計工況下船機槳匹配工作的能力和適應性，力求最合理的船機槳的匹配組合。

3? ? ?存在的問題及解決措施

3.1? ?存在的問題

由我司設計建造的MT系列大型多功能飽和潛水支持船，配有DP3動力定位系統。其中： CMHI121-MT6024尾部配2臺電動全回轉推進器，定距槳，功率3325 kW，電動機1 200 r/min、660 V、60 Hz;CMHI161-MT6023首部配有3臺管隧式電動側推進器，定距槳，功率1 800 kW，電動機880 r/min、660 V、60 Hz。

CMHI121-MT6024在航行測速試驗時，氣象和環境相對穩定，風力不大于蒲式風標3級，浪級不大于2級，潮流平穩，試驗水深不小于25 m，船舶平均吃水5 m，船體狀態平穩。試驗過程中，當電動機顯示扭矩已達到額定值時，主推進器轉速卻沒有達到額定值，此時電動機的電流也沒有達到額定值，船舶航速達不到設計航速。

CMHI161-MT6023在做DP系統整定時，首側推的轉速也沒有達到額定值， KM廠家建議在DP系統整定值數據記錄表格中填寫實際運行達到的轉速和功率，而不是填寫理論設計值。

3.2? ?原因分析及解決措施

（1）CMHI121-MT6024原因分析

根據公式（3）可知，螺旋槳的推力與其轉速的平方呈正比關系，螺旋槳推力沒有達到額定值，其主要原因是螺旋槳偏重導致的，可以結合前述異步電動機和螺旋槳的各自特性曲線加以分析（見圖5）：

圖5中曲線3為負荷較大的螺旋槳的特性曲線，曲線4為負荷較小的螺旋槳推進特性曲線，即曲線3進程系數小于曲線4的進程系數;曲線1為CMHI121-MT6024在船舶航速沒有達到時推進電動機的轉矩特性曲線，此時電動機轉矩和螺旋槳推進特性曲線匹配的交點a對應的螺旋槳的轉速為n₁，顯然并沒有達到額定轉速n_N;而此時與電動機轉矩曲線相交的為負荷較大的曲線3，如果螺旋槳實際負荷相對較小，如曲線4對應的螺旋槳則與電動機轉矩曲線1的交點c對應的轉速就能達到額定轉速n_N。因此，可以判定螺旋槳選型偏重，導致航速不能達到設計值，螺旋槳實際推進特性為曲線3。

此時，推進電動機必須發出更大的扭矩驅動螺旋槳，使螺旋槳增加轉速，從而發出更大的推力，工作于b點。通常，通過增加電源供電頻率來調整推進電動機的特性曲線，電動機轉矩曲線平移至曲線2的位置，與螺旋槳推進特性曲線3相交于b點，此時b點對應的螺旋槳的轉速能達到額定轉速n_N，此時推進電動機輸出功率稍有增加，一般電機選型會留有一定功率裕度，所以在實際船舶測速試驗中，通過調整頻率增加螺旋槳的轉速，使船舶航速達到設計航速值，問題得到解決。

（2）CMHI161-MT6023原因分析

按上述機槳配合理論，在當時DP系統整定的工況下，由于船舶航速較低，即首側推螺旋槳的進速較小，導致代表螺旋槳負荷的進程系數比較小，此時螺旋槳處于重槳狀態，如圖6所示。

但并不表示螺旋槳一直會在此工況運行。隨著船舶吃水、浮態的調整和運動速度增加，螺旋槳的進程系數會增加，推進特性曲線將由重槳逐漸變化到輕槳，即由特性曲線2變化到曲線3;而與電動機特性轉矩曲線1的交點，由a變化到b，隨之對應的螺旋槳轉速也會由低速n₁增大到額定轉速n_N，所以最初出現螺旋槳轉速達不到并不代表有機槳匹配不合理的情況，所以船方堅持要求KM廠家在DP系統整定值數據記錄表格中，填寫的額定轉速和功率值是合理的。

（3）解決措施

在實際航行中，船舶所處的各種工況和遭遇的海況等外部條件是十分復雜和多變的，并且發電機組原動機在惡劣環境中性能老化機械效率下降，發不出最大持續功率。原動機帶動發電機提供電力供電推進器，為了保證原動機能夠長期可靠的運行，即使因外界各種原因導致船舶航行阻力增加，也能長時間保持穩定航速不變。也就是當螺旋槳的推進特性曲線由輕載變化到重載之后，轉矩和功率增加以保證轉速不變，這就要求在設計選型階段選配的原動機有足夠功率貯備，保證推進電動機有足夠推力保證船舶航速，使原動機能長期保持持續服務功率，在一定情況下甚至有余量發出更大功率。

對于柴油機直接驅動的船舶，也不排除有的船舶在設計選型階段，以螺旋槳轉速和發動機滿負荷100%功率的船機槳匹配的平衡交點，作為設計工況點。此時雖然發動機功率沒有留出裕度，但是一般會在設計階段把船體的阻力增加一定的貯備裕度，這樣匹配的發動機的功率相應也就增加了裕度;或者有的船舶在機槳選型階段，用提高螺旋槳的設計轉速的方式去匹配發動機，稱之為轉速貯備。

無論上述哪種情況，發動機的需留有一定的功率儲備或者轉速貯備，讓螺旋槳設計得更輕，這樣可避免在船舶長時間運營后，由于各種原因使船體阻力增加或海況變差而導致螺旋槳變重，使螺旋槳轉速不夠而達不到船舶所需的航速。

4? ? 結束語

眾所周知，不同航行工況、不同海況條件下機槳配合的特性曲線交點位置是隨之變化的，對應于不同的匹配關系。推進裝置設計時，應考慮各種不同工況的機槳匹配情況，特別是在最不利的工況點，如大風浪、進出港等重負荷工況。

參考文獻

[1]施仲篪，楊承參，施潤華. 輪機學[M]，上海：上海交通大學出版社，1988.

[2]劉波. 船舶電力推進及船機槳工況配合[D]，武漢理工大學，2005.