黃振華，李 霏，唐 然，王樹仁，楊斌斌

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

船舶不同航行工況下船機(jī)槳配合特性分析

黃振華，李 霏，唐 然，王樹仁，楊斌斌

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214431）

本文基于船機(jī)槳基本理論，以某遠(yuǎn)洋特種船舶動力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)，討論分析了該船動力系統(tǒng)在工作工況下的船機(jī)槳配合情況，針對其存在的問題，并結(jié)合測量船設(shè)備的實(shí)際情況，提出了改善方法。

測量船；船機(jī)漿配合

0 引言

航行在水中的船舶受到水的阻力，需要推進(jìn)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(wěn)定的航速，而推進(jìn)器需要產(chǎn)生推力，這就需要船舶主機(jī)提供能量以克服推進(jìn)器所消耗的能量，由此便形成了船—機(jī)—槳的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。船舶推進(jìn)系統(tǒng)中主機(jī)、傳動裝置、螺旋槳等都有各自的運(yùn)動規(guī)律和工作特性，要使推進(jìn)系統(tǒng)在最佳的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)裝置的最佳能量轉(zhuǎn)換，需要船—機(jī)—槳在船舶航行中有十分完善的相互匹配，實(shí)踐證明，如果船機(jī)槳匹配不當(dāng)，則會出現(xiàn)主機(jī)功率不足或者超負(fù)荷、敲缸拉缸等嚴(yán)重故障。

該船在航行的全過程中主機(jī)的運(yùn)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(jī)以80%至85%的額定功率、100%額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，航速為18kn至19kn。工作工況時，主機(jī)以25%額定功率、75%的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)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(jī)槳的配合是否合適，主機(jī)推進(jìn)裝置工況是否良好直接影響主推進(jìn)裝置是否能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，任務(wù)是否能順利完成。

表1 主推進(jìn)裝置使用工況分配表

1 船機(jī)槳系統(tǒng)動力傳遞模型

船機(jī)槳系統(tǒng)實(shí)際上是一個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主機(jī)提供某一轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)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(yīng)轉(zhuǎn)速下的阻力矩。螺旋槳實(shí)際上是一個能量轉(zhuǎn)換器，將主機(jī)的旋轉(zhuǎn)能轉(zhuǎn)換為推力能。船機(jī)槳的配合是建立在船機(jī)槳系統(tǒng)運(yùn)行相互平衡的基礎(chǔ)上的，這種平衡關(guān)系表現(xiàn)在兩個方面，即運(yùn)動平衡和動力平衡。

在主機(jī)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(yùn)動平衡，可得機(jī)槳之間的平衡條件為：

式中，MD為主機(jī)的轉(zhuǎn)矩；i為減速比；Mf為推進(jìn)裝置阻力矩；MP為螺旋槳的力矩；J為軸系的總轉(zhuǎn)動慣量；Js為螺旋槳附連水的轉(zhuǎn)動慣量；ωP為螺旋槳的角速度；nD為主機(jī)的轉(zhuǎn)速；nP為螺旋槳的轉(zhuǎn)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(shù)量；T為一個螺旋槳的推力；R為船舶阻力；m為船舶質(zhì)量；ms為船舶的附加質(zhì)量；VP、Vs為螺旋槳的進(jìn)速、船舶航速；ω為螺旋槳伴流系數(shù)。

2 船、機(jī)、槳三者特性及穩(wěn)態(tài)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(shù)。取決于船體的排水量、線型、污底程度、航道情況、風(fēng)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(jìn)程

螺旋槳在靜水中每轉(zhuǎn)動一周實(shí)際前進(jìn)的距離為進(jìn)程，即：

式中，VP為螺旋槳在靜水中的前進(jìn)速度；np為螺旋槳的轉(zhuǎn)速。

相對進(jìn)程是螺旋槳每轉(zhuǎn)動一周時前進(jìn)的實(shí)際進(jìn)程hp與該螺旋槳的直徑的比值，用λP表示，即：

相對進(jìn)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(shù)，因此相對進(jìn)程表示了螺旋槳的前進(jìn)速度與螺旋槳轉(zhuǎn)速之間的比例關(guān)系。相對進(jìn)程是反映螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)工況的一個重要參數(shù)。

2.2.2 螺旋槳的水動力特性

螺旋槳旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生推力和阻力矩，當(dāng)其相對進(jìn)程與轉(zhuǎn)速一定時，產(chǎn)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(chǎn)生的推力和阻力矩與它的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)有關(guān)，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(shù)；KM為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。除了與螺旋槳的螺距比、盤面比、葉片數(shù)、截面形狀等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)之外，主要與螺旋槳的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)——相對進(jìn)程有關(guān)。

2.2.3 螺旋槳的敞水作用曲線

推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KM隨相對進(jìn)程λP的變化規(guī)律稱為螺旋槳的敞水作用曲線，如果將其在常用范圍內(nèi)作簡單線性化近似處理：

其他結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jī)外特性

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

圖1 瓦錫蘭8L46C柴油機(jī)單缸運(yùn)行圖

從功率—轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖中可以看出最低轉(zhuǎn)速限制為350r/min，最高轉(zhuǎn)速限制為516r/min。最高負(fù)荷限制1050KW。虛線為名義推進(jìn)曲線即為各轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷限制線。白色區(qū)域?yàn)槌掷m(xù)工作區(qū)域，灰色區(qū)域?yàn)槎虝汗ぷ鲄^(qū)域，不能長時間在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。在調(diào)距槳的配合下，在最低和最高轉(zhuǎn)速之間，沒有最低負(fù)荷的限制，在白色區(qū)域內(nèi)，機(jī)槳可在任何一點(diǎn)穩(wěn)定配合。

3 船舶不同工況下的船機(jī)槳配合分析

該船采用雙機(jī)雙槳的動力形式，單機(jī)最大持續(xù)功率 MCR（Maximum Continuous Ratings）為8400kw，標(biāo)定轉(zhuǎn)速 500r/min。齒輪箱變速比為4.136:1。螺旋槳采用5葉調(diào)距槳，螺旋槳標(biāo)定轉(zhuǎn)速為120.9r/min，最佳設(shè)計(jì)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(jī)運(yùn)行的控制方式分為聯(lián)控和分控，在駕控模式下，采取聯(lián)控方式，螺距和轉(zhuǎn)速的配合關(guān)系（正車）見表2。

下面利用該船在不同工況下主推進(jìn)裝置的運(yùn)行參數(shù)作出主推進(jìn)裝置在不同工況下的運(yùn)行曲線。

表3至表6是聯(lián)控模式下手柄格數(shù)分別從+40至+100的運(yùn)行參數(shù)。

表2 聯(lián)控方式下的轉(zhuǎn)速和螺距匹配表

表3 手柄格數(shù)為+40時的運(yùn)行參數(shù)

表4 手柄格數(shù)為+60時的運(yùn)行參數(shù)

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

表5 手柄格數(shù)為+80時的運(yùn)行參數(shù)

表6 手柄格數(shù)為+100時的運(yùn)行參數(shù)

圖2 不同工況下主機(jī)和螺旋槳配合曲線

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

4 某船測量工況下機(jī)槳配合形式的改善方法

在船舶工作時，為保持12節(jié)的航速，主機(jī)一般在375r/min轉(zhuǎn)速和25%額定功率下工作，即圖中+40配合點(diǎn)。在實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)主機(jī)在這個轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)以下問題：管系震動強(qiáng)烈、各缸排溫不均勻、總排溫較高。究其原因是柴油機(jī)以很低的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)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(yán)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(fā)火燃燒。還有一些情況下某些附屬泵的排量在轉(zhuǎn)速過低時也不能保證柴油機(jī)在該轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的需要。

某船主機(jī)的排溫與轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系見表7。

表7 轉(zhuǎn)速與排溫的對應(yīng)關(guān)系表

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

4.1 單機(jī)運(yùn)行

由于雙機(jī)運(yùn)行時，單機(jī)功率輸出只有25%，所以考慮單機(jī)運(yùn)行，另一臺主機(jī)處于一鍵啟動狀態(tài)。單機(jī)運(yùn)行時，由于不工作螺旋槳的附加阻力的影響，單機(jī)實(shí)際功率要大于50%，此時，單機(jī)轉(zhuǎn)速較高，工況也較好。這種處理方式存在其優(yōu)缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是：主機(jī)在略大于50%的工況下，燃燒工況、排溫都較好；而缺點(diǎn)為：船舶工作時，若工作主機(jī)出現(xiàn)故障，另一臺主機(jī)從啟動到保持船舶12節(jié)的航速，需要一定時間，可靠性略有降低。

4.2 改聯(lián)控模式為分控模式

由于螺旋槳為調(diào)距槳，在可運(yùn)行區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)均可穩(wěn)定運(yùn)行，因此可以采用分控方式，使主機(jī)轉(zhuǎn)速保持在430r/min左右，功率為25%的額定功率。這樣能使得主機(jī)的噴油效果更好，燃燒工況和排溫得以改善，配合點(diǎn)見圖3。

圖 3中三角形表示出了新的配合點(diǎn)轉(zhuǎn)速為480r/min，功率為25%額定功率。這種方式的優(yōu)點(diǎn)為：改善了燃燒工況和主機(jī)排溫，且保持了可靠性；缺點(diǎn)是：燃油消耗率高，螺旋槳推進(jìn)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(shè)備。