船舶主機(jī)降速節(jié)能研究

張洪朋，顧長(zhǎng)智，陳小濤，郭 力，張春花

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026;2.天津海事局，天津300456)

隨著航運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶對(duì)燃油的需求量大幅度提高，國(guó)際燃油價(jià)格居高不下，燃油費(fèi)已經(jīng)成為船舶運(yùn)輸成本中最大的支出項(xiàng)［1-4］。目前國(guó)際上新造船舶通過(guò)技術(shù)改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，例如利用新型節(jié)能型船(如不對(duì)稱船艉［5］、球艉船型、渦艉船型)、高效船舶推進(jìn)器和水動(dòng)力節(jié)能附加裝置等?，F(xiàn)有船舶也可通過(guò)技術(shù)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，如應(yīng)用可變噴油定時(shí)機(jī)構(gòu)［6］、螺旋槳切邊技術(shù)和科學(xué)的運(yùn)營(yíng)管理手段。本文對(duì)螺旋槳工況、推進(jìn)特性和低速航行主機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行分析。

1 降速節(jié)能的理論依據(jù)

1.1 螺旋槳的推進(jìn)特性分析

船舶在某一速度下穩(wěn)定航行時(shí)，主機(jī)與螺旋槳之間總是保持著能量平衡的基本關(guān)系［7］。主機(jī)發(fā)出的功率Pe和轉(zhuǎn)矩Me與螺旋槳所吸收的功率Pp和轉(zhuǎn)矩Mp相等;對(duì)于直接傳動(dòng)螺旋槳的主機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速ne與螺旋槳轉(zhuǎn)速np也相等。

根據(jù)螺旋槳理論，槳的推力FP和轉(zhuǎn)矩MP為

式中:ρ——水的密度，kg/m3;

D——螺旋槳直徑，m;

np——螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min;

kt——推力系數(shù);

kq——轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

kt、kq由實(shí)驗(yàn)可知，均為螺旋槳進(jìn)程比λp的函數(shù)。它們之間的變化關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，見圖1。

圖1 螺旋槳水動(dòng)力特性

1.2 螺旋槳功率與螺旋槳轉(zhuǎn)速分析

對(duì)式(1)、(2)進(jìn)行分析可知，對(duì)一定的船舶其螺旋槳直徑是常數(shù)，ρ值變化不大，可以認(rèn)為是常數(shù)。船舶定速航行以后，λp基本為常數(shù)。在特定的某一航行條件下(比如裝載、氣候、海面狀況等條件不變)的各種轉(zhuǎn)速下航行時(shí)，kt、kq皆可視為常數(shù)。這樣，槳的推力Fp和轉(zhuǎn)矩Mp為

式中:C1——常數(shù)，C1=kt·ρ;

C2——常數(shù)，C2=kq·ρ。

即螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速的平方成正比。

螺旋槳所需功率Pp可由Pp=Mpn/9 550來(lái)確定。于是可得出螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系式

式(5)反映出螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)特性，即槳的吸收功率Pp與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。將Mp=C2n2p和Pp=Cn3p繪成Mp-np和Pp-np的關(guān)系曲線即為螺旋槳特性曲線，見圖2。

圖2 螺旋槳特性曲線

對(duì)主機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳工作的船舶來(lái)說(shuō)，(為討論方便，略去傳動(dòng)中的各種損失)船舶處于穩(wěn)定航行狀態(tài)時(shí)，主機(jī)和螺旋槳總是保持著能量平衡的狀態(tài)，運(yùn)行在一定的轉(zhuǎn)速下。主機(jī)的轉(zhuǎn)速ne就是螺旋槳的轉(zhuǎn)速np，主機(jī)發(fā)出的功率Pe等于螺旋槳吸收的功率Pp。由于螺旋槳的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，此時(shí)主機(jī)發(fā)出的功率也與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

主機(jī)耗油量B的大小取決于主機(jī)發(fā)出的功率Pe的大小，也就是

式中:b——主機(jī)燃油消耗率，g/(kW·h-1)。

顯然，較小的主機(jī)轉(zhuǎn)速變化會(huì)引起主機(jī)輸出功率發(fā)生較大的變化，也會(huì)引起主機(jī)耗油量發(fā)生較大變化。因此，只要適當(dāng)調(diào)整和降低主機(jī)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使之既能滿足航期的要求，又能維持主機(jī)良好的工況，便可以有效節(jié)油。

2 實(shí)船實(shí)驗(yàn)過(guò)程

某船總噸位為9 091 t，凈噸位3 566 t，設(shè)計(jì)航速16 kn。該船主機(jī)是一臺(tái)二沖程、直流掃氣、超長(zhǎng)沖程、單獨(dú)定壓增壓的低速柴油機(jī)，型號(hào)為蘇爾壽6RTA48，額定功率6 526 kW(持續(xù)功率5 873 kW)，額定轉(zhuǎn)速154 r/min(持續(xù)轉(zhuǎn)速149 r/min)，配置銅質(zhì)4葉定距槳、螺距3.86 m、槳葉直徑4.66 m、采用直接傳動(dòng)方式，燃油消耗率為175 g/(kW·h)，日耗油量為27.9 t，1989年4月交付使用。新船時(shí)該船以149 r/min轉(zhuǎn)速服務(wù)，平均航速為15.5 n mile，日耗油量25 t。隨著船齡增加，服務(wù)轉(zhuǎn)速逐漸降低為135 r/min，功率4 385 kW，為持續(xù)功率的75%，平均航速為14.5 n mile，日耗油量減少為19.0 t左右。

實(shí)驗(yàn)期間，正值該船在天津—曼谷航線連續(xù)往返營(yíng)運(yùn)，這為降速節(jié)油實(shí)驗(yàn)提供了相同航程、海況，易于比較的良好條件。為了保證降速節(jié)油實(shí)驗(yàn)安全有序地進(jìn)行，保證主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常工作良好，該船輪機(jī)部門做好燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、氣缸油系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、掃氣箱、排氣門、輔助燃油鍋爐和廢氣鍋爐、振動(dòng)、主機(jī)操縱和參數(shù)采集等工作。

根據(jù)降速既要節(jié)油，又要維持主機(jī)良好工況的宗旨和原則，兼顧航期船速不宜太慢的要求，并且考慮主機(jī)和船體共振等不利因素的影響和限制，選取該船可供實(shí)驗(yàn)用的主機(jī)轉(zhuǎn)速分別為135、131、129、125、122和115 r/min。該船實(shí)施各種航行方案時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 某船實(shí)施各種降速節(jié)能航行方案的數(shù)據(jù)狀態(tài)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 節(jié)能效果

若將該船進(jìn)行降速節(jié)能實(shí)驗(yàn)的各航次主機(jī)耗油量用圖標(biāo)顯示(如圖3)，能很清楚地看到，當(dāng)主機(jī)采用轉(zhuǎn)速為115 r/min的速度12 h后再加速至135 r/min運(yùn)行5～6 h后，再降至115 r/min運(yùn)行時(shí)，即主機(jī)在115 r/min和135 r/min兩種轉(zhuǎn)速交替航行的07航次油耗量最低。

圖3 不同航次單程總油耗量曲線

3.2 相關(guān)曲線

實(shí)施降速節(jié)能實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)主機(jī)在各轉(zhuǎn)速下的油耗量見圖4。由圖4可見，隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速降低，主機(jī)每小時(shí)的油耗量也隨著降低。

圖4 每小時(shí)耗油量-轉(zhuǎn)速

根據(jù)該船在實(shí)施各種降速節(jié)能方案時(shí)，主機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下各缸排煙溫度的最高值見圖5(其掃氣溫度維持在40℃左右)。

圖5 排煙溫度-轉(zhuǎn)速

由圖5可見，隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速功率降低，排煙總管溫度卻呈上升狀態(tài)。表明該船主機(jī)在135 r/min以下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于主機(jī)功率下降，廢氣渦輪增壓器工作效率隨之下降，主機(jī)掃氣壓力降低，如圖6。

圖6 掃氣壓力-轉(zhuǎn)速

缸內(nèi)油氣混合不好，燃燒不完全，直到主機(jī)轉(zhuǎn)速降至115 r/min，掃氣壓力降至0.045 MPa以下;輔助鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)向主機(jī)掃氣箱供氣，缸內(nèi)新鮮空氣增多，燃燒狀態(tài)才得到改善。這時(shí)主機(jī)的排煙溫度有較大幅度降低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該船主機(jī)在135 r/min以上和115 r/min以下轉(zhuǎn)速時(shí)工況好，安全可靠;并且在115 r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)能明顯地降低油耗量。該船主機(jī)在135 r/min轉(zhuǎn)速以上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主機(jī)燃燒工況好，但是每小時(shí)的實(shí)際耗油量較高。當(dāng)主機(jī)降速在135 r/min轉(zhuǎn)速以下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速降低，其每小時(shí)的實(shí)際耗油量降低，但是由于功率降低的比例比轉(zhuǎn)速降低的比例大得多，所以單位功率的耗油率卻呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì);同時(shí)隨著轉(zhuǎn)速降低掃氣壓力降低，缸內(nèi)空氣量和噴油量比例失調(diào)，燃燒狀態(tài)變差，甚至出現(xiàn)后燃，主機(jī)冒黑煙，排煙溫度也有上升趨勢(shì);然而主機(jī)轉(zhuǎn)速在115 r/min以下，由于輔助鼓風(fēng)機(jī)投入工作，掃氣箱的空氣量能滿足噴油量需要，氣缸內(nèi)燃燒狀態(tài)得以改善，排煙溫度趨于正常，煙色變清，主機(jī)同樣處于良好工作狀況。該船主機(jī)在135 r/min以上和115 r/min以下轉(zhuǎn)速時(shí)工況好，安全可靠;并且在115 r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)能明顯地降低油耗量。在不影響航期海況較好的情況下，該船航行時(shí)采用主機(jī)以115 r/min為主，以135 r/min為輔的運(yùn)行方案是一個(gè)較好的降速節(jié)油方案，既能減少主機(jī)的燃油消耗量降低營(yíng)運(yùn)成本，又能維持主機(jī)較好的燃燒工況，同時(shí)還減少了排放。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)螺旋槳推進(jìn)功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系與低速航行主機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系進(jìn)行理論分析，得到船舶降速節(jié)能效果的理論依據(jù)。通過(guò)設(shè)計(jì)船舶的不同航速在實(shí)船上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在良好的海況下，船舶在不影響船期的情況下采取主機(jī)降速航行，可以收到節(jié)能的效果，并且可降低營(yíng)運(yùn)成本。

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