螺旋槳隨邊切割工藝研究

孫小明，張洪博，劉貴斌

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300456)

螺旋槳隨邊切割工藝研究

孫小明，張洪博，劉貴斌

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司，天津 300456)

文章針對(duì)某船螺旋槳隨邊切割改造的實(shí)際工程，簡(jiǎn)述了船機(jī)槳匹配理論，并對(duì)具體工藝進(jìn)行論述，為此類修理改造工程提供了參考。

螺旋槳；隨邊切割；螺距角；匹配

船舶在營運(yùn)一段時(shí)間后，隨著海水腐蝕和生物附著等多方面作用，會(huì)出現(xiàn)船體表面粗糙度增大和污底現(xiàn)象，這些都會(huì)使航行阻力變大。加之主機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)件磨損導(dǎo)致難以發(fā)出標(biāo)定功率，進(jìn)而影響到船機(jī)槳最佳匹配點(diǎn)，導(dǎo)致柴油機(jī)負(fù)載過重而工況較差，運(yùn)營油耗增加甚至發(fā)生喘振等機(jī)損事故[1]。某沿海貨船主機(jī)持續(xù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速下降、排氣高溫、出力不足及閥面燒蝕等故障。多次修理機(jī)器而未見好轉(zhuǎn)之后，管理人員考慮主機(jī)負(fù)載過重問題，遂采納設(shè)計(jì)院建議采用螺旋槳邊緣切割的方法，通過減小推進(jìn)負(fù)荷改善主機(jī)的運(yùn)行工況。

1 船機(jī)槳配合原理簡(jiǎn)述

2 故障簡(jiǎn)要分析

民船在運(yùn)營過程中，船體摩擦阻力將顯著增大而主機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后各部件磨損會(huì)降低其出力，兩者共同作用使得配合工況漸漸偏離設(shè)計(jì)時(shí)的最佳值從而產(chǎn)生“槳重”的情況。通常生物和機(jī)械作用使船體表面粗糙度變大，若保持船速不變?yōu)榭朔鄣仔?yīng)增加的阻力則槳的負(fù)荷增大。此過程如圖1所示，污底阻力增大可等效為船舶重載航行，曲線1A為螺旋槳設(shè)計(jì)推進(jìn)特性線，2B為槳重載推進(jìn)特性線，直線3BA為柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線。

圖1 污底時(shí)機(jī)槳配合推進(jìn)特性曲線

重載航行時(shí)定距槳推進(jìn)特性曲線變陡，由1A變成2B(平衡點(diǎn)為B)。此時(shí)若保持轉(zhuǎn)速不變則主機(jī)發(fā)出功率要增大，同時(shí)槳的轉(zhuǎn)速系數(shù)下降。槳的扭矩超過標(biāo)定值同時(shí)反作用于主機(jī)使其在重載下運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅槳轉(zhuǎn)速降低出現(xiàn)槳效下降，而且主機(jī)由于轉(zhuǎn)速降低不能發(fā)出額定功率而偏離了設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，排氣高溫、喘振甚至閥面燒蝕等問題也都隨之出現(xiàn)。主機(jī)出力不足又將加重機(jī)槳配合工況的失調(diào)，如此惡性循環(huán)將加大“槳重”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

3 隨邊切割工藝探討

對(duì)于工況變化或者初始設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的船機(jī)槳匹配失調(diào)引起的“槳重”問題，在實(shí)際修理工程中一般對(duì)定距槳采用切削槳葉工藝來改善。切割槳葉通過改善槳葉剖面的水動(dòng)力特性使其更適合新的機(jī)槳配合工況，直觀上理解就是槳葉面積減少從而降低推力，從結(jié)構(gòu)上講即槳葉剖面的攻角和螺距減小而降低槳的推力和轉(zhuǎn)矩，從而減小主機(jī)的負(fù)荷。

螺旋槳切削通常有2種方式：削邊和減小直徑，通常對(duì)于中低速船采用削邊工藝，因?yàn)榍懈顦~直徑將會(huì)明顯影響到推進(jìn)效率[3]。切邊由于直徑不變從而推進(jìn)效率不會(huì)顯著降低，但盤面比變小會(huì)造成其空泡裕度降低而增大剝蝕的概率，此情況應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)慎重考慮。

通過圖紙分析和現(xiàn)場(chǎng)勘查得知，本槳自0.6R到葉梢處為弓形剖面，故只有切割隨邊才能明顯改善實(shí)效螺距。此時(shí)應(yīng)注意切割隨邊時(shí)弦長(zhǎng)相應(yīng)減小使得槳葉剖面拱度增加，螺距角會(huì)相應(yīng)增大。而同時(shí)后剖面鼻尾線位置改變，會(huì)導(dǎo)致此處的拱度和螺距角相應(yīng)減小，相關(guān)研究表明切削隨邊時(shí)總的效果是將螺距角減小[4]。通過設(shè)計(jì)院分析計(jì)算可知，按目前0.7R半徑處的削邊情況調(diào)整螺距角約1°，總的效果減小螺距量約5%。

螺旋槳隨邊切割大致工藝過程如下。

1)對(duì)槳葉進(jìn)行著色探傷，若發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修補(bǔ)；并對(duì)槳葉作靜平衡試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果記錄下來；對(duì)切割前槳葉螺距進(jìn)行測(cè)量。

2)用螺距規(guī)在槳葉正面將0.2R、0.4R、0.5R、0.7R、0.8R、0.9R、1.0R的圓弧線描繪出來。

3)根據(jù)圖2所示，以隨邊為起點(diǎn)在各圓弧線上量出相應(yīng)距離并用沖眼打出標(biāo)記，光順連接7個(gè)標(biāo)記點(diǎn)即得到槳葉的切割線。

4)參考切割線畫法，根據(jù)圖2所示畫出磨削起始線。

圖2 槳葉切割磨削示意圖

5)采用等離子切割沿著各個(gè)槳葉的切割線對(duì)隨邊切削，然后根據(jù)磨削起始線用砂輪或風(fēng)鏟將切割形成的茬口磨成原邊的厚度。

6)用螺距規(guī)測(cè)量切割磨削完成后的槳葉螺距，若測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失準(zhǔn)則對(duì)螺距進(jìn)行調(diào)整。

7)磨削工作完成后要對(duì)槳進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。

此工藝關(guān)鍵要注意以下3點(diǎn)：首先在切割作業(yè)之前應(yīng)由設(shè)計(jì)院仔細(xì)核算切割后的空泡腐蝕裕量，在設(shè)計(jì)階段避免由于切隨邊導(dǎo)致空泡腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生；其次切割之后用砂輪將槳葉邊緣修鏟成60°倒角而后按流線型光順，對(duì)于隨邊切割一定要讓倒角方向成尾翹以免影響其水動(dòng)力特性；再次要保證槳葉切割磨削完成后各個(gè)槳葉的重量基本一致，以保證運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的平衡。在切割之前進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)以得到槳葉重量的分布情況，并盡量保證各個(gè)槳葉切割及磨削下的重量相同以保證槳葉的平衡，在切削之前記錄各槳葉隨邊的厚度作為磨削量的參考。各個(gè)切割的部分及磨削的銅粉(如圖3陰影所示)要收集并稱重，對(duì)于切割之前較重的槳葉要酌情多削去一部分，此外還要邊磨削邊進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)直至各個(gè)槳葉重量基本一致。

圖3 葉面切削部分示意圖

槳葉經(jīng)改造后回裝并進(jìn)行碼頭系泊試驗(yàn)和試航，主機(jī)過載的情況明顯改善，在同樣轉(zhuǎn)速下油門明顯減小，沒有再發(fā)生排氣高溫、增壓器喘振和閥面燒蝕的故障。

4 結(jié)束語

多方面的原因都能引起主機(jī)過載故障，輪機(jī)管理者往往從機(jī)器本身尋找原因，而忽略船-機(jī)-槳配合由于工況變化可能出現(xiàn)失調(diào)。作為一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，切削槳葉隨邊能夠明顯改善推進(jìn)工況，從而使船機(jī)槳三者達(dá)到新的合理工況配合點(diǎn)，對(duì)船舶動(dòng)力和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性改善有顯著的影響。

[1] 歐禮堅(jiān).采用螺旋槳削邊技術(shù)解決增壓器喘振的探討與實(shí)踐[J].中國修船，2005(6)：9-10.

[2] 陳紹剛.輪機(jī)工程手冊(cè)[M]. 北京：人民交通出版社，1993.

[3] 張洪村.現(xiàn)有船舶螺旋槳切割節(jié)能技術(shù)研究[D]. 大連：大連海事大學(xué)，2010.

[4] 曹梅亮.切割槳葉隨邊以適應(yīng)船-機(jī)-槳匹配[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(1)：148-151.

Aiming at the actual project of propeller edge-cutting,the thesis summarizes the theory of match between power and revolution,discussing the specific process,which provides reference of maintaining projects of the same kinds.

propeller;edge-cut;pitch angle;match

孫小明(1985-)，男，天津人，工程師，碩士，主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)和修理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.01.013

2013-11-29