全回轉(zhuǎn)式調(diào)距槳港作船降耗初探

付昭斌 孫成琪 鄭燕祥

摘 要：為解決全回轉(zhuǎn)式港作拖船高油耗的問題，本文在分析調(diào)距槳主要特性和控制方式的基礎(chǔ)上，全面分析了影響油耗的因素，進(jìn)而提出降耗的措施。

關(guān)鍵詞：主機(jī)轉(zhuǎn)速;油耗;調(diào)距槳;全回轉(zhuǎn)式

中圖分類號：U674.24 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0122-03

港口是對外經(jīng)濟(jì)交流的窗口和現(xiàn)代物流業(yè)的重要環(huán)節(jié)，作為船舶港內(nèi)安全作業(yè)的重要輔助工具，港作拖船燃油消耗直接影響了拖輪公司的經(jīng)營成本。因其優(yōu)良的船舶操縱特性，全回轉(zhuǎn)式港作拖船已經(jīng)成為港口拖船使用的首選。但相比其他港作拖船而言，全回轉(zhuǎn)式調(diào)距槳拖船的油耗普遍較高。因此，如何降低全回轉(zhuǎn)式港作拖船的油耗，顯得非常必要。

圍繞降耗問題，馮樹強(qiáng)[1]提出控制船舶速度等措施來降低油耗;潘永良[2]在分析拖船運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出遵循熱工運(yùn)行規(guī)律，增強(qiáng)節(jié)能降耗意識等措施來降耗;王偉[3]提出合理調(diào)整船舶吃水差來降低遠(yuǎn)洋船舶油耗的措施;曹用順、陸漢林[4，5]認(rèn)為采用經(jīng)濟(jì)航速節(jié)能效果顯著;莫司丞[6]采用魚翅分析法，研究得出設(shè)備自身質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行環(huán)境和管理是引起粵海鐵路火車渡輪主機(jī)高油耗的主要原因;張琳[7]認(rèn)為可通過優(yōu)化拖輪調(diào)度計(jì)劃和改變駕駛行為等措施來降低油耗。上述研究是從某個(gè)方面研究了全回轉(zhuǎn)式港作船的油耗情況。本文擬在分析全回轉(zhuǎn)式推進(jìn)器的主要特性和控制方式的基礎(chǔ)上，全面分析影響油耗的因素，進(jìn)而提出降低油耗的措施。

1全回轉(zhuǎn)式調(diào)距槳工作原理及主要特性

1.1調(diào)距槳工作原理

根據(jù)螺旋槳理論，當(dāng)流體以某一速度w與螺旋槳槳葉弦線以某一攻角α流入時(shí)，將在槳葉處產(chǎn)生垂直于w的升力和翼型阻力D，此合力可平行或垂直于螺旋槳軸線進(jìn)行分解，可得推力T和旋轉(zhuǎn)阻力D。在固定螺距下，只能通過調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速n來改變水動力角，實(shí)現(xiàn)船舶的加減速操作;但對于可調(diào)螺距螺旋槳，除此之外，還可通過改變槳葉葉片處的螺距角方式，改變水動力角，從而實(shí)現(xiàn)船舶加減速操作。另外，全回轉(zhuǎn)調(diào)距槳沒有舵機(jī)，改變螺旋槳導(dǎo)流管回轉(zhuǎn)角度，可以控制船舶的航向，起到了舵機(jī)的作用。

1.2 調(diào)距槳的主要特性

根據(jù)文獻(xiàn)[8，9]，調(diào)距槳的主要特性如下：

（1）可以根據(jù)不同的工況，調(diào)整螺距角，始終保持螺旋槳推進(jìn)效率處于最佳狀態(tài)。相同轉(zhuǎn)速下，隨螺距角的增大，螺旋槳效率呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢;相同螺距角下，螺旋槳的效率隨轉(zhuǎn)速的增大而提高，但變化規(guī)律因進(jìn)程比的不同而有差異;

（2）主機(jī)轉(zhuǎn)速n和調(diào)距槳直徑D一定時(shí)，可以通過保持螺旋槳扭矩系數(shù)KQ不變，調(diào)節(jié)螺距比P/D，既能達(dá)到航速穩(wěn)定的目的，又能充分發(fā)揮主機(jī)額定功率;

（3）保持調(diào)距槳直徑D不變，可以同時(shí)調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速n和螺距比P/D，實(shí)現(xiàn)給定的推進(jìn)力，穩(wěn)定所需航速;

（4）在主機(jī)轉(zhuǎn)速n不變的情況下，可以通過調(diào)節(jié)螺距比P/D，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退時(shí)的最大航速;

（5）在雙調(diào)距槳工作時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)螺旋槳推進(jìn)方向，配合主機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)船舶的原地旋轉(zhuǎn)、橫移。

2 全回轉(zhuǎn)式調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)控制方式

常見的全回轉(zhuǎn)式可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)控制方法有獨(dú)立控制、組合控制和非跟蹤控制三種。

2.1獨(dú)立控制

獨(dú)立控制方式意指分別操控主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄和可調(diào)螺距旋鈕。這種控制方式下，可調(diào)螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速是獨(dú)立控制的，彼此之間毫無關(guān)聯(lián)，操作相對較為復(fù)雜。需要駕駛員極為熟悉可調(diào)螺距螺旋槳的工作原理及性能，以及主機(jī)轉(zhuǎn)速和可調(diào)螺距的最佳匹配關(guān)系，否則，極易因操作不當(dāng)，致使螺旋槳出現(xiàn)空泡、效率低和主機(jī)出現(xiàn)超載、失速等現(xiàn)象。因此，一般不選擇這種控制方式。

2.2組合控制

組合控制是在推進(jìn)系統(tǒng)預(yù)編某一工況下主機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距角匹配程序的情形下，通過控制操控主機(jī)轉(zhuǎn)速，螺距角按照預(yù)先編制的程序自動追隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方式。如“湛港消拖601”是通過調(diào)節(jié)主機(jī)轉(zhuǎn)速，螺距角則自動追隨主機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)系統(tǒng)的控制。同時(shí)，通過順時(shí)針（或逆時(shí)針）旋轉(zhuǎn)主機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)手柄根部的大圓盤，調(diào)節(jié)導(dǎo)流管的方向與船舶中心線的方向。相應(yīng)的螺距角、主機(jī)轉(zhuǎn)速等都在控制臺的儀表上顯示。

組合控制的優(yōu)點(diǎn)主要在于操作簡單，且能確保在設(shè)定工況下有最低燃油消耗。但這種控制方式下的最低油耗僅局限于所設(shè)定的工況，一旦工況發(fā)生改變，也就難以保證有最低燃油消耗。

2.3非跟蹤控制

作為上述兩種控制方式的備用控制方式，非跟蹤控制一般在應(yīng)急時(shí)使用。當(dāng)螺距控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可利用駕駛臺上的應(yīng)急操縱按鈕，直接控制螺距;或者是將螺距固定在某一位置，將它作為定距槳來使用。

3油耗分析

3.1船舶阻力

運(yùn)營中的船舶所受到阻力總量RT由基本阻力R0和附加阻力ΔR兩大部分構(gòu)成，基本阻力受船速、排水量和船型等諸多因素的影響[10]，主要由摩擦阻力、興波阻力、渦流阻力和空氣阻力組成。摩擦阻力一般為總阻力的70～90%，主要與濕水面積、船體光潔度和船速有關(guān)。船體表面粗糙度越大，附加阻力越大，可使船舶總阻力增加25～50%。

3.2 定速航行

船速是影響船舶摩擦阻力的主要因素。摩擦阻力總阻力中的大小主要取決于船速的大小，基本上以船速的二次方速率迅速增大。若定速航行的速度越高，船舶所受到的航行總阻力自然就越高，相應(yīng)的油耗也就越高。

3.3可調(diào)螺距螺旋槳螺距與主機(jī)轉(zhuǎn)速匹配

在協(xié)助大船靠、離泊作業(yè)或旋回作業(yè)時(shí)，拖船需要根據(jù)大船的操縱意圖，提供有效的推力。通常情況下，拖船最大推力是由大船指揮者以“車鐘令”的形式下達(dá)，而拖船上主機(jī)轉(zhuǎn)速均與車鐘令一一對應(yīng)。因此，只需研究既定轉(zhuǎn)速時(shí)可調(diào)螺距螺旋槳最大推力及最佳螺距和轉(zhuǎn)速的匹配關(guān)系，即可達(dá)到節(jié)能的目的[11]。

當(dāng)額定扭矩和額定轉(zhuǎn)速一定時(shí)，扭矩系數(shù)為常數(shù)（公式）。從公式不難看出：與成正比，與轉(zhuǎn)速的平方成反比。

根據(jù)進(jìn)程比計(jì)算公式，進(jìn)程比與進(jìn)速成正比，而與該額定轉(zhuǎn)速成反比。

因此，可根據(jù)和在螺旋槳特性工作曲線圖，查取相應(yīng)的螺距比和推力系數(shù)。再按照推力的計(jì)算公式，計(jì)算不同航速時(shí)的最大推力。

3.4頂推或拖拉著力點(diǎn)

頂推點(diǎn)或拖拉著力點(diǎn)的不同，同等頂推力或拖拉力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩是不同的。頂推點(diǎn)越靠近大船船中，同樣轉(zhuǎn)船力矩情形下，需要的頂推力越大。因此當(dāng)協(xié)助大船掉頭操作時(shí)，宜選擇大船首尾最遠(yuǎn)端系靠，可在同等主機(jī)輸出功率時(shí)能提供最大的轉(zhuǎn)船力矩，以此降低拖船的油耗。

3.5 其他

主機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，如噴油嘴霧化狀態(tài)、設(shè)備是否“跑、冒、漏”、燃油燃燒是否充分等等，也是影響主機(jī)油耗的原因。船舶的吃水和吃水差對船舶的快速性有一定的影響，不合理的吃水和吃水差也會引起船舶油耗的額外增加。

4 降耗的主要對策分析

4.1 定速航行采用經(jīng)濟(jì)航速

因港口拖船配置或海況的原因，港作拖船承擔(dān)了部分引航員登、離船的接送任務(wù)，拖船與引航員登、離船點(diǎn)有一段較遠(yuǎn)的距離。有時(shí)拖船停駐點(diǎn)至作業(yè)地點(diǎn)也有較遠(yuǎn)的航程，因此，從降低油耗的角度，宜采用合適的經(jīng)濟(jì)航速。

4.2研究主機(jī)技術(shù)資料，總結(jié)和歸納不同工況下可調(diào)螺距與主機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳匹配

“組合控制”的推進(jìn)系統(tǒng)控制方式，雖然操作簡單，但這種控制方式下的可調(diào)螺距（螺距角）與主機(jī)轉(zhuǎn)速僅僅是適合某一固定海況下的最佳匹配，并不適用于所有的海況，難以保證最好的有效推進(jìn)效率。因此，需要圍繞可調(diào)螺距與主機(jī)轉(zhuǎn)速的最佳匹配，研究船舶柴油機(jī)各類技術(shù)資料，特別是燃油曲線圖等，總結(jié)和歸納不同工況下的最佳匹配，以期達(dá)到節(jié)能的效果。

4.3 合理選擇控制方式

推進(jìn)系統(tǒng)有多種控制方式，可同時(shí)或獨(dú)立操作螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)還可操作導(dǎo)流管與船舶中心線的偏轉(zhuǎn)夾角。駕駛員熟悉不同的控制方式下螺距角與主機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配度，需根據(jù)作業(yè)環(huán)境和工況，合理選擇控制方式。在“獨(dú)立控制”模式下，密切關(guān)注螺距角與主機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配度，使之處于最佳匹配狀態(tài)。

4.4 合理選擇系靠點(diǎn)進(jìn)行降耗

港作拖船主要為大船港內(nèi)作業(yè)時(shí)，提供大船旋轉(zhuǎn)或調(diào)整航向時(shí)的轉(zhuǎn)船力矩或攏岸、離岸時(shí)的橫向運(yùn)動的推力或拖拉力。著力點(diǎn)的不同，決定了相同推力或拖拉力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)船力矩的異樣。因此，當(dāng)大船在決定拖船的系泊點(diǎn)時(shí)，可以向大船指揮者提出合理化的建議。

4.5 加強(qiáng)船舶機(jī)器設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，保持機(jī)器設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)

平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對機(jī)器設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，尤其是對主機(jī)進(jìn)行定期維護(hù)，密切關(guān)注主機(jī)噴油嘴的霧化和燃燒情況，始終保持機(jī)器設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，杜絕“跑、冒、漏”現(xiàn)象。

4.6 其他

加強(qiáng)對船體的維護(hù)，定期刮擦船體附著物，保持船體的光潔度;為降低船舶的油耗，應(yīng)保持合適的吃水和吃水差，以提高船舶的快速性。同時(shí)應(yīng)從管理層面建立激勵機(jī)制，實(shí)行船舶維護(hù)保養(yǎng)、油耗率與獎罰掛鉤，激勵船員積極進(jìn)行船舶的維護(hù)保養(yǎng)，鼓勵船員鉆研業(yè)務(wù)，改善操作習(xí)慣。

5 結(jié)語

本文分析了全回轉(zhuǎn)式調(diào)距槳港作船油耗的影響因素，進(jìn)而提出了降低油耗的對策，可供拖船在實(shí)際操作時(shí)作為參考。不同工況下螺距與主機(jī)轉(zhuǎn)速最佳匹配，是影響油耗的關(guān)鍵，將是下一步的研究重點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：“湛港消拖 601”輪機(jī)槳協(xié)調(diào)控制策略的研究（LT18JS001）