重載情況下船舶及主機(jī)加速問題分析

王冬冬，鄧高雄，周勇祥，王 磊

（上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司，上海 201306）

輪機(jī)與輔機(jī)

重載情況下船舶及主機(jī)加速問題分析

王冬冬，鄧高雄，周勇祥，王 磊

（上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司，上海 201306）

針對目前一些船舶在惡劣海況下遇到的加速問題，以及通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)時間過長的問題，從螺旋槳匹配和主機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行原因分析。圍繞轉(zhuǎn)速禁區(qū)功率裕度，結(jié)合相關(guān)案例，從輕螺旋槳裕度、轉(zhuǎn)速禁區(qū)及 MAN主機(jī)輸出扭矩能力等方面入手，提出改進(jìn)措施。

船用低速柴油機(jī)；惡劣海況；轉(zhuǎn)速禁區(qū)；加速；螺旋槳裕度；動態(tài)限制功能

0 引 言

2013年船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的正式生效及船舶市場降低運(yùn)營成本的迫切需要使得當(dāng)前設(shè)計(jì)船舶時更加關(guān)注能耗問題，即在船舶運(yùn)輸能力一定的情況下盡可能地降低CO2排放。通過降低船體阻力來提高螺旋槳的效率和降低主機(jī)油耗等方法都可降低 EEDI，但對同一船型而言，降低主機(jī)的最大持續(xù)運(yùn)行功率（以下簡稱S.MCR）可使EEDI顯著降低。目前新造船的主機(jī)大都采用降功率設(shè)計(jì)。

然而，對于確定的船型，降低主機(jī) S.MCR不僅會降低船舶的最高航速，還會影響其加速能力及在惡劣海況和船體積污情況下的操控性。最近某些采用MAN超長沖程G型主機(jī)的船舶遇到了加速過慢的問題及通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)（以下簡稱BSR）時間過長的問題，影響了船舶正常、安全運(yùn)行。

對此，本文從螺旋槳匹配和主機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)方面分析上述問題，并提出相應(yīng)的解決方法。

1 加速問題分析

圖 1為主機(jī)負(fù)荷曲線圖。當(dāng)船舶在惡劣海況下航行時，螺旋槳將變“重”。此時螺旋槳運(yùn)行曲線會左移，與主機(jī)扭矩限制曲線有個交點(diǎn)，主機(jī)轉(zhuǎn)速開始受到扭矩的限制。該交點(diǎn)可近似看作該重載情況下主機(jī)所能達(dá)到的最大功率和轉(zhuǎn)速。隨著螺旋槳越來越“重”，該交點(diǎn)逐漸向低轉(zhuǎn)速區(qū)域移動，功率越來越低。若螺旋槳轉(zhuǎn)速小于或接近常規(guī)運(yùn)行要求的半速（Half Speed），接近甚至落到BSR內(nèi)，則船舶將出現(xiàn)加速問題及通過BSR的時間過長的問題。

為便于分析，將航速為0時（系泊狀態(tài)）的螺旋槳曲線作為極端重載的情況，并引入BSR功率裕度的概念。圖1中BSR功率裕度用BSR上限轉(zhuǎn)速在扭矩限制曲線上對應(yīng)的功率與重載曲線上對應(yīng)的功率差的百分比表示。對于特定船型，BSR功率裕度越大，主機(jī)加速通過BSR的時間越短。

圖1 主機(jī)負(fù)荷曲線圖

圖2為某132000dwt超大型油船（VLCC）主機(jī)負(fù)荷曲線圖，BSR功率裕度為38%，快速通過BSR的時間為7s。圖3為某225000dwt超大型礦砂船（VLOC）主機(jī)負(fù)荷曲線圖，BSR功率裕度接近0%，需要長達(dá)7min才能通過BSR[1]。

當(dāng)前對于BSR功率裕度并沒有明確的推薦值，船舶設(shè)計(jì)人員可對比實(shí)際運(yùn)營之后具有良好加速性能和操縱性能的船型的BSR功率裕度來指導(dǎo)類似船型的設(shè)計(jì)開發(fā)。

圖2 132000dwt超大型油船（VLCC）主機(jī)負(fù)荷曲線圖

圖3 225000dwt超大型礦砂船（VLOC）主機(jī)負(fù)荷曲線圖

BSR功率裕度的計(jì)算式可表示為

式(1)中：L=1+LRM；H=1-HRM；n為BSR上限轉(zhuǎn)速與此同時S.MCR點(diǎn)的轉(zhuǎn)速；HRM為圖1中系泊螺旋槳曲線與輕螺旋槳設(shè)計(jì)曲線的差值，可由螺旋槳廠家提供，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般為 15%～20%[2]。LRM（Light Running Margin）為輕螺旋槳裕度。

從式(1)中不難看出，要提高BSR功率裕度，有降低BSR上限、提高LRM和增大主機(jī)輸出扭矩能力等3種方法。下面分別從這3個方面進(jìn)行具體分析。

2 輕螺旋槳裕度（LRM）的定義及影響分析

如圖1所示，設(shè)計(jì)船舶時都會將螺旋槳的質(zhì)量設(shè)計(jì)得小一點(diǎn)，使船舶實(shí)際航行過程中在風(fēng)浪和船體污底等情況下螺旋槳推進(jìn)線向左移動時主機(jī)既能可靠工作又能輸出功率，確保所需的航速[3]。LRM是船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

一般將通過 S.MCR點(diǎn)的主機(jī)設(shè)計(jì)輸出曲線與輕螺旋槳曲線（無風(fēng)，船體干凈情況下）在同一負(fù)荷下的轉(zhuǎn)速差的百分比稱作LRM。LRM可看作是船的變速系統(tǒng)，較高的LRM可使主機(jī)和船舶更快地加速，保證船舶在惡劣海況下有一定的航速。當(dāng)然，LRM過高也會影響主機(jī)效率。MAN自1999年起一直推薦的LRM為3.0%～7.0%。但是，最近由于燃油經(jīng)濟(jì)性和EEDI的要求及安裝更大直徑螺旋槳的需求，大部分新設(shè)計(jì)的船舶所采用主機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速都大幅度下降。例如，5100TEU集裝箱船配備8K98系列主機(jī)，額定功率45760kW，94r/min；14500TEU集裝箱船采用10S90ME-C10.5主機(jī)，額定功率61000kW（實(shí)際采用的功率只有額定功率的80%），84r/min。若主機(jī)S.MCR點(diǎn)大幅度下降而LRM保持不變，則船舶的最大加速能力及重載工況下的操作性都會受到嚴(yán)重的影響。對此，MAN從 2015年起推薦 LRM 為4.0%～10.0%。

通過具體案例對MAN提高降功率主機(jī)LRM的原因進(jìn)行簡要說明。圖4給出一個螺旋槳重載運(yùn)行的實(shí)例。主機(jī)A的S.MCR為：功率10000kW，轉(zhuǎn)速100r/min，LRM為5%。主機(jī)B功率低10%，但LRM相同，其S.MCR為：功率9000kW，轉(zhuǎn)速96.6r/min。在同一重載運(yùn)行曲線下，A主機(jī)達(dá)到扭矩限制的功率為8360kW，而B主機(jī)只有7620kW；A主機(jī)在更高的功率范圍內(nèi)穿過限制曲線，加速性更好。

圖4 不同功率的主機(jī)、相同LRM下的主機(jī)負(fù)荷曲線圖

圖5 不同功率的主機(jī)、不同LRM下的主機(jī)負(fù)荷曲線圖

若此時對采用降功率主機(jī)的B船提高LRM，則螺旋槳輕載曲線相對于S.MCR右移，而螺旋槳重載曲線的位置與螺旋槳輕載曲線的位置有關(guān)。因此，提高LRM時，螺旋槳重載曲線相對于S.MCR也會右移。如圖5所示，當(dāng)LRM提高到6.9%時，B船到達(dá)扭矩限制的功率也達(dá)到8360kW，與降功率前的A船相同。

從上述實(shí)例中可看出，對于降功率主機(jī)，若適當(dāng)提高 LRM，仍可保證船舶在惡劣海況及低轉(zhuǎn)速操縱情況下的安全性和穩(wěn)定性。

對于相同的重載曲線，S.MCR降低的功率與LRM需相應(yīng)提高的值呈線性關(guān)系。上述實(shí)例中，S.MCR點(diǎn)功率每降低10%，LRM的值需提高2%。

為更好地說明LRM對BSR功率裕度的影響，圖6給出相同主機(jī)情況下2艘不同螺旋槳設(shè)計(jì)的船舶從0kn（沿系泊曲線）開始加速的能力，LRM分別為3%和10%，后者的BSR功率裕度明顯比前者大。當(dāng)主機(jī)收到常用的“Half”轉(zhuǎn)速命令時，后者由于在加速過程中沒有扭矩限制點(diǎn)，能相對很快達(dá)到“Half”命令轉(zhuǎn)速；而前者在該過程中存在扭矩限制點(diǎn)，相應(yīng)的達(dá)到“Half”轉(zhuǎn)速所需時間更長。

對于已完工的船舶，若要提高LRM，合理打磨部分螺旋槳葉片是一種可行、有效的方法。

圖6 相同主機(jī)、不同LRM下的主機(jī)負(fù)荷曲線圖

3 BSR轉(zhuǎn)速

根據(jù)以上分析，BSR向低轉(zhuǎn)速區(qū)域移動將提高BSR功率裕度。通過軸系扭振計(jì)算分析，可采用以下方法降低BSR轉(zhuǎn)速：

1) 提高主機(jī)調(diào)頻輪的慣量（若主機(jī)需要配置調(diào)頻輪）；

2) 采用扭矩減振器或改變扭振減振器型號；

3) 采用強(qiáng)度更高的中間軸（如合金鋼），減小中間軸的直徑；

4) 提高螺旋槳慣量；

5) 采用更多缸數(shù)的主機(jī)；

6) 增加軸系的長度。

上述方案可通過扭振計(jì)算進(jìn)行分析，這里不詳細(xì)說明。但是，受制造成本及機(jī)艙布置空間的影響，在前期設(shè)計(jì)階段一般不會因考慮BSR快速通過時間問題而特意采用這些方案，而且在船舶完工投入運(yùn)營后這些方案也基本上不可能實(shí)現(xiàn)。

4 動態(tài)限制功能（DLF）

根據(jù)以上分析，在重載工況下，主機(jī)的扭矩限制（油門限制）阻礙了功率上升。因此，需在主機(jī)內(nèi)部找到一種優(yōu)化方法，在加速過程中提高扭矩限制，從而提供更高的扭矩和功率。

常規(guī)的燃油油門限制主要用于確保主機(jī)在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中機(jī)械和熱負(fù)荷不過載，同時避免噴油量過大、空氣不足導(dǎo)致燃燒相對不充分，影響主機(jī)效率，主機(jī)冒過多黑煙，活塞、活塞環(huán)及燃燒室形成大量積碳，加速零件的磨損。然而，主機(jī)加速是短期的，并非處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此應(yīng)研究是否能在加速階段短暫提高油門限制而不影響主機(jī)的安全性和穩(wěn)定性。

加速階段的性能參數(shù)一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 S.MCR點(diǎn)的性能參數(shù)，就算超過常規(guī)的油門限制也未必導(dǎo)致主機(jī)過載。同時，由于ME電控柴油機(jī)控制的靈活性，可在加速過程中通過動態(tài)調(diào)整排氣正時等參數(shù)來調(diào)節(jié)燃燒空氣量，從而在輸出更高功率/扭矩時不會過多地影響主機(jī)效率。

根據(jù)該原則，可在加速過程中的每次燃燒循環(huán)和噴油前調(diào)整主機(jī)參數(shù)，達(dá)到允許的最小過量空氣比，或達(dá)到該轉(zhuǎn)速下允許的最大瞬態(tài)扭矩（以負(fù)荷低的為準(zhǔn)），從而大幅度提高該過程中的扭矩和功率，同時不影響主機(jī)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。這種方法稱為動態(tài)限制功能（DLF），只需通過修改主機(jī)內(nèi)部控制系統(tǒng)（ECS）軟件即可實(shí)現(xiàn)，硬件部分不需要修改。

ECS可用來監(jiān)測主機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速的差值。當(dāng)監(jiān)測到快速加速時，將開啟DLF替代常規(guī)的油門限制；當(dāng)監(jiān)測到加速即將完成（實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速接近），或達(dá)到DLF最大允許時間（30min），或主機(jī)負(fù)荷達(dá)到60%S.MCR時，關(guān)閉DLF，切回到常規(guī)的油門限制。

圖7為某262000dwt VLOC（主機(jī)為6G80ME-C9.2，BSR為26～35r/min，上限高達(dá)60.3% S.CMR）通過BSR的時間。圖7中，試航時常規(guī)油門限制下通過BSR的時間長達(dá)180s，即使手動放大限制，通過時間也有100s。圖8中，DLF放大限制的空間比手動更大，因此采用DLF后，通過BSR的時間降低到20s（見圖9）。DLF的效果比較明顯。

圖7 某262000dwt VLOC試航時通過BSR的時間

圖8 DLF和手動放大限制的比較

圖9 某船型試航時通過BSR的時間

5 結(jié) 語

MAN推出的Dot 5主機(jī)通過低負(fù)荷性能提高低負(fù)荷工況下的燃燒用空氣量，進(jìn)而提高輸出功率和扭矩，一定程度上能解決或部分緩解主機(jī)重載工況下的加速問題。

隨著船舶設(shè)計(jì)技術(shù)不斷發(fā)展，更大的低速螺旋槳和導(dǎo)流罩等額外的提高水動力效率的設(shè)備及降功率的S/G系列等超長沖程主機(jī)的應(yīng)用越來越普遍。由此，對船舶的動態(tài)特性和推進(jìn)系統(tǒng)都帶來了新的課題，要求船舶設(shè)計(jì)者、建造者及設(shè)備商緊密聯(lián)系，進(jìn)行科學(xué)的分析。

[1] HANSEN K R. Propulsion system layout considering heavy weather and acceleration[C]//2014 MAN Service Experience Introduction, Shanghai. 2015.

[2] HANSEN K R. Formulas for the evaluation of achievable engine power, engine speed and power margin for passing the barred speed range - valid at zero ship speed (bollard pull) [C]//Service Exchange — MAN B&W Engines, Shanghai Seminar, Shanghai. 2015.

[3] 徐筱欣. 船舶動力裝置[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2011.

Analysis of the Acceleration of Ship and Main Engine under Heavy Load

WANG Dong-dong，DENG Gao-xiong，ZHOU Yong-xiang，WANG Lei
（CSSC-MES Diesel Co., Ltd., Shanghai 201306, China）

To solve the problem of ship acceleration at rough sea and the problem of main engine operating overtime in the barred speed range, this paper analyzes the reasons of the problems from the viewpoints of propeller matching and main engine internal design. Focusing on the power margin of the barred speed range, some countermeasures are proposed after a comprehensive study on the light propeller margin, barred speed range, MAN main engine torque output, etc.

marine low speed diesel engine; severe sea condition; barred speed range; acceleration; propeller margin; dynamic limiter function

U661.3

A

2095-4069 (2017) 02-0024-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.004

2016-04-05

王冬冬，男，工程師，1983年生。2006年畢業(yè)于南京理工大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)，現(xiàn)從事船用低速柴油機(jī)設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。