1333TEU集裝箱船—機(jī)—槳匹配狀況及柴油機(jī)負(fù)荷特性驗(yàn)證方法

張超 楊玲

摘 ? ?要：船-機(jī)-槳系統(tǒng)中三者的匹配狀況，是保證主機(jī)性能、船舶航速及經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。本文以某1333TEU集裝箱船為例，通過(guò)柴油機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)，判斷出船—機(jī)—槳匹配不合理狀況。對(duì)于批量生產(chǎn)專業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家，可以進(jìn)行類似的負(fù)荷特性試驗(yàn)，對(duì)船一機(jī)—槳的匹配狀況進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：機(jī)槳;匹配;模擬實(shí)驗(yàn);驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U664.1 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The matching of ship-engine-propeller system is an important factor to ensure the performance of main engine， ship speed and economic benefit. By taking a 1333 container ship as an example， the unreasonableness of the matching condition of the engine-propeller is judged by means of load characteristic test of diesel engine. Similar simulation experiments can be carried out for professional engine manufacturers in batch production in order to verify the matching status of engine-propeller.

Key words： Engine-propeller; Matching; Simulation test; Verify

1 ? ? 引言

船-機(jī)-槳匹配設(shè)計(jì)的目的是為了保證船舶的設(shè)計(jì)航速、主機(jī)性能及經(jīng)濟(jì)性，因此如何保證主機(jī)功率的充分發(fā)揮又有足夠的儲(chǔ)備功率顯得尤為重要。當(dāng)船-機(jī)-槳不匹配時(shí)，一方面主機(jī)功率不能得到充分發(fā)揮，使船舶無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)航速，主機(jī)經(jīng)濟(jì)性下降;另一方面若造成主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，將大大縮短主機(jī)使用壽命?？梢姶?機(jī)-槳匹配是否良好會(huì)嚴(yán)重影響船舶的快速性、經(jīng)濟(jì)型以及安全性。專業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家為驗(yàn)證船-機(jī)-槳的匹配狀況，確保主機(jī)的安全運(yùn)行，可以通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行模擬主機(jī)裝船后實(shí)際運(yùn)行情況，模擬主機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的實(shí)船運(yùn)行效果。通過(guò)與實(shí)船運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，來(lái)判斷船-機(jī)-槳匹配是否合理，并且可以估算出主機(jī)超負(fù)荷功率范圍。

2 ? ? 主機(jī)故障現(xiàn)象

某船廠建造的2艘1 333TEU集裝箱船，采用單機(jī)單槳，主柴油機(jī)型號(hào)為UEC33LSE-C2（以下簡(jiǎn)稱主機(jī)）。該型主機(jī)額定功率為4 230 kW、轉(zhuǎn)速142 r/min;二沖程直流掃氣，帶廢棄渦輪增壓器，增壓器型號(hào)為MET37MB。

在2艘船試航時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主機(jī)處于前進(jìn)3檔（n=112 r/min）和前進(jìn)4檔（n=128 r/min）時(shí)，各缸排溫、油尺、爆壓、掃氣壓力均高于相同轉(zhuǎn)速下的臺(tái)架試驗(yàn)值。

3 ? ?主機(jī)故障原因分析

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，主機(jī)最大額定功率（100%）、持續(xù)功率（90%）、船舶航行常用功率（60%）等轉(zhuǎn)速下的主要特性參數(shù)，均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

根據(jù)以上主機(jī)故障現(xiàn)象，對(duì)其主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估。首先檢查主機(jī)各系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置均無(wú)異常，主機(jī)外圍設(shè)備均滿足設(shè)計(jì)要求，測(cè)量試航水域深度約50～60 m，滿足試航要求。為此，對(duì)主機(jī)其他主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

3.1 ? 燃油齒條

主機(jī)燃油泵齒條刻度是反應(yīng)缸內(nèi)燃燒狀況最重要的指標(biāo)之一。供油量的多少，取決于主機(jī)的輸出功率及燃燒狀況：若實(shí)船主機(jī)油尺刻度長(zhǎng)期大于標(biāo)定下的主機(jī)油尺刻度，首先要考慮船-機(jī)-槳匹配是否合理，主機(jī)負(fù)荷是否偏重。該船海試時(shí)，燃油泵齒條刻度大于臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定值（見圖1）。

3.2 ? 增壓器轉(zhuǎn)速

增壓器轉(zhuǎn)速與主機(jī)的輸出功率有密切關(guān)聯(lián)，是反應(yīng)主機(jī)運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)：低于或高于標(biāo)定轉(zhuǎn)速，說(shuō)明增壓器本身或主機(jī)排氣系統(tǒng)異常。該船海試時(shí)，增壓器轉(zhuǎn)速明顯高于臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定值（見圖2），拆檢增壓器、主機(jī)排氣系統(tǒng)部件均未發(fā)現(xiàn)異常。

3.3 ? ?掃氣壓力

掃氣壓力受增壓器轉(zhuǎn)速影響，隨著主機(jī)輸出功率的增加，增壓器轉(zhuǎn)速會(huì)不斷上升，使掃氣壓力逐漸上升。若主機(jī)長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，將導(dǎo)致掃氣壓力上升，在惡劣海況航行時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致掃氣箱防爆閥開啟，影響主機(jī)安全運(yùn)行。該船試航時(shí)，主機(jī)掃氣壓力高于臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定值（見圖3）。

根據(jù)海試數(shù)據(jù)評(píng)估，認(rèn)為海試時(shí)主機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率已超出了螺旋槳理論特性曲線，且可能已經(jīng)觸發(fā)主機(jī)的扭矩限制。初步判斷為主機(jī)處于重扭矩工況狀態(tài)下（見圖4），即該船船-機(jī)-槳匹配不合理，且主機(jī)的主要性能參數(shù)（油尺、增壓器轉(zhuǎn)速、掃氣壓力）都與上述重扭矩工況相符。

3.4 ? 柴油機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)

為判別主機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，推算排溫、油尺、掃氣壓力等與運(yùn)行工況的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行了柴油機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)。該試驗(yàn)在公司試車臺(tái)6UEC33LSE-C2機(jī)上進(jìn)行：主機(jī)轉(zhuǎn)速128 r/min保持不變，逐漸加重水力測(cè)功器扭矩，逐步增加主機(jī)功率Ne，Ne+5%、Ne+8%、Ne+10%、Ne+13%、Ne+16%，并詳細(xì)記錄主機(jī)油尺刻度、排溫、增壓器轉(zhuǎn)速、掃氣壓力等的變化趨勢(shì);觀察到油尺刻度、掃氣壓力、增壓器轉(zhuǎn)速均同步增加，排氣溫度快速上升;當(dāng)主機(jī)功率增加至Ne+10%時(shí)，發(fā)現(xiàn)主機(jī)排溫、油尺刻度、掃氣壓力及增壓器轉(zhuǎn)速，趨近于海試時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速128 r/min時(shí)的排溫、油尺、掃氣壓力及增壓器轉(zhuǎn)速值（見表2）。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反推，主機(jī)海試時(shí)運(yùn)行在重負(fù)荷區(qū)域，其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)在螺旋槳特性曲線的上方，即重負(fù)荷區(qū)域（見圖5）。

根據(jù)負(fù)荷特性試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)：該船船-機(jī)-槳匹配不合理，導(dǎo)致主機(jī)運(yùn)行在重負(fù)荷區(qū)域（超負(fù)荷運(yùn)行），且超出標(biāo)定功率約10%;因模擬試驗(yàn)結(jié)果是在臺(tái)架試驗(yàn)上進(jìn)行，處于相對(duì)理想的狀態(tài)，而試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量相對(duì)精確。因此設(shè)計(jì)院可根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，校核船-機(jī)-槳是否匹配狀態(tài)是否合理，且可根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果對(duì)螺旋槳參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到船-機(jī)-槳的合理匹配。

4 ? ?主機(jī)故障解決措施

鑒于以上試驗(yàn)及分析結(jié)果，向該船的設(shè)計(jì)單位及造船廠送達(dá)有關(guān)分析報(bào)告，要求設(shè)計(jì)院、船廠重新調(diào)整船-機(jī)-槳的匹配狀態(tài)，并排除船體設(shè)計(jì)方面可能造成主機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行的因素，使主機(jī)運(yùn)行在其螺旋槳特性的下方，并保證足夠的儲(chǔ)備功率。

設(shè)計(jì)院、船廠根據(jù)我司模擬試驗(yàn)得出的結(jié)論，重新計(jì)算螺旋槳參數(shù)，并對(duì)螺旋槳槳葉進(jìn)行調(diào)整切割。調(diào)整完成后重新下水試航，對(duì)主機(jī)軸功率進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)功率均在標(biāo)定功率下方（見圖6），約為85%的標(biāo)定功率，保證了主機(jī)的功率儲(chǔ)備，滿載時(shí)航速達(dá)到設(shè)計(jì)要求，船-機(jī)-槳匹配較合理，可以較好地滿足主推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性 ? ? 和可靠性的要求。

同時(shí)，主機(jī)排氣溫度、油尺刻度、爆壓、掃氣壓力等主要性能指標(biāo)，均恢復(fù)到與臺(tái)架試驗(yàn)基本一致。

5 ? ?結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該船主柴油機(jī)性能、運(yùn)行參數(shù)的分析，并做了相關(guān)負(fù)荷特性試驗(yàn)，確認(rèn)故障的根本原因是船-機(jī)-槳匹配設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致主機(jī)運(yùn)行在重負(fù)荷區(qū)域。經(jīng)過(guò)修改螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終船-機(jī)-槳匹配不合理問(wèn)題得到解決。

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