船舶加速性問題及解決方案研究

◎ 惠磊　新世紀(jì)船舶設(shè)計研發(fā)（上海）有限公司

船舶加速性問題及解決方案研究

◎ 惠磊新世紀(jì)船舶設(shè)計研發(fā)（上海）有限公司

通過對船舶加速性問題的研究，針對增加船舶加速性能給出了3個主要途徑，并提出了可實現(xiàn)這三個途徑的解決方案，通過對主機，螺旋槳，軸系等不同設(shè)備的技術(shù)要求，改善其對加速性的影響，在船舶建造的不同階段，通過選擇合適的解決方案來提高船舶加速性能，并對這些方案進(jìn)行匯總和對比，以便于靈活選擇解決方案。

加速性 儲備功率 輕轉(zhuǎn)裕度 扭振 扭矩限制線

1.引言

船舶的操縱性（加速）能是影響船舶安全航速的因素之一，以前建造的船舶，航速較高，主機功率也很大，出現(xiàn)加速性問題十分罕見。近年來，由于節(jié)能減排，主機廠家推出新一代的功率增大而轉(zhuǎn)速降低的主機；船廠也推出采用新一代主機降功率使用和降低航速的新一代節(jié)能性船舶。有些節(jié)能船舶投入運營之后，出現(xiàn)一個問題：在船舶操縱過程需要船舶加速，以快速行駛離開或規(guī)避碰撞時，當(dāng)給船舶（主機）發(fā)出全速前進(jìn)的指令，船速不但沒有增加，反而降低；如果給船舶（主機）發(fā)出低速前進(jìn)的指令，主機便會因超負(fù)荷運行而發(fā)出報警。這不符合《國際海上避碰規(guī)則》第六條之規(guī)定“每一船舶在任何時候均應(yīng)以安全航速行駛，以便能采取適當(dāng)而有效的避讓行動……”。有些港口當(dāng)局也以安全為由，禁止這些出現(xiàn)過加速問題的船舶進(jìn)入。

因此，從船舶安全航行的角度，有必要對船舶的加速性問題進(jìn)行研究，對于新設(shè)計的船舶，從源頭上避免出現(xiàn)加速性問題，對于存在加速性問題船舶，提高其加速性以達(dá)到相關(guān)要求。

2.加速性問題產(chǎn)生原因

隨著人們對環(huán)境及能耗問題的日益重視，使控制溫室氣體（GHG，Greenhouse Gases）排放成為全人類面臨的一個世界性問題。由于二氧化碳的排放和能源效率是緊密聯(lián)系在一起，對于減少航運業(yè)溫室氣體排放，國際海事組織（IMO）為船舶建立一個最低能源效率的指標(biāo)，即EEDI（Energy Efficiency Design Index）。EEDI是在船舶設(shè)計階段，對于每單位船舶運輸量（貨運量）所產(chǎn)生的CO2排放的估算。EEDI指數(shù)越高，能源效率越低。采用船舶能效設(shè)計指數(shù)，就是要在船舶設(shè)計階段考慮提高船舶運輸量并通過各種手段降低CO2的排放。在2011年，MEPC62次大會修訂了MARPOL公約附則VI“防止船舶造成空氣污染規(guī)則”，新增了第4章“船舶能效要求”，要求2013年1月1日以后新建的船舶必須在不同時期滿足相應(yīng)的EEDI限值要求。

近年來，對于新造船來說，采用降功率主機和降低船舶航速能顯著的降低EEDI。對某些類型的船舶來說，主機功率的降低，雖然能節(jié)省燃料和降低溫室氣體排放，但是也降低了船舶的航速，降低了船舶加速時越過轉(zhuǎn)速禁區(qū)的儲備功率，同時降低在惡劣海況及污底情況下主機的加速性能。如果越過轉(zhuǎn)速禁區(qū)的儲備功率不足，主機無法在短時間內(nèi)越過轉(zhuǎn)速禁區(qū)，處于對主機及軸系安全的保護(hù)，便會自動降速，使轉(zhuǎn)速降到轉(zhuǎn)速禁區(qū)之外。

針對普遍使用主機降功率問題，同時考慮到EEDI和主機在惡劣海況下的操縱性因素，IMO對不同類型的船舶提出了安裝主機的最小功率的要求。

3.加速性問題分析

衡量船舶加速性的一個主要參數(shù)是船舶加速時可用的主機儲備功率與螺旋槳所吸收最大功率的比值。儲備功率是在指主機在某一轉(zhuǎn)速下能輸出最大的持續(xù)運轉(zhuǎn)功率和在這一轉(zhuǎn)速下螺旋槳所吸收的最大功率之差。儲備功率隨著主機轉(zhuǎn)速的不同而變化。

即（PC ont i nuou s-PHe av y propeller）/PHeavy propeller這一比值是衡量船舶加速性好壞的重要參數(shù)。其中：

PContinuous是主機受扭矩限制所輸出的最大功率，是主機自身特性決定的。

圖1　主機轉(zhuǎn)速與功率示意圖

PHeavy propeller是螺旋槳所吸收的最大功率，是由螺旋槳的特性決定的。

這個比值越大，船舶的加速性能越好，反之，這個比值越小說明船舶加速性越差。

為了便于說明，圖1展示了某型主機/螺旋槳轉(zhuǎn)速和儲備功率的變化情況。圖中兩條豎線之間的區(qū)域是轉(zhuǎn)速禁區(qū)，就是為防止軸系扭振時應(yīng)力超過許可值而應(yīng)避免使用的轉(zhuǎn)速范圍，主要由主機及軸系特性決定。主機應(yīng)具有能快速通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)功能，禁止在此區(qū)域長時間運行，防止損壞主機及軸系。

通過對圖1進(jìn)行分析，可以得出提高船舶加速性的方法：

（1）提高主機的扭矩限制功率，即將圖中主機扭矩限制線上移；

（2）降低螺旋槳最大吸收功率，即將圖中螺旋槳最大吸收功率線下移；

（3）將圖中轉(zhuǎn)速禁區(qū)（B S R :barred speed range）向左移動以增大儲備功率，或盡可能減小或消除轉(zhuǎn)速禁區(qū)。

4.提高船舶加速性的解決方案

4.1主機方面

4.1.1提高主機的扭矩限制功率

MAN B&W主機廠家在新版本的主機上采用一項DLF（Dynamic Limiter Function）新技術(shù)來提高主機自身的扭矩限制功率，同時避免長時間超負(fù)荷運行的風(fēng)險。這項技術(shù)已經(jīng)集成在主機控制系統(tǒng)（ECS），對于已交付的主機，MAN B&W給出了在軸系扭振允許的前提下，通過以下幾方面來改善主機自身的扭矩限制功率：

（1）提高調(diào)速限制器指數(shù)，采取提高燃油限值指數(shù)和排氣閥正時限制等措施。在通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)階段時，調(diào)速限制指數(shù)可能最大能提高到20%，具體值需要考慮主機扭振和避免黑煙（燃料在氣缸內(nèi)不充分燃燒）現(xiàn)象。

（2）如果采取（1）出現(xiàn)黑煙現(xiàn)象，或還沒有達(dá)到足夠的加速性，就需要提高壓氣比（pcomp/pscav），這可能需要加大主機供風(fēng)機的功率。需要注意的是，提高壓氣比將導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動的增大。

（3）采?。?）、（2）措施只是權(quán)宜之計，最終還需要升級主機控制系統(tǒng)（ECS）。

WINGT沒有提出這種方案是因為WINGT主機因為采用高壓共軌技術(shù)，其本身的扭矩限制功率較大。這一點可以通過比較兩者扭矩限制功率與轉(zhuǎn)速N的關(guān)系得出：

WINGT扭矩限制功率：P2/P1=（N2/N1）2.45；P2、N2分別為主機限制功率及其轉(zhuǎn)速；P1、N1分別為主機額定功率及轉(zhuǎn)速。

M A N B&W扭矩限制功率：P=c·Ni；其中，c為常數(shù)，i=2。

4.1.2向左調(diào)整轉(zhuǎn)速禁區(qū)或者消減轉(zhuǎn)速禁區(qū)

對于已選定的主機，一種有效調(diào)整轉(zhuǎn)速禁區(qū)的方法是通過改變主機飛輪轉(zhuǎn)動慣量，同一主機，主機廠家有多種不同轉(zhuǎn)動慣量的飛輪可供選擇。通過扭轉(zhuǎn)振動的計算，在主機訂貨時可考慮選用較大轉(zhuǎn)動慣量的飛輪（重飛輪）。

另外，選用較多氣缸數(shù)的主機來改善扭振特性，這需要綜合考慮到主機的成本，燃油消耗率及機艙布置的要求。

4.2螺旋槳方面

在船舶設(shè)計時，通過加大螺旋槳的輕轉(zhuǎn)裕度（LRM：light running margin）來提高船舶的加速性能是一種非常有效的方法。

對于船舶加速性及操作安全性來講，LRM是一個非常重要的參數(shù)。MAN B&W和WINGT等主機，對LRM都有明確的要求：

對于MAN B&W主機，在2015年5月1日之前，推薦LRM為3.0%～7.0%；在2015年5月1日之后，推薦LRM為4.0%～10.0%。

表1　螺旋槳隨邊和葉梢切割及其影響對比

對于WINGT主機，推薦LRM為4.0%～7.0%。

對于通過切割螺旋槳葉片來增加輕轉(zhuǎn)裕度，表1給出了螺旋槳的不同切割方式及其影響的對比。

4.3推進(jìn)系統(tǒng)軸系方面

推進(jìn)軸是將主機產(chǎn)生的功率傳遞到螺旋槳，同時將螺旋槳產(chǎn)生的推力傳遞給船體，來推動船舶的航行。軸系工作的穩(wěn)定性決定了船舶能夠正常運行的可靠性。IACS對軸系的設(shè)計及其扭振有著明確的要求。船舶推進(jìn)軸系對加速性的影響主要是通過消除/減小轉(zhuǎn)速禁區(qū)或者向左移動轉(zhuǎn)速禁區(qū)表現(xiàn)出來。可采取如下方案：

（1）采用減震器（動力性減震器，阻尼性減震器以及動力阻尼性減震器等），在軸系中增加減震器來消減系統(tǒng)的扭振，達(dá)到減震目的，可以有效的消除/減小轉(zhuǎn)速禁區(qū)，這將增加設(shè)備，成本高且受機艙布置的限制。

（2）調(diào)整軸系柔度，即調(diào)整軸系中間連接部分的柔度，因為改變內(nèi)燃機曲軸部分柔度的可能性很低。

①通過調(diào)整軸系的直徑來調(diào)整柔度。

推進(jìn)軸直徑的大小由下式確定：

式中，d為計算最小直徑；di為軸內(nèi)徑；do為軸外徑；F為與推進(jìn)系統(tǒng)有關(guān)的系數(shù)；k為系數(shù)；n0為主機在額定功率下的轉(zhuǎn)速；p為主機的額定功率；σB為軸材料的抗拉強度。

通過上式可以看出，通過選擇抗拉強度較高的軸系材料可以有效的減小軸的直徑。但是在選則軸系材料時，過高抗拉強度的合金鋼鍛鋼材料對疲勞特別敏感，在選擇合金鋼材料時，對軸的疲勞分析計算是有必要的，同時船級社明確指出對于選擇抗拉強度值大于800N/mm2計算軸徑的抗拉強度超過800N/mm2，但低于950N/mm2，用于中間軸的合金鋼鍛鋼件，應(yīng)每爐在一個代表性鍛件（或軋件）上盡可能位于相應(yīng)于鑄錠的頭部位置制取夾雜物分析試樣，這一點要特別注意。

②調(diào)整軸的長度。調(diào)整軸長度可以改變軸系的柔度，但這受機艙布置的限制，調(diào)整范圍有限。

5.結(jié)論

船舶的加速性對船舶操縱非常重要。在概念設(shè)計時就需要綜合考慮主機-軸系-螺旋槳的匹配等各個影響因素，使船舶既能滿足加速性要求，又能滿足EEDI高標(biāo)準(zhǔn)的要求。對于建造過程中的船舶，在主機訂貨時，盡可能選擇新版本的主機；在軸系設(shè)計時，合理選擇軸系的材料及抗拉強度；對于已經(jīng)交付的船舶，通過主機廠家對主機ECS進(jìn)行升級是最簡單有效的一種方式，其次就需要對螺旋槳進(jìn)行切割。

[1]Light Run ning Margin(LR M) [EB/OL],MAN B&W Market Update Note,MUN2015-3.

[2]2013 Interim Guidelines For Determining Minimum Propulsion Power To Maintain The Manoeuvrability Of Ships In Adverse Conditions,As Amended(Resolution Mepc.232(65),As Amended By Resolutions Mepc.255(67) And Mepc.262(68))[S],Mepc.1/Circ.850/ Rev.1,15 July 2015.

[3]Enhanced Torque Reserve For MAN B&W S And G-Type Engines For Adequate Ship Acceleration[EB/OL],MAN B&W Licence Letter 2015-12，13 July 2015.

[4]Instructions For Engine Builders’Co m misioning Of Engines For Increased Acceleration Capability[EB/ OL]，MAN B&W Technical Note No. 245352，2015.07.

[5]W?rtsil? X72(W-X72)M arin e Installation Manual[M],14 October 2013. [6]MAN B&W G70ME-C9.5-TII Project Guide[M]，April 2014.

[7]Survey Of Wheels[EB/OL]，MAN Diesel & Turbo Note 243792，October 2014.

[8]MUN 2015/3-24[EB/OL]，MAN B&W Market Update Note,April 2015.

[9]Light Running Margin(LRM)For Vessels Equipped With W?rtsil? 2-Stroke Engines[EB/OL],Technical Information Note 001,June 2015.

[10]Presentation Of Propulsion System Layout Considering Heavy Weather And Acceleration[R],Kim R.Hansen，June 2015.

[11]Dimensions Of Propulsion Shafts And Their Permissible Torsional Vibration Stresses[S],IACS UR M68，Apr 2015.

[12]Calculation Of Shafts In Marine Applications[S],DNV Classification Notes No.41.4,July 2013.