石曉川，孫光曉，張祥，王攀峰，賈承濤

濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

作為船舶的動(dòng)力源，柴油機(jī)的性能對船舶運(yùn)營的安全性、運(yùn)營成本等至關(guān)重要。柴油機(jī)不同運(yùn)行工況的性能和指標(biāo)參數(shù)差別很大, 只有船-機(jī)-槳匹配合理，柴油機(jī)的功率才能充分發(fā)揮，柴油機(jī)的可靠性也能得到保障，同時(shí)還能提高螺旋槳的輸出功率，降低船舶的油耗。深入研究船-機(jī)-槳匹配特性能夠?yàn)榇安裼蜋C(jī)開發(fā)和應(yīng)用提供關(guān)鍵的理論依據(jù)[1]。目前關(guān)于螺旋槳的特性研究比較多，尤其是水動(dòng)力特性方面的研究。Pien[2]提出了螺旋槳升力面模型來研究螺旋槳在定常狀態(tài)下的水動(dòng)力特性。胡洋等[3-4]對處于斜流和波浪狀態(tài)下的螺旋槳水動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)斜流角度對螺旋槳上力的峰值影響很大，對谷值的影響較小。要保證船舶航行時(shí)保持良好的狀態(tài)，不僅要研究螺旋槳的特性，還需考慮船體、螺旋槳、主機(jī)整體的匹配。

船-機(jī)-槳匹配是船舶研發(fā)的重要組成部分，是在完成船舶線型初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)在既定目標(biāo)航速下使主機(jī)輸出功率最小，或主機(jī)功率一定時(shí)使船舶達(dá)到最高航速的原則匹配螺旋槳[5]。

越南道路交通設(shè)施差，但水域分布廣，水上運(yùn)輸是該國主要的運(yùn)輸方式。船長為110 m的江海聯(lián)運(yùn)散貨運(yùn)輸船是越南主流船型之一，船-機(jī)-槳的合理匹配，對該船型的節(jié)能降耗和我國船舶發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入越南市場有重要意義。本文中建立該船型螺旋槳仿真模型，基于船舶系泊和自由航行特征，分析優(yōu)化該船型的船-機(jī)-槳匹配，并對優(yōu)化后的船舶進(jìn)行實(shí)船跟蹤測試驗(yàn)證，驗(yàn)證我國某公司發(fā)動(dòng)機(jī)與越南110 m江海聯(lián)運(yùn)船舶匹配的合理性。

1 船-機(jī)-槳的匹配特性

1.1 船舶阻力

航行過程中，船舶所受阻力與船體的結(jié)構(gòu)形狀、航速、航道、海況、空氣阻力以及水溫等因素相關(guān)。按照產(chǎn)生阻力的物理現(xiàn)象，船舶阻力可分為摩擦阻力、興波阻力、粘壓阻力、空氣阻力。船舶總阻力為摩擦阻力、興波阻力、粘壓阻力、空氣阻力之和，對于中低速船舶，船舶阻力以摩擦阻力為主。在船型和外界條件確定的情況下，船舶阻力Rt只受航速vs的影響。通常，Rt與vs的m次方成正比[6]，m隨船型而不同，一般為2～6。船舶的有效功率Pe是克服船體阻力需要的功率[7]，Pe=Rtvs。

1.2 螺旋槳特性

螺旋槳在特定工況(進(jìn)速為vA、轉(zhuǎn)速為n)工作時(shí)，設(shè)主機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為Q、輸出推力為T，有用功率為TvA，螺旋槳接收到主機(jī)提供的功率為2πnQ，則螺旋槳效率[8]

(1)

螺旋槳的推力因數(shù)

(2)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；D為螺旋槳直徑，m。

螺旋槳的轉(zhuǎn)矩因數(shù)

(3)

式(2)(3)代入(1)，可得螺旋槳效率

對于外形既定的螺旋槳，KT、KQ和η0都是J的函數(shù)，其變化關(guān)系所形成的曲線稱為螺旋槳的特性曲線，由于該曲線不考慮船體的影響，僅討論螺旋槳系統(tǒng)，又稱作螺旋槳敞水特性曲線[9]，如圖1所示。

圖1 螺旋槳的敞水特性曲線 圖2 螺旋槳推進(jìn)特性曲線

當(dāng)柴油機(jī)作為船舶動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)螺旋槳時(shí)，在不考慮功率損失的情況下，柴油機(jī)發(fā)出的功率與螺旋槳消耗的功率相等，螺旋槳消耗的功率在螺旋槳節(jié)距不變時(shí)與螺旋槳轉(zhuǎn)速的3次方成正比，此特性稱為推進(jìn)特性[10]，如圖2所示。推進(jìn)特性是穩(wěn)態(tài)工況下的特性。

船舶的實(shí)際工況復(fù)雜多變，船舶阻力受水文、工況等的作用發(fā)生變化，螺旋槳的實(shí)際推進(jìn)特性與推進(jìn)特性曲線存在一定偏差[10]，真實(shí)表現(xiàn)為一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域遵循推進(jìn)特性的運(yùn)行趨勢。

1.3 船-機(jī)-槳的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系

船體、主機(jī)和螺旋槳是一個(gè)復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，主機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)能，船體克服阻力航行需要推力能，兩者之間通過螺旋槳轉(zhuǎn)換能量，船-機(jī)-槳最佳匹配才能使系統(tǒng)之間的能量得到最優(yōu)轉(zhuǎn)換[11-12]。

船舶能量轉(zhuǎn)換如圖3所示。船舶在實(shí)際運(yùn)行時(shí)船-機(jī)-槳會(huì)達(dá)到運(yùn)行和能量的雙重平衡。從運(yùn)動(dòng)角度分析，主機(jī)轉(zhuǎn)速除以齒輪箱減速比為螺旋槳轉(zhuǎn)速；從能量角度分析，螺旋槳收到功率為主機(jī)功率與軸系傳遞效率的乘積，作用到船體上的有效功率為螺旋槳收到功率與螺旋槳相對旋轉(zhuǎn)效率、螺旋槳敞水效率、船身效率的乘積。

圖3 船舶能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖

2 江海聯(lián)運(yùn)散貨運(yùn)輸船船-機(jī)-槳匹配計(jì)算

根據(jù)船型參數(shù)和推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行船舶阻力計(jì)算和船-機(jī)-槳匹配計(jì)算校核。

2.1 船舶主要參數(shù)

針對船長為110 m的越南主流江海聯(lián)運(yùn)散貨運(yùn)輸船的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 船舶主要技術(shù)參數(shù)

2.2 船體阻力計(jì)算

以大量船模和試船試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)估算船舶阻力的方法稱為愛爾法[13-14]，在船舶阻力估算方面應(yīng)用廣泛。本文中使用愛爾法和NavCad仿真軟件，根據(jù)船舶參數(shù)對船舶阻力進(jìn)行估算，結(jié)果如表2所示。

表2 船舶阻力估算結(jié)果

2.3 螺旋槳敞水特性仿真計(jì)算

基于螺旋槳切面數(shù)據(jù)，采用PropCAD建立螺旋槳三維模型[15]，如圖4所示。采用CFD仿真軟件，對螺旋槳敞水特性進(jìn)行數(shù)值仿真，該散貨船螺旋漿敞水特性仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 螺旋槳模型 圖5 螺旋槳敞水特性曲線

2.4 系泊特征校核

該江海聯(lián)運(yùn)散貨運(yùn)輸船配備理論螺旋槳，為了解該理論槳與船舶主機(jī)的匹配情況，對船舶進(jìn)行系泊特征校核，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 系泊特征曲線

由圖6可知，主機(jī)系泊轉(zhuǎn)速為615 r/min(額定轉(zhuǎn)速的82%)時(shí)，達(dá)到外特性功率，滿足設(shè)計(jì)要求(系泊轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速的80%)。

2.5 自由航行特征校核

按照理論槳的參數(shù)，進(jìn)行滿載自由航行試驗(yàn)校核，對該船的快速性進(jìn)行仿真分析，航行特征曲線如圖7所示。進(jìn)行實(shí)船工況航行計(jì)算，并與柴油機(jī)萬有特性曲線擬合計(jì)算船舶燃油消耗率，船舶經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果如圖8所示。

圖7 航行特征曲線 圖8 船舶經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

由圖7可知，滿載自由航行工況，主機(jī)最大功率略大于額定功率，主機(jī)最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到748 r/min，此時(shí)航速約為11.85 kn，基本滿足自由航行設(shè)計(jì)航速要求。

由圖8可知，主機(jī)常用轉(zhuǎn)速在490 r/min左右，對應(yīng)的燃油消耗率大約為215 g/(kW·h)。

2.6 實(shí)船測試驗(yàn)證

進(jìn)行實(shí)船跟蹤測試，驗(yàn)證該船推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)匹配效果。從越南中部義安市出發(fā)，滿載沿近海航行至胡志明市，再空載原路返回；航次時(shí)間約為137 h，柴油機(jī)航行工況常用轉(zhuǎn)速為490～500 r/min，航次總耗油約23 m3，油耗約為168 L/h；與同類型船舶的其它型號主機(jī)相比，一個(gè)航次約節(jié)油約20%。

分析船舶試航數(shù)據(jù)，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)實(shí)際功率基本位于理論推進(jìn)線附近，動(dòng)力性能滿足客戶要求；但由于柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速較低，柴油機(jī)的渦輪增壓器在低轉(zhuǎn)速時(shí)效率很低，導(dǎo)致柴油機(jī)進(jìn)氣不足，增壓器排溫偏高。和客戶溝通后，柴油機(jī)常用轉(zhuǎn)速提高到650 r/min時(shí)，增壓器排溫高的問題再?zèng)]有發(fā)生，可靠性得到保障。

3 結(jié)語

1)仿真計(jì)算結(jié)果表明，主機(jī)系泊轉(zhuǎn)速為615 r/min(額定轉(zhuǎn)速的82%)時(shí)，達(dá)到外特性功率，滿足設(shè)計(jì)要求；滿載自由航行工況，主機(jī)最大功率略大于額定功率，主機(jī)最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到748 r/min，對應(yīng)航速約為11.85 kn，基本滿足自由航行設(shè)計(jì)航速要求。

2)實(shí)船測試結(jié)果表明，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，柴油機(jī)實(shí)際功率基本位于理論推進(jìn)線附近，動(dòng)力性能滿足客戶要求；與同類型船舶的其它型號主機(jī)相比，一個(gè)航次節(jié)油約20%，推進(jìn)系統(tǒng)匹配合理，經(jīng)濟(jì)省油、動(dòng)力強(qiáng)勁。

3)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和選型時(shí)，應(yīng)盡可能多的調(diào)研當(dāng)?shù)仡愃拼偷倪\(yùn)行工況和匹配情況，然后選擇匹配合適的主機(jī)和螺旋槳。