漁船機(jī)槳匹配研究進(jìn)展

王永鼎，王夢凡

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306)

海洋漁業(yè)是中國重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，然而在發(fā)展?jié)O業(yè)的同時(shí)，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(diǎn)進(jìn)行分析，研究出相對優(yōu)化的船機(jī)槳匹配方案，有利于提高漁船的作業(yè)效益，同時(shí)也能順應(yīng)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(yù)為漁船的“心臟”，推進(jìn)系統(tǒng)是其中最主要的部分，它由船舶主機(jī)、傳動裝置、推進(jìn)軸系和推進(jìn)器組成，主機(jī)為船舶提供動力，主機(jī)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(jī)提供的扭矩轉(zhuǎn)化為漁船航行的推力，船機(jī)槳之間形成了一定的能量傳遞關(guān)系。研究船機(jī)槳匹配問題十分重要，必須從三者間的配合出發(fā)，進(jìn)行合理的匹配設(shè)計(jì)[1]。圖1為漁船推進(jìn)系統(tǒng)布置示意圖。

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

船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)問題貫穿于船舶設(shè)計(jì)、建造和使用等全壽命管理過程。機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)與能源效率設(shè)計(jì)指數(shù)、船舶的經(jīng)濟(jì)性及安全性等有著密切聯(lián)系[2]。而船機(jī)槳不匹配是指船舶、柴油機(jī)和螺旋槳三者在運(yùn)行過程中偏離了主機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)。船機(jī)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(jī)功率發(fā)揮不足和主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)問題，甚至出現(xiàn)敲缸和拉缸等嚴(yán)重故障。目前，漁船存在一定程度的“大機(jī)小標(biāo)”現(xiàn)象，有的漁民為了追求經(jīng)濟(jì)效益和高航速，會對柴油機(jī)進(jìn)行一系列的改裝，私自更換大功率主機(jī)及發(fā)動機(jī)銘牌，破壞了船機(jī)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(jìn)行大負(fù)荷拖曳等都有可能偏離額定工作點(diǎn)，造成漁船柴油機(jī)超負(fù)荷工作。柴油機(jī)超負(fù)荷工作時(shí)，螺旋槳受到的阻力增加，柴油機(jī)需要提高轉(zhuǎn)速以提供更大的扭矩，這必將大幅增加油耗。同時(shí)柴油主機(jī)缸內(nèi)的溫度、壓力都會增大，影響柴油的燃燒情況，從而進(jìn)一步增大油耗。漁船的工況復(fù)雜，航行中經(jīng)常有各種狀況發(fā)生，此時(shí)船機(jī)槳難以做到各個工況下均匹配，因此，需要設(shè)計(jì)出一個相對多工況綜合優(yōu)化的船機(jī)槳匹配方案，以達(dá)到漁船在主要工況下均可良好運(yùn)行，切實(shí)提高漁船的經(jīng)濟(jì)性，并進(jìn)一步解決漁船匹配不佳帶來的環(huán)境問題。

圖1 漁船推進(jìn)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(yuǎn)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(yuǎn)洋捕撈的漁船歸為遠(yuǎn)洋捕撈漁船。根據(jù)《2020年中國漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》[5]，中國漁業(yè)捕撈產(chǎn)品主要以海洋捕撈漁船和遠(yuǎn)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(gòu)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(shí)際生產(chǎn)過程中，多數(shù)船舶的工況較為單一，在進(jìn)行船機(jī)槳匹配的時(shí)候，只需針對主要工況進(jìn)行相應(yīng)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(fù)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(jìn)行匹配工作明顯不夠科學(xué)，因此，研究不同工況下的機(jī)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(fù)雜，存在單艇作業(yè)、雙艇作業(yè)多種情況[8]。

2 漁船主機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 中國漁船主機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代中期，中國不能自主設(shè)計(jì)漁船的柴油主機(jī)，通常只是對國外的機(jī)型進(jìn)行相應(yīng)的仿造[9]。1969年，中國開始自主設(shè)計(jì)研發(fā)柴油主機(jī)，并自行設(shè)計(jì)了增壓式6260型257 kW漁船主機(jī)。20世紀(jì)70年代后，中國先后制造出6320ZC型735 kW和300系列柴油機(jī)[9]，進(jìn)一步提高了柴油機(jī)的功率。從20世紀(jì)80年代開始，中國引進(jìn)了一些國外的先進(jìn)高速柴油機(jī)，如美國的康明斯系列、德國的MWM234系列柴油機(jī)等。這些柴油機(jī)的體積小、重量輕、強(qiáng)化指標(biāo)高和大修期長，大大提高了中國制造中高速柴油機(jī)的水平，為中國漁船主機(jī)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(jī)發(fā)展較快，許多國產(chǎn)柴油機(jī)老機(jī)型都有了較大的改進(jìn)，相關(guān)部門不僅對老舊機(jī)型優(yōu)化了相關(guān)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(jī)進(jìn)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(jī)，與瓦錫蘭公司聯(lián)合制造了W20、W26和W32中速船用柴油機(jī)等。同時(shí)，引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)機(jī)型供使用，如上海新中動力機(jī)廠引進(jìn)德國MAN B&W公司專利技術(shù)生產(chǎn)的L21、L31系列柴油機(jī)，珠海玉柴船舶動力股份有限公司引進(jìn)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(jī)等。但國內(nèi)對柴油機(jī)的自主研發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重視程度還不夠，亟須提高自主研發(fā)和創(chuàng)新能力[10]。現(xiàn)如今，中國船用柴油機(jī)關(guān)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(jī)、機(jī)等軸”所制約[11]。隨著柴油機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷優(yōu)化，整機(jī)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(chǔ)[10]。

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

2.2 國外漁船主機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

日本是漁船主機(jī)應(yīng)用較為發(fā)達(dá)的國家之一，早在20世紀(jì)60年代末期，日本便開始使用中冷器渦輪增壓技術(shù)，如富士的W6M26H型柴油機(jī)、洋馬6UV-EF型柴油機(jī)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(jī)的平均有效壓力和活塞平均速度，且有效減輕了機(jī)體質(zhì)量、縮短了機(jī)體長度，提高了主機(jī)單位質(zhì)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(yīng)的扶持，以推動該行業(yè)的發(fā)展。如韓國出臺新政策補(bǔ)貼船廠青年員工，鼓勵年輕人進(jìn)入造船業(yè)，美國頒布了“造船能力維護(hù)協(xié)議”，德國加大了政府資金投入對船廠進(jìn)行援助[13-15]。國外漁船柴油機(jī)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(jī)升級的作用逐漸被科研集體研發(fā)所替代，其研發(fā)重點(diǎn)也開始放在質(zhì)量和強(qiáng)化系數(shù)上，研發(fā)出如MTU4000型、MTU8000型和MAN28/33D型等大修期長、強(qiáng)化系數(shù)高的柴油機(jī)[16-17]。

2.3 國內(nèi)外漁船主機(jī)對比

目前，中國漁船主機(jī)性能和國外相比還存在一定差距，國外的漁船主機(jī)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(shí)改善燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源，同時(shí)也開始逐漸采用兩級相繼增壓技術(shù)[18]，且普遍使用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)[19]，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)在全工況下的柔性噴射控制，中高速柴油機(jī)的強(qiáng)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(jī)，也尚無批量應(yīng)用高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的船用主機(jī)[16,20-21]；柴油機(jī)的強(qiáng)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(jī)制造應(yīng)加快開發(fā)先進(jìn)的高壓共軌燃油噴射技術(shù)和相繼增壓技術(shù)，加強(qiáng)漁船主機(jī)的智能控制技術(shù)研究，切實(shí)提高漁船主機(jī)的動力性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。

3 基于多工況的機(jī)槳匹配

船機(jī)槳匹配階段可以分為初步匹配和終結(jié)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(jì)算得出主機(jī)功率、螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速與直徑，以便選擇相應(yīng)的主機(jī)型號，主要解決船舶主機(jī)匹配問題。終結(jié)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(jī)功率與轉(zhuǎn)速分析計(jì)算得到相匹配的螺旋槳要素，并校核其所能達(dá)到的航速，這也是傳統(tǒng)的“槳配機(jī)”的機(jī)槳匹配方法，也是最常用的機(jī)槳匹配方法，這一階段主要是解決主機(jī)螺旋槳的匹配問題[23]。

3.1 船機(jī)槳特性

船機(jī)槳匹配需要從船機(jī)槳的特性出發(fā)。船機(jī)槳特性主要指船體、船舶主機(jī)和螺旋槳推進(jìn)裝置的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)和相關(guān)性能指標(biāo)隨主機(jī)轉(zhuǎn)速和船舶航速變化而變化的關(guān)系，船體特性、主機(jī)特性和螺旋槳的特性決定了這些關(guān)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(dǎo)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(jī)特性。主要包括速度特性(外特性)、負(fù)荷特性和推進(jìn)特性。速度特性反映主機(jī)平均有效壓力不變時(shí)，柴油主機(jī)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。負(fù)荷特性反映主機(jī)以固定不變的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，主要性能參數(shù)隨著負(fù)荷變化而變化的規(guī)律。推進(jìn)特性反映主機(jī)按螺旋槳特性工作時(shí)，其性能隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速的平方成正比[23]，螺旋槳的幾何參數(shù)不同時(shí)，其推力特性也不同。

任何船舶都需要根據(jù)船機(jī)槳特性來進(jìn)行最基礎(chǔ)的匹配計(jì)算，漁船也不例外，通?？刹捎脠D解法進(jìn)行船機(jī)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(zhuǎn)換的關(guān)系，因此，船機(jī)槳匹配可以轉(zhuǎn)化為機(jī)槳匹配來討論。通過機(jī)槳匹配特性來表達(dá)機(jī)槳間的配合關(guān)系和工作特性，從而確定最佳工況點(diǎn)以達(dá)到船機(jī)槳的最佳匹配。漁船主機(jī)通過軸系帶動螺旋槳工作，主機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，螺旋槳的吸收功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。圖2為機(jī)槳匹配所需參照的推進(jìn)特性曲線。

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

3.2 機(jī)槳匹配集成設(shè)計(jì)

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

中國漁船數(shù)量眾多，但是針對漁船機(jī)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(jī)槳匹配，2019年，哈爾濱工程大學(xué)的王宸[1]提出了對于非設(shè)計(jì)工況下的船機(jī)槳匹配狀況及其影響的研究方法，運(yùn)用MTALAB/Simulink建立了船舶運(yùn)行非設(shè)計(jì)工況的仿真模型，對非設(shè)計(jì)工況下的螺旋槳和主機(jī)性能進(jìn)行了分析，研究了不同工況下的匹配結(jié)果是否處于安全區(qū)域內(nèi)，為多工況機(jī)槳匹配的集成設(shè)計(jì)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(jìn)行了相應(yīng)的研究，對于不同工況下機(jī)槳匹配出現(xiàn)的問題提出了3個處理方法，分別為將雙機(jī)運(yùn)行改為單機(jī)運(yùn)行，改聯(lián)控模式為分控模式，以及改變動力推進(jìn)的形式。這些針對多工況船舶的方法，都對漁船的匹配設(shè)計(jì)有極大的借鑒作用，同時(shí)，漁船也可以在這些方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)槳匹配繼承設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

表2 船舶機(jī)槳匹配集成設(shè)計(jì)方法Tab.2 Design methodology of vessel machine pitch matching integration

3.3 主機(jī)選型方法

主機(jī)是漁船的核心，船機(jī)的匹配問題即為主機(jī)的選型問題。船舶主機(jī)選型的方法有許多，國內(nèi)外許多專家和學(xué)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(yùn)用在多工況船舶上的方法。表3為主機(jī)選型的主要方法及優(yōu)缺點(diǎn)。而在漁船上，更多的是通過以往經(jīng)驗(yàn)選擇主機(jī)，或是采用母型船法和海軍系數(shù)法估算主機(jī)功率來選擇主機(jī)。

低碳是未來航運(yùn)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(jì)劃(Ship energy efficiency management plan, SEEMP)兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這是中國應(yīng)對氣候變化對世界作出的重要承諾和貢獻(xiàn)[31]。但漁船的節(jié)能減排情況仍然存在政策落實(shí)不到位等問題。中國漁船數(shù)量多、耗能大，推廣先進(jìn)、適用低碳節(jié)能的漁船和漁機(jī)，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(jī)選型方法的基礎(chǔ)上，國外和國內(nèi)也開始研究基于減額輸出和EEDI所進(jìn)行的兼具低碳性和經(jīng)濟(jì)性的漁船主機(jī)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(jī)選型的兩個標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析和低碳性分析從而選出最佳機(jī)型。葉愛君[35]在主機(jī)選型論證中通過綜合尺寸分析、經(jīng)濟(jì)性分析、動力學(xué)分析、輔助系統(tǒng)分析，匹配出與目標(biāo)船相匹配的最佳機(jī)型。

但上述主機(jī)優(yōu)化選型方法多針對商船，對于漁船的主機(jī)優(yōu)化選型方法較少。商船的主機(jī)選型主要以單一工況進(jìn)行匹配計(jì)算，而漁船的工況復(fù)雜，漁船的主機(jī)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(fù)雜作業(yè)要求的匹配結(jié)果。隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，經(jīng)驗(yàn)法和母型船法均不能很好地滿足漁船的主機(jī)選型，而船舶的主機(jī)選型具有共通性，因此，可以在商船選型方法的基礎(chǔ)上，得出一套適合于漁船多工況多指標(biāo)的選型方法。

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

3.4 螺旋槳設(shè)計(jì)方法

船機(jī)匹配中最重要的步驟是主機(jī)的選型，機(jī)槳匹配中的核心為螺旋槳的設(shè)計(jì)。螺旋槳的設(shè)計(jì)通常有兩種方法，一為圖譜設(shè)計(jì)，二為理論設(shè)計(jì)。圖譜設(shè)計(jì)結(jié)果精度較好，應(yīng)用廣泛，但是圖譜法不能考慮到尾流不均勻性的影響，同時(shí)受到系列槳型的限制，無法對大側(cè)斜等特殊螺旋槳形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。螺旋槳的理論設(shè)計(jì)法主要為環(huán)流設(shè)計(jì)法，能夠考慮到尾流不均勻性的影響，設(shè)計(jì)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(cè)斜等特殊螺旋槳形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是由于理論設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法，又出現(xiàn)了結(jié)合回歸擬合和智能算法的螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化成經(jīng)驗(yàn)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(xué)者將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[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(shè)計(jì)中。

對于漁船的復(fù)雜工況，一般會選用可調(diào)距螺旋槳來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，當(dāng)船舶在不同狀態(tài)下航行時(shí)，可根據(jù)實(shí)際航行需要對可調(diào)距螺旋槳的螺距進(jìn)行調(diào)節(jié)，使主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速得到充分發(fā)揮。船舶有效功率(P)與主機(jī)推進(jìn)功率(Pe)二者間存在轉(zhuǎn)換關(guān)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(zhuǎn)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(jì)，因此，可認(rèn)為螺旋槳敞水效率的變化直接影響柴油機(jī)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(zhuǎn)速和槳葉螺距，可調(diào)距螺旋槳可以通過設(shè)置在槳榖中的傳動機(jī)構(gòu)和外置液壓系統(tǒng)改變槳葉的螺距，以利于船機(jī)槳匹配并適應(yīng)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(jī)構(gòu)和操縱系統(tǒng)較復(fù)雜，維修保養(yǎng)困難，且由于轂徑比較大，為配合葉片轉(zhuǎn)動需要，槳轂外形曲率變化較大，在設(shè)計(jì)工況下，其效率較低。此外，因葉片轉(zhuǎn)動及強(qiáng)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(jià)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(shí)，應(yīng)著重考慮經(jīng)濟(jì)性和低碳性。

4 存在問題及展望

4.1 漁船機(jī)槳匹配研究中存在的問題

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

1)低碳性和經(jīng)濟(jì)性成為漁業(yè)發(fā)展中的重點(diǎn)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(fù)雜，在主機(jī)選型時(shí)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(biāo)選型方法。

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

4)中國漁船的主機(jī)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(jī)和螺旋槳方面的先進(jìn)技術(shù)，但并未全面投入使用，也沒有落實(shí)在漁船機(jī)槳匹配之中。

4.2 未來重點(diǎn)研究方向

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

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

2)基于智能算法優(yōu)化機(jī)槳匹配方法。漁船的船機(jī)槳匹配問題是一個十分復(fù)雜的問題，涉及船、機(jī)、槳3個不同的方向，智能算法的引入為解決機(jī)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(zhǔn)化、智能化。

3)研究適應(yīng)不同工況條件的機(jī)槳匹配方法。相較于其他船舶，漁船的工況更為復(fù)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(fù)雜。除此之外，捕鯨船等特殊船舶也是工況十分復(fù)雜的船舶，因此，研究適應(yīng)不同工況的漁船機(jī)槳匹配方法十分必要。

4)選擇高可靠性能的漁船主機(jī)。漁船的航行相較于其他船舶更加復(fù)雜，也更易引起事故，其匹配的柴油機(jī)需要頻繁適應(yīng)自航、拖網(wǎng)、巡航和風(fēng)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(jī)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(guān)注，選擇高可靠性的柴油機(jī)一直會是漁船機(jī)槳匹配中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

5)進(jìn)一步優(yōu)化螺旋槳。有些漁船會使用多個螺旋槳或者導(dǎo)管槳，這就需要考慮多個螺旋槳間的相互影響關(guān)系，而導(dǎo)管槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)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。