王永鼎，王夢凡

(上海海洋大學 工程學院，上海 201306)

海洋漁業(yè)是中國重要的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，然而在發(fā)展?jié)O業(yè)的同時，也帶來了大量的能源消耗和環(huán)境破壞等問題。通過對漁船多工況的特點進行分析，研究出相對優(yōu)化的船機槳匹配方案，有利于提高漁船的作業(yè)效益，同時也能順應國家政策，低碳高效地解決現(xiàn)有的突出環(huán)境問題。

漁船動力裝置被譽為漁船的“心臟”，推進系統(tǒng)是其中最主要的部分，它由船舶主機、傳動裝置、推進軸系和推進器組成，主機為船舶提供動力，主機輸出的功通過齒輪箱和傳動軸傳遞給螺旋槳，螺旋槳再將主機提供的扭矩轉化為漁船航行的推力，船機槳之間形成了一定的能量傳遞關系。研究船機槳匹配問題十分重要，必須從三者間的配合出發(fā)，進行合理的匹配設計[1]。圖1為漁船推進系統(tǒng)布置示意圖。

由于船體、主機和螺旋槳都有其各自的運動規(guī)律和工作特性，漁船航行過程中工況發(fā)生變化時，各自運行的參數(shù)也會發(fā)生相應的改變，船機槳匹配就是指在某一工作條件下，船機槳三者的主要參數(shù)可以達到相對最優(yōu)的狀態(tài)，通常會選擇主機的額定功率值作為船機槳匹配點進行設計。

船機槳匹配設計問題貫穿于船舶設計、建造和使用等全壽命管理過程。機槳匹配設計與能源效率設計指數(shù)、船舶的經(jīng)濟性及安全性等有著密切聯(lián)系[2]。而船機槳不匹配是指船舶、柴油機和螺旋槳三者在運行過程中偏離了主機的設計工作點。船機槳不匹配通常有兩種情況：一種是“輕槳”，另一種是“重槳”，即所謂主機功率發(fā)揮不足和主機超負荷運轉問題，甚至出現(xiàn)敲缸和拉缸等嚴重故障。目前，漁船存在一定程度的“大機小標”現(xiàn)象，有的漁民為了追求經(jīng)濟效益和高航速，會對柴油機進行一系列的改裝，私自更換大功率主機及發(fā)動機銘牌，破壞了船機槳原本的匹配狀態(tài)[3]。漁船在作業(yè)過程中遭遇惡劣海況或拖網(wǎng)漁船進行大負荷拖曳等都有可能偏離額定工作點，造成漁船柴油機超負荷工作。柴油機超負荷工作時，螺旋槳受到的阻力增加，柴油機需要提高轉速以提供更大的扭矩，這必將大幅增加油耗。同時柴油主機缸內(nèi)的溫度、壓力都會增大，影響柴油的燃燒情況，從而進一步增大油耗。漁船的工況復雜，航行中經(jīng)常有各種狀況發(fā)生，此時船機槳難以做到各個工況下均匹配，因此，需要設計出一個相對多工況綜合優(yōu)化的船機槳匹配方案，以達到漁船在主要工況下均可良好運行，切實提高漁船的經(jīng)濟性，并進一步解決漁船匹配不佳帶來的環(huán)境問題。

圖1 漁船推進系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of propulsion system arrangement of a fishing vessel

1 漁船及其工況分布

漁船按作業(yè)水域分為海洋漁船和淡水漁船，海洋漁船又分沿岸、近海和遠洋漁船[4]。為方便漁業(yè)捕撈的管理，在沿岸、近海捕撈的漁船被歸為海洋捕撈漁船，遠洋捕撈的漁船歸為遠洋捕撈漁船。根據(jù)《2020年中國漁業(yè)統(tǒng)計年鑒》[5]，中國漁業(yè)捕撈產(chǎn)品主要以海洋捕撈漁船和遠洋捕撈漁船捕撈為主(表1)。

表1 2015—2019年全國捕撈產(chǎn)品產(chǎn)量及構成[5]Tab.1 National catch production and composition from 2015 to 2019 [5] 104t

漁船按作業(yè)方式可分為刺網(wǎng)漁船(gill netter)、拖網(wǎng)漁船(trawler)、圍網(wǎng)漁船(seine netter)、釣船(line fishing boat)、張網(wǎng)漁船(stow boat)和其他漁船(other fishing vessels)。截至2020年末，中國有刺網(wǎng)漁船81 924艘、拖網(wǎng)漁船26 889艘、圍網(wǎng)漁船7 005艘、釣船9 570艘、張網(wǎng)漁船11 525艘和其他漁船10 020艘[5]。實際生產(chǎn)過程中，多數(shù)船舶的工況較為單一，在進行船機槳匹配的時候，只需針對主要工況進行相應的匹配工作，便可滿足航行過程中的需求。但漁船的工況十分復雜，各種工況的比例分布較為分散，僅選用一種工況作為主要工況進行匹配工作明顯不夠科學，因此，研究不同工況下的機槳匹配顯得尤為重要。拖網(wǎng)漁船常用工況可分為自由航行和拖網(wǎng)航行，特殊工況為齒輪箱合排和起網(wǎng)[6]。釣船存在投繩航行、自由航行和起繩航行3種主要工況，除此之外，還有巡航和停泊兩種工況[7]。相比于前兩者，圍網(wǎng)漁船的工況更為復雜，存在單艇作業(yè)、雙艇作業(yè)多種情況[8]。

2 漁船主機發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 中國漁船主機發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀50年代中期，中國不能自主設計漁船的柴油主機，通常只是對國外的機型進行相應的仿造[9]。1969年，中國開始自主設計研發(fā)柴油主機，并自行設計了增壓式6260型257 kW漁船主機。20世紀70年代后，中國先后制造出6320ZC型735 kW和300系列柴油機[9]，進一步提高了柴油機的功率。從20世紀80年代開始，中國引進了一些國外的先進高速柴油機，如美國的康明斯系列、德國的MWM234系列柴油機等。這些柴油機的體積小、重量輕、強化指標高和大修期長，大大提高了中國制造中高速柴油機的水平，為中國漁船主機的性能提高和更新?lián)Q代起到了積極作用。

近年來，中國柴油機發(fā)展較快，許多國產(chǎn)柴油機老機型都有了較大的改進，相關部門不僅對老舊機型優(yōu)化了相關參數(shù)，增加了功率覆蓋面，而且改善了性能，如對195型柴油機進行節(jié)能改造，與日本三井造船株式會社聯(lián)合開發(fā)了CMD-MAN B&W系列柴油機，與瓦錫蘭公司聯(lián)合制造了W20、W26和W32中速船用柴油機等。同時，引進國外先進技術、先進機型供使用，如上海新中動力機廠引進德國MAN B&W公司專利技術生產(chǎn)的L21、L31系列柴油機，珠海玉柴船舶動力股份有限公司引進芬蘭瓦錫蘭公司生產(chǎn)許可證，生產(chǎn)出RT系列全電控共軌船用低速柴油機等。但國內(nèi)對柴油機的自主研發(fā)和產(chǎn)品設計的重視程度還不夠，亟須提高自主研發(fā)和創(chuàng)新能力[10]?，F(xiàn)如今，中國船用柴油機關鍵零部件制造技藝和制造水平得到了提高，也打破了國外大型低速船用曲軸對中國制造業(yè)的長期壟斷，中國的造船業(yè)發(fā)展也不再被“船等機、機等軸”所制約[11]。隨著柴油機主體結構設計不斷優(yōu)化，整機裝配與調(diào)試水平得到了大幅提升，配套產(chǎn)業(yè)也得到了協(xié)同發(fā)展，形成了良好的產(chǎn)業(yè)基礎[10]。

近年來，中國柴油機行業(yè)蓬勃發(fā)展，自主開發(fā)的柴油機機型越來越多，覆蓋的功率也越來越廣，中國公布的柴油機型譜中，標定功率可覆蓋44～4 640 kW區(qū)間，為中國漁船主機的功率選擇提供了巨大的空間。應用于漁船的柴油機主要型號有濰柴的170系列、618系列、615系列柴油機，上柴的鑫龍系列、淄柴的Z170系列、L250系列柴油機等，中國柴油機的節(jié)能減排也初顯成效。

2.2 國外漁船主機發(fā)展現(xiàn)狀

日本是漁船主機應用較為發(fā)達的國家之一，早在20世紀60年代末期，日本便開始使用中冷器渦輪增壓技術，如富士的W6M26H型柴油機、洋馬6UV-EF型柴油機均在冷卻方法和增壓方法上有所改善，大大提高了日本國內(nèi)漁船主機的平均有效壓力和活塞平均速度，且有效減輕了機體質量、縮短了機體長度，提高了主機單位質量的功率[9,12]。除日本外，韓國、美國和德國等主要造船國家的政府對造船業(yè)都給予了相應的扶持，以推動該行業(yè)的發(fā)展。如韓國出臺新政策補貼船廠青年員工，鼓勵年輕人進入造船業(yè)，美國頒布了“造船能力維護協(xié)議”，德國加大了政府資金投入對船廠進行援助[13-15]。國外漁船柴油機的發(fā)展有著超大量的投入和資本的集中，個人專利對于柴油機升級的作用逐漸被科研集體研發(fā)所替代，其研發(fā)重點也開始放在質量和強化系數(shù)上，研發(fā)出如MTU4000型、MTU8000型和MAN28/33D型等大修期長、強化系數(shù)高的柴油機[16-17]。

2.3 國內(nèi)外漁船主機對比

目前，中國漁船主機性能和國外相比還存在一定差距，國外的漁船主機普遍帶有廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，能夠在提高輸出功率的同時改善燃油經(jīng)濟性，節(jié)約能源，同時也開始逐漸采用兩級相繼增壓技術[18]，且普遍使用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)[19]，實現(xiàn)了主機在全工況下的柔性噴射控制，中高速柴油機的強化系數(shù)大部分超過24 MPa/(m·s)，甚至有的超過30 MPa/(m·s)[16]。

中國目前還沒有采用相繼增壓系統(tǒng)的主機，也尚無批量應用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的船用主機[16,20-21]；柴油機的強化系數(shù)約為20 MPa/(m·s),除此之外，在智能控制研究及節(jié)能減排控制研究等方面均滯后于歐洲和日本等國[22]。

綜上所述，中國的漁船主機制造應加快開發(fā)先進的高壓共軌燃油噴射技術和相繼增壓技術，加強漁船主機的智能控制技術研究，切實提高漁船主機的動力性、可靠性、經(jīng)濟性和節(jié)能性。

3 基于多工況的機槳匹配

船機槳匹配階段可以分為初步匹配和終結匹配兩個部分。初步匹配通過船體主尺寸、航速和有效功率曲線，分析計算得出主機功率、螺旋槳最佳轉速與直徑，以便選擇相應的主機型號，主要解決船舶主機匹配問題。終結匹配是通過船體主尺寸、有效功率曲線，以及初步匹配中得到的主機功率與轉速分析計算得到相匹配的螺旋槳要素，并校核其所能達到的航速，這也是傳統(tǒng)的“槳配機”的機槳匹配方法，也是最常用的機槳匹配方法，這一階段主要是解決主機螺旋槳的匹配問題[23]。

3.1 船機槳特性

船機槳匹配需要從船機槳的特性出發(fā)。船機槳特性主要指船體、船舶主機和螺旋槳推進裝置的主要經(jīng)濟技術和相關性能指標隨主機轉速和船舶航速變化而變化的關系，船體特性、主機特性和螺旋槳的特性決定了這些關系。

1)船體特性。主要指船體阻力特性，船體的阻力系數(shù)取決于船體的排水量、線型等因素，不同的船型參數(shù)會導致阻力性能的變化。因此，船舶的航行阻力除了受外在環(huán)境的影響，也受船體的主尺度參數(shù)影響[24-25]。

2)船舶主機特性。主要包括速度特性(外特性)、負荷特性和推進特性。速度特性反映主機平均有效壓力不變時，柴油主機隨轉速變化的規(guī)律。負荷特性反映主機以固定不變的轉速運行時，主要性能參數(shù)隨著負荷變化而變化的規(guī)律。推進特性反映主機按螺旋槳特性工作時，其性能隨著轉速和負荷變化而變化的規(guī)律。

3)螺旋槳特性。主要指螺旋槳的敞水性能，影響螺旋槳敞水性能的因素主要是螺旋槳結構及其水動力，其性能主要由推力和扭矩的大小來衡量，螺旋槳的推力和扭矩與其轉速的平方成正比[23]，螺旋槳的幾何參數(shù)不同時，其推力特性也不同。

任何船舶都需要根據(jù)船機槳特性來進行最基礎的匹配計算，漁船也不例外，通?？刹捎脠D解法進行船機槳匹配的特性分析。由于船舶的阻力、阻功率和螺旋槳的推力、推功率間存在相互轉換的關系，因此，船機槳匹配可以轉化為機槳匹配來討論。通過機槳匹配特性來表達機槳間的配合關系和工作特性，從而確定最佳工況點以達到船機槳的最佳匹配。漁船主機通過軸系帶動螺旋槳工作，主機的功率與轉速的三次方成正比，螺旋槳的吸收功率與轉速的三次方成正比。圖2為機槳匹配所需參照的推進特性曲線。

P—螺旋槳推進功率；Pe—螺旋槳額定功率；n—螺旋槳轉速；ne—螺旋槳額定轉速。P—propeller propulsion power；Pe—propeller effective power；n—propeller rotation speed；ne—propeller effective rotation speed.圖2 船舶推進特性曲線Fig.2 Fishing vessel propulsion characteristic curve

3.2 機槳匹配集成設計

對機槳匹配的研究歷史悠久，隨著計算機的發(fā)展，越來越多的技術人員開始進行船舶推進系統(tǒng)的集成化研究，各種集成化設計軟件、程序系統(tǒng)的出現(xiàn)，推動了機槳匹配設計集成化平臺的發(fā)展。表2所列為具有普適性的機槳匹配集成研究成果，適用于大多數(shù)船舶的機槳匹配設計。

中國漁船數(shù)量眾多，但是針對漁船機槳匹配的研究還是很少，表2中所列均沒有考慮到像漁船這樣的多工況船舶。針對多工況船舶的機槳匹配，2019年，哈爾濱工程大學的王宸[1]提出了對于非設計工況下的船機槳匹配狀況及其影響的研究方法，運用MTALAB/Simulink建立了船舶運行非設計工況的仿真模型，對非設計工況下的螺旋槳和主機性能進行了分析，研究了不同工況下的匹配結果是否處于安全區(qū)域內(nèi)，為多工況機槳匹配的集成設計開辟了先河。除此之外，2015年，中國衛(wèi)星海上測控部的黃振華等[25]針對船舶不同航行工況下的匹配進行了相應的研究，對于不同工況下機槳匹配出現(xiàn)的問題提出了3個處理方法，分別為將雙機運行改為單機運行，改聯(lián)控模式為分控模式，以及改變動力推進的形式。這些針對多工況船舶的方法，都對漁船的匹配設計有極大的借鑒作用，同時，漁船也可以在這些方法的基礎上，結合應用傳統(tǒng)機槳匹配繼承設計的方法進行進一步設計。

表2 船舶機槳匹配集成設計方法Tab.2 Design methodology of vessel machine pitch matching integration

3.3 主機選型方法

主機是漁船的核心，船機的匹配問題即為主機的選型問題。船舶主機選型的方法有許多，國內(nèi)外許多專家和學者都在這方面做了大量的研究，并且取得了顯著的成效，其中也不乏可以運用在多工況船舶上的方法。表3為主機選型的主要方法及優(yōu)缺點。而在漁船上，更多的是通過以往經(jīng)驗選擇主機，或是采用母型船法和海軍系數(shù)法估算主機功率來選擇主機。

低碳是未來航運業(yè)發(fā)展的主要方向之一，國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)在2011年便提出了船舶能效指數(shù)(Energy efficiency design index ,EEDI)和船舶能效管理計劃(Ship energy efficiency management plan, SEEMP)兩項標準，并于2013年開始執(zhí)行生效[30]。中國政府已明確提出2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，這是中國應對氣候變化對世界作出的重要承諾和貢獻[31]。但漁船的節(jié)能減排情況仍然存在政策落實不到位等問題。中國漁船數(shù)量多、耗能大，推廣先進、適用低碳節(jié)能的漁船和漁機，降低化石能源消耗和二氧化碳排放迫在眉睫。在表3所列主機選型方法的基礎上，國外和國內(nèi)也開始研究基于減額輸出和EEDI所進行的兼具低碳性和經(jīng)濟性的漁船主機選型方式[24,32-33]。曹向東等[34]以最能節(jié)約燃油和最大凈現(xiàn)值作為最佳主機選型的兩個標準，進行經(jīng)濟性分析和低碳性分析從而選出最佳機型。葉愛君[35]在主機選型論證中通過綜合尺寸分析、經(jīng)濟性分析、動力學分析、輔助系統(tǒng)分析，匹配出與目標船相匹配的最佳機型。

但上述主機優(yōu)化選型方法多針對商船，對于漁船的主機優(yōu)化選型方法較少。商船的主機選型主要以單一工況進行匹配計算，而漁船的工況復雜，漁船的主機優(yōu)化選型需要考慮漁船的綜合工況，才能得到滿足漁船復雜作業(yè)要求的匹配結果。隨著科技的發(fā)展進步，經(jīng)驗法和母型船法均不能很好地滿足漁船的主機選型，而船舶的主機選型具有共通性，因此，可以在商船選型方法的基礎上，得出一套適合于漁船多工況多指標的選型方法。

表3 船舶主機選型方法對比Tab.3 Comparison of vessel main engine selection methods

3.4 螺旋槳設計方法

船機匹配中最重要的步驟是主機的選型，機槳匹配中的核心為螺旋槳的設計。螺旋槳的設計通常有兩種方法，一為圖譜設計，二為理論設計。圖譜設計結果精度較好，應用廣泛，但是圖譜法不能考慮到尾流不均勻性的影響，同時受到系列槳型的限制，無法對大側斜等特殊螺旋槳形式進行設計。螺旋槳的理論設計法主要為環(huán)流設計法，能夠考慮到尾流不均勻性的影響，設計出不同半徑處適宜的螺距和切面形狀；也不受系列槳型的限制，可以對大側斜等特殊螺旋槳形式進行設計，但是由于理論設計法基于環(huán)流理論，無法精確考慮黏性作用，故這種方法并不常用。

基于這兩種設計方法，又出現(xiàn)了結合回歸擬合和智能算法的螺旋槳優(yōu)化設計研究法?；诨貧w擬合的方法就是將螺旋槳的圖譜或敞水特性曲線轉化成經(jīng)驗公式，更容易處理，也更容易找到最佳的螺旋槳參數(shù)[45-46]。也有許多學者將神經(jīng)網(wǎng)絡[47]、遺傳算法[1]和模擬退火法[48]等智能算法引用到螺旋槳設計中。

對于漁船的復雜工況，一般會選用可調(diào)距螺旋槳來進行相應的調(diào)節(jié)，當船舶在不同狀態(tài)下航行時，可根據(jù)實際航行需要對可調(diào)距螺旋槳的螺距進行調(diào)節(jié)，使主機的功率和轉速得到充分發(fā)揮。船舶有效功率(P)與主機推進功率(Pe)二者間存在轉換關系，即

其中：ηo為螺旋槳敞水效率；ηs為傳遞效率；ηr為相對旋轉效率；ηh為船體效率。通常一艘船在航行過程中，ηs、ηr、ηh變化程度較小，可以忽略不計，因此，可認為螺旋槳敞水效率的變化直接影響柴油機的油耗。而影響敞水效率的因素主要有3個，分別為航速、槳轉速和槳葉螺距，可調(diào)距螺旋槳可以通過設置在槳榖中的傳動機構和外置液壓系統(tǒng)改變槳葉的螺距，以利于船機槳匹配并適應各種工況的變化[49]。

然而，可調(diào)距螺旋槳槳轂內(nèi)的調(diào)節(jié)機構和操縱系統(tǒng)較復雜，維修保養(yǎng)困難，且由于轂徑比較大，為配合葉片轉動需要，槳轂外形曲率變化較大，在設計工況下，其效率較低。此外，因葉片轉動及強度需要，其根部的葉切面較厚，極易發(fā)生空泡腐蝕現(xiàn)象，造價也較為昂貴。因此，在考慮多工況漁船選用可調(diào)距螺旋槳時，應著重考慮經(jīng)濟性和低碳性。

4 存在問題及展望

4.1 漁船機槳匹配研究中存在的問題

船舶機槳匹配研究目前已經(jīng)相對成熟，但多工況的漁船機槳匹配還存在多方面的問題。

1)低碳性和經(jīng)濟性成為漁業(yè)發(fā)展中的重點問題，中國對漁船節(jié)能減排工作開始較晚，且未有較好成效。

2)漁船工況復雜，在主機選型時不能較好地考慮到漁船工況的變化，亟待尋找一個適合于漁船的多指標選型方法。

3)螺旋槳匹配過程中，適應多工況的可調(diào)距螺旋槳易出現(xiàn)空泡腐蝕和經(jīng)濟性低的情況。

4)中國漁船的主機部分性能與國外漁船還存在一定的差距，缺乏自主創(chuàng)新能力。

5)雖然中國已經(jīng)具有一些柴油機和螺旋槳方面的先進技術，但并未全面投入使用，也沒有落實在漁船機槳匹配之中。

4.2 未來重點研究方向

未來漁船機槳匹配發(fā)展趨勢會向著低碳性、經(jīng)濟性發(fā)展，會更加依靠基于智能算法的優(yōu)化，匹配的結果也會更加適應不同的工況條件，主機的可靠性也會進一步增強。

1)選擇低碳、經(jīng)濟的漁船主機。21世紀，低碳性和經(jīng)濟性是一個重要的主題，在漁船主機選型上，對選定機型和備選機型都要進行全壽命的經(jīng)濟性分析，通過研究螺旋槳性能來降低主機油耗的課題也受到關注，如今中國提出了碳達峰、碳中和的“雙碳”經(jīng)濟理念，因此，選用經(jīng)濟環(huán)保的漁船機型十分重要。

2)基于智能算法優(yōu)化機槳匹配方法。漁船的船機槳匹配問題是一個十分復雜的問題，涉及船、機、槳3個不同的方向，智能算法的引入為解決機槳匹配問題提供了十分有效的工具，優(yōu)化了匹配流程，提高了匹配的效率，使得匹配更加精準化、智能化。

3)研究適應不同工況條件的機槳匹配方法。相較于其他船舶，漁船的工況更為復雜，拖網(wǎng)漁船有拖網(wǎng)和自由航行兩個主要工況，延繩釣船有放網(wǎng)、拖網(wǎng)和收網(wǎng)3種主要工況，而圍網(wǎng)漁船的工況更多更復雜。除此之外，捕鯨船等特殊船舶也是工況十分復雜的船舶，因此，研究適應不同工況的漁船機槳匹配方法十分必要。

4)選擇高可靠性能的漁船主機。漁船的航行相較于其他船舶更加復雜，也更易引起事故，其匹配的柴油機需要頻繁適應自航、拖網(wǎng)、巡航和風浪等不同工況，因此，對漁船動力裝置的可靠性要求也日益增高。漁船柴油機的可靠性、漁船的使用壽命及維修的工作量等均值得高度關注，選擇高可靠性的柴油機一直會是漁船機槳匹配中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

5)進一步優(yōu)化螺旋槳。有些漁船會使用多個螺旋槳或者導管槳，這就需要考慮多個螺旋槳間的相互影響關系，而導管槳結構復雜，導管易產(chǎn)生振動和變形，因此，對于漁船螺旋槳的優(yōu)化工作也值得深入研究。