仉永超　劉丹丹　李廣輝　吳本坤

摘要：為解決某客滾輪試航時(shí)出現(xiàn)的主機(jī)超負(fù)荷、轉(zhuǎn)速無(wú)法升高故障，采用CATIA軟件對(duì)船體建模，利用STAR-CCM+軟件進(jìn)行船體水動(dòng)力仿真，通過(guò)船體阻力計(jì)算、系泊特征校核、自由航行計(jì)算，確定故障原因?yàn)槁菪龢^重，匹配不合理，與實(shí)船測(cè)試結(jié)果一致。對(duì)螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)理論高效槳并進(jìn)行匹配分析，結(jié)果表明：更換新槳后，船舶最高航速達(dá)到15 kn，提升0.2 kn，且主機(jī)功率儲(chǔ)備為15%，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：客滾船；船-機(jī)-槳匹配；螺旋槳

中圖分類號(hào)：U674文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）04-0067-06

引用格式：仉永超，劉丹丹，李廣輝，等. 某客滾輪船-機(jī)-槳匹配分析及螺旋槳優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（4）：67-72.

ZHANG Yongchao， LIU Dandan， LI Guanghui， et al. Ship-engine-propeller matching and propeller optimization design of a ro-ro passenger ship［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：67-72.

0 引言

新船設(shè)計(jì)過(guò)程中，若船體阻力預(yù)估不準(zhǔn)確，或螺旋槳匹配不合理，試航時(shí)船舶常出現(xiàn)冒黑煙、主機(jī)超負(fù)荷、轉(zhuǎn)速無(wú)法升高等問(wèn)題，不僅影響船舶快速性和經(jīng)濟(jì)性，而且惡劣天氣下還可能因?yàn)橹鳈C(jī)功率儲(chǔ)備不足而出現(xiàn)安全問(wèn)題[1]。本文中，以某50車客滾輪為例，分析船-機(jī)-槳匹配情況，對(duì)螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化，解決該輪試航過(guò)程中出現(xiàn)的主機(jī)超負(fù)荷、轉(zhuǎn)速無(wú)法升高的故障。

1 船舶故障分析及螺旋槳修邊

1.1 船舶及原始螺旋槳參數(shù)

該客滾輪用于大陸與某海島之間的旅游擺渡，在新船試航過(guò)程中出現(xiàn)主機(jī)超負(fù)荷、冒黑煙、轉(zhuǎn)速無(wú)法升高等故障。該客滾輪船舶參數(shù)、原始螺旋槳參數(shù)分別如表1、2所示。

1.2 故障現(xiàn)象

初次系泊試驗(yàn)，主機(jī)合排轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r/min，但合排后，轉(zhuǎn)速先降至330 r/min，隨后提高至360 r/min后無(wú)法繼續(xù)升速，手動(dòng)操作升速亦無(wú)響應(yīng)。分別設(shè)置合排轉(zhuǎn)速為420、440、460 r/min，合排后仍然無(wú)法繼續(xù)升速。將主機(jī)的限制曲線進(jìn)行微調(diào)后繼續(xù)試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速升至470 r/min時(shí)，出現(xiàn)多個(gè)氣缸排溫高報(bào)警，同時(shí)伴有增壓器喘振現(xiàn)象。

以拖輪拖帶客滾輪離港，在寬闊海域試航。該輪在初始拖力的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，離合器順利合排，主機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升至400 r/min，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)異常。在正車合排狀態(tài)下進(jìn)行升速，主機(jī)轉(zhuǎn)速升至780 r/min左右后無(wú)法繼續(xù)升速。對(duì)比分析主機(jī)油門齒條位置，如表3所示，該主機(jī)油門齒條共56格。由表3可知，輸出功率超過(guò)理論推進(jìn)線。

1.3 首次裁邊

減小螺旋槳直徑或螺距可以起到減小螺旋槳負(fù)荷的作用[2]。為順利交船，經(jīng)分析后決定對(duì)原螺旋槳進(jìn)行裁邊處理，首次裁邊后，螺旋槳直徑減小為2.71 m。

將裁邊后的螺旋槳重新裝船試航。合排后主機(jī)轉(zhuǎn)速降至330 r/min左右，然后緩慢升至400 r/min；從正車1向正車2進(jìn)行升速，主機(jī)排氣溫度升高、出現(xiàn)降負(fù)荷報(bào)警，升速困難；繼續(xù)操作，主機(jī)可升至額定轉(zhuǎn)速800 r/min。

船舶軸功率測(cè)試曲線如圖1所示。由圖1可知：1）對(duì)比左機(jī)加速與右機(jī)加速曲線，當(dāng)船舶靜止時(shí)，雙機(jī)合排后主機(jī)承受的負(fù)載高于理論推進(jìn)功率，因此合排后升速困難，同時(shí)在升速過(guò)程中由于超出主機(jī)功率限制曲線，出現(xiàn)排溫升高、降負(fù)荷報(bào)警的情況；2）左機(jī)與右機(jī)轉(zhuǎn)速功率曲線是在船舶出港后有向前的航速情況下測(cè)得的數(shù)據(jù)，航行過(guò)程中主機(jī)的實(shí)際輸出功率接近理論推進(jìn)曲線。

1.4 二次裁邊

首次裁邊未達(dá)到理想效果，進(jìn)行第二次裁邊，螺旋槳直徑減至2.56 m。

試航時(shí)，合排瞬間主機(jī)轉(zhuǎn)速降至340 r/min后很快升至400 r/min；航行過(guò)程中未出現(xiàn)升速困難、超負(fù)載、高溫報(bào)警等故障。對(duì)比油門齒條位置，主機(jī)功率在理論推進(jìn)線以下，得以順利交船。

2 船-機(jī)-槳匹配分析

交船后，該客滾輪在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，仍存在發(fā)動(dòng)機(jī)合排時(shí)冒黑煙、油耗高等問(wèn)題，因此應(yīng)從船-機(jī)-槳匹配的角度對(duì)船舶及主機(jī)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析。

2.1 仿真模型

根據(jù)船體型線圖，采用CATIA軟件建立船體模型[3]，綜合考慮船舶尺度及計(jì)算能力，按26：1的比例縮小，得到船體三維模型，如圖2所示。

利用STAR-CCM+軟件對(duì)船體進(jìn)行水動(dòng)力仿真分析。計(jì)算域采用切割體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高求解效率，對(duì)自由液面采用各向異性網(wǎng)格進(jìn)行加密，z向尺寸為基數(shù)的8%，水平方向采用開(kāi)爾文波形的加密盒進(jìn)行加密，并控制網(wǎng)格密度均勻變化；邊界棱柱層設(shè)置為5層，棱柱層延伸率為1.2[4]；整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)約為120萬(wàn)，計(jì)算域網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.2 實(shí)船阻力計(jì)算

采用Realized k-ε湍流模型模擬船舶興波場(chǎng)景，該模型可以很好地展示波形細(xì)節(jié)。船速為10 kn時(shí)的興波云圖如圖4所示。采用二因次法對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行換算[5]，得到實(shí)船總阻力曲線，如圖5所示。

2.3 原始槳匹配分析

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果和推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)船-機(jī)-槳匹配情況進(jìn)行系泊特征校核和自由航行計(jì)算[6-8]，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：1）系泊功率超出主機(jī)功率限制曲線，船舶由靜止?fàn)顟B(tài)無(wú)法加速，航行曲線達(dá)到主機(jī)功率限制線，無(wú)法發(fā)揮全部功率；2）船舶自由航行時(shí)主機(jī)最高轉(zhuǎn)速約為755 r/min，而實(shí)船試航最高轉(zhuǎn)速約為780 r/min，計(jì)算結(jié)果與實(shí)船試航結(jié)果基本吻合，仿真模型正確可靠。

經(jīng)分析，螺旋槳超重，匹配不合理，是導(dǎo)致主機(jī)系泊狀態(tài)無(wú)法升速以及無(wú)法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的原因。

2.4 首次裁邊螺旋槳匹配分析

對(duì)首次裁邊的螺旋槳進(jìn)行船-機(jī)-槳匹配分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：首次裁邊螺旋槳系泊功率與軸功率測(cè)試基本吻合，航行曲線接近理論推進(jìn)線，主機(jī)未留有足夠的功率儲(chǔ)備。

2.5 二次裁邊螺旋槳匹配分析

對(duì)二次裁邊螺旋槳進(jìn)行船-機(jī)-槳匹配計(jì)算，結(jié)果如圖8所示。

由于修槳方案是基于原始槳裁邊后的結(jié)果，其匹配效果并非最佳。由圖8可知：船舶滿載航速約為14.8 kn，系泊功率接近功率限制線，合排時(shí)瞬時(shí)沖擊超出主機(jī)外特性，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，出現(xiàn)合排冒黑煙問(wèn)題；修槳方案導(dǎo)致螺旋槳效率不高，在相同航速下，主機(jī)功率偏高，偏離最佳油耗區(qū)，導(dǎo)致油耗升高。

3 螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)

在兼顧客滾輪的安靜舒適性和快速性的前提下，采用環(huán)流理論設(shè)計(jì)方法，重新設(shè)計(jì)理論高效槳[9]。理論槳基于NACA翼型，綜合考慮推力與空化噪聲，同時(shí)優(yōu)化螺距和拱度分布[10]；為增強(qiáng)船舶在海上的抗風(fēng)浪能力，并考慮船底污損、槳葉粗糙等對(duì)阻力和推進(jìn)性能的影響，要求主機(jī)留有充足的功率儲(chǔ)備，大新螺旋槳參數(shù)如表4所示，敞水特性曲線如圖9所示，圖中KT為推力因數(shù)，KQ為轉(zhuǎn)矩因數(shù)，η為效率。

裝配新螺旋槳后客滾輪自由航行校核結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知：更換新螺旋槳后，船舶最高航速達(dá)到15 kn，較二次裁槳后提高0.2 kn，且主機(jī)功率儲(chǔ)備為15%。

4 結(jié)論

本文中應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立船體模型，對(duì)某客滾輪船-機(jī)-槳匹配情況進(jìn)行分析，確定故障原因，進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)優(yōu)化，并與實(shí)船試航及運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：1）螺旋槳匹配較重時(shí)，可導(dǎo)致合排時(shí)冒黑煙、主機(jī)超負(fù)荷、轉(zhuǎn)速無(wú)法升高等問(wèn)題；2）借助三維建模、仿真軟件等工具，可以快速、較真實(shí)地評(píng)估船舶船-機(jī)-槳匹配情況。

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Ship-engine-propeller matching and propeller optimization design of a ro-ro passenger ship

ZHANG Yongchao1， LIU Dandan2， LI Guanghui1， WU Benkun1

Abstract：In order to solve the problem of the main engine overloaded and unable to increase the speed during the trial voyage of a passenger roller， CATIA software is used to model the ship， and STAR-CCM+ software is used to simulate the ship′s hydrodynamic forces. Through hull resistance calculation， mooring feature verification， and free sailing calculation， it is determined that the fault is due to the heavy propeller， which is not matched reasonably， and is consistent with the actual ship test results. The propeller is optimized， and matching analysis is performed. The results show that after replacing the new propeller， the maximum speed of the ship reaches 15 kn， an increase of 0.2 kn， and there is a 15% reserve of the main engine power， which meets the design requirements.

Keywords：ro-ro passenger ship; ship-engine-propeller matching; propeller

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-05-31

基金項(xiàng)目：山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2021CXGC010703）

第一作者簡(jiǎn)介：仉永超（1990—），男，山東濰坊人，工程師，主要研究方向?yàn)榇鞍l(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用配套及推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail：zhangyongchao08@126.com。