雙速齒輪箱在耙吸挖泥船上的運(yùn)用分析

饒廣龍，王樂(lè)，劉學(xué)勤，胡敏芝

(中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司第七O八研究所，上海 200011)

耙吸式挖泥船與普通航行船舶不同，工況復(fù)雜多變，根據(jù)挖泥任務(wù)，通?？煞譃樗膫€(gè)階段[1-2]，見(jiàn)表1。

表1 挖泥船典型工況分布

目前，耙吸式挖泥船常見(jiàn)動(dòng)力配置有機(jī)械推進(jìn)和電力推進(jìn)，而對(duì)于大型挖泥船常采用單機(jī)功率較大的機(jī)械推進(jìn)方式。主機(jī)由于需要帶發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速須保持穩(wěn)定以滿足船上電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。為了適應(yīng)復(fù)雜多變的工況，常采用減速齒輪箱帶可調(diào)螺旋槳的方式[3]。在配置單速比齒輪箱的設(shè)計(jì)方案中，因全速自由航行(逆流)時(shí)的推進(jìn)功率最大，故往往以該工況作為螺旋槳的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，這樣設(shè)計(jì)將導(dǎo)致只能保證該工況的螺旋槳推進(jìn)效率較高，而對(duì)于其他需要較大范圍調(diào)節(jié)螺距以匹配航速的工況，則無(wú)法保證螺旋槳效率。由表1可以看出，順流航行、低速挖泥工況和抽艙排岸工況的時(shí)間占比達(dá)到66%，若在這段時(shí)間中，螺旋槳都無(wú)法在一個(gè)較高效率的狀態(tài)下工作，則將浪費(fèi)主機(jī)的功率，嚴(yán)重影響挖泥船的經(jīng)濟(jì)性能。為此，考慮雙速齒輪箱的運(yùn)用[4]，兼顧各工況下的螺旋槳效率，減少主機(jī)功率損失。

1 雙速齒輪箱的特點(diǎn)

雙速齒輪箱與單速比齒輪箱結(jié)構(gòu)的不同之處在于，增加了1根中間軸以布置第2對(duì)減速齒輪組[5]?？煞譃殡p離合器型式和三離合器型式。

3離合器雙速齒輪箱傳動(dòng)原理見(jiàn)圖1、2。

圖1 3離合器雙速齒輪箱低速模式

圖2 3離合器雙速齒輪箱高速模式

相較于單速比齒輪箱，雙速齒輪箱增加了1根中間軸和1對(duì)減速齒輪組。該齒輪組的布置可根據(jù)用戶需求在一定范圍內(nèi)布置，將影響齒輪箱高度或?qū)挾确较蛏系耐庑纬叽?，而長(zhǎng)度方向尺寸不受影響，因此可在不影響軸系布置的情況下，將雙速齒輪箱布置在原單速比齒輪箱的位置。

2 雙速齒輪箱應(yīng)用節(jié)能原理

針對(duì)挖泥船低速工況和高速工況，通過(guò)雙速齒輪箱，使得螺旋槳對(duì)應(yīng)2個(gè)不同轉(zhuǎn)速，而這2組轉(zhuǎn)速-航速組合可匹配到相近的槳葉螺距比，保證在設(shè)計(jì)螺旋槳工況點(diǎn)時(shí)，可兼顧到兩種不同航速工況時(shí)的螺旋槳效率。

以某13 800 m3型挖泥船為例。

該船配置2臺(tái)9 120 kW恒轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，柴油機(jī)自由端驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī),飛輪端接雙速齒輪箱。根據(jù)設(shè)計(jì)情況，齒輪箱2個(gè)轉(zhuǎn)速分別為126和101 r/min，見(jiàn)圖3。

圖3 某型挖泥船動(dòng)力配置情況

2.1 沿海作業(yè)工況對(duì)比

以對(duì)地航行速度13 kn、較快水流4 kn、較慢水流2.5 kn、拋泥區(qū)距離30 n mile為假設(shè)前提對(duì)126 r/min高速檔和101 r/min低速檔的功率等進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖4可見(jiàn)，在挖泥工況推進(jìn)齒輪箱低轉(zhuǎn)速檔比高轉(zhuǎn)速檔節(jié)約功率；而自由航行工況，在船舶航速小于14 kn時(shí)，低轉(zhuǎn)速檔時(shí)的螺旋槳消耗功率小于高轉(zhuǎn)速檔所需功率，低轉(zhuǎn)速檔的優(yōu)勢(shì)在13～14 kn之間到達(dá)臨界點(diǎn)，超過(guò)該臨界航速的自由航行工況則推薦選用高轉(zhuǎn)速檔。

圖4 沿海作業(yè)126、101 r/min推進(jìn)特性曲線對(duì)比

在幾個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)下，主機(jī)功率消耗差值及柴油機(jī)的耗油差值見(jiàn)表2。以10 d施工天數(shù)作為1個(gè)考核周期，低速檔轉(zhuǎn)速選擇101 r/min時(shí)，在沿海施工的油耗對(duì)比見(jiàn)表3、4。

表2 沿海126、101 r/min不同轉(zhuǎn)速功率節(jié)約及油耗對(duì)比

表3 沿海正常水流采用126、101 r/min雙速齒輪箱10 d作業(yè)油耗分析

2.2 長(zhǎng)江下游作業(yè)工況對(duì)比分析

長(zhǎng)江下游施工作業(yè)根據(jù)洪水季作業(yè)、枯水季作業(yè)工況進(jìn)行分析，每種工況細(xì)分成挖泥、卸泥、逆流航行、順流航行等多個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行比較，以對(duì)地航行速度11 kn、洪水季水流4 kn、枯水季水流1.5 kn、拋泥區(qū)距離30 n mile、采用抽艙排岸為假設(shè)前提對(duì)126 r/min高速檔和101 r/min低速檔的功率等進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 沿海較慢水流采用126、101 r/min雙速齒輪箱10 d作業(yè)油耗分析

由圖5可見(jiàn)，在挖泥工況，推進(jìn)齒輪箱低轉(zhuǎn)速檔比高轉(zhuǎn)速檔節(jié)約功率；而在自由航行工況，當(dāng)船舶航速小于14 kn時(shí)，低轉(zhuǎn)速檔時(shí)的螺旋槳消耗功率小于高轉(zhuǎn)速檔所需功率，低轉(zhuǎn)速檔的優(yōu)勢(shì)在13～14 kn之間到達(dá)臨界點(diǎn)，超過(guò)該臨界航速的自由航行工況則推薦選用高轉(zhuǎn)速檔。

圖5 長(zhǎng)江下游作業(yè)126、101 r/min推進(jìn)特性對(duì)比

在幾個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)下，選用101 r/min低轉(zhuǎn)速檔與126 r/min高轉(zhuǎn)速檔進(jìn)行對(duì)比，主機(jī)功率消耗差值及柴油機(jī)的耗油差值如表5。

表5 長(zhǎng)江下游126～101 r/min轉(zhuǎn)速對(duì)比節(jié)約功率的作業(yè)環(huán)節(jié)明細(xì)表

以10 d施工天數(shù)作為一個(gè)考核周期，低速檔轉(zhuǎn)速選擇101 r/min時(shí)，在長(zhǎng)江下游施工的油耗對(duì)比見(jiàn)表6、7。

表6 長(zhǎng)江下游洪水季采用126、101 r/min雙速齒輪箱10 d作業(yè)油耗分析

表7 長(zhǎng)江下游枯水季采用126、101 r/min雙速齒輪箱10 d作業(yè)油耗分析

3 雙速齒輪箱節(jié)能效果實(shí)船對(duì)比分析

在某13 800 m3自航耙吸挖泥船海試過(guò)程中，進(jìn)行雙速齒輪箱的節(jié)能效果對(duì)比，見(jiàn)表8。

由表8可見(jiàn)，在相同裝載情況下，低航速時(shí)，低速檔比高速檔更節(jié)省功率，節(jié)省值約2%～6%；隨著航速增加，二者差距變??；螺旋槳軸總功率約12 000 kW(即單軸約6 000 kW)為高低速檔切換點(diǎn)。

表8 某13 800 m3挖泥船雙速齒輪箱運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比(海試)

在相同裝載情況下，低航速時(shí)，低速檔比高速檔更節(jié)省油耗，節(jié)省值約1%～5%；隨著航速增加，二者差距變小；航速14.2 kn附近為高低速檔切換點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋槳軸總功率約為10 000 kW。

結(jié)合以上分析，建議將高低速檔切換點(diǎn)設(shè)置在單軸5 000～6 000 kW，當(dāng)單槳軸功率較高時(shí)，建議使用高速檔；當(dāng)單槳軸功率較低時(shí)，建議使用低速檔。

為進(jìn)一步驗(yàn)證雙速齒輪箱的節(jié)能效果，在某13 800 m3耙吸挖泥船于湛江龍騰航道內(nèi)施工運(yùn)營(yíng)中，分別采用高速檔和低速檔各運(yùn)行2周(通航限制，航道內(nèi)航行速度不能超過(guò)14 kn)，對(duì)比總油耗、萬(wàn)m3油耗及每小時(shí)油耗，見(jiàn)表9。

表9 某13 800 m3挖泥船雙速齒輪箱運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比(湛江運(yùn)營(yíng))

從表9可見(jiàn)，采用低速檔可以有效降低油耗，萬(wàn)m3油耗降低了約13.4%，每小時(shí)油耗降低約11.8%。因此在這種情況下，采用低速檔進(jìn)行施工是具有良好的節(jié)能效果的。

4 結(jié)論

采用雙速齒輪箱的配置，在挖泥、泥門卸泥、抽艙排岸和順流航行等槳軸功率較低的工況下，采用101 r/min低轉(zhuǎn)速檔推進(jìn)；在逆流高速航行等槳軸功率較高的工況下，采用126 r/min高轉(zhuǎn)速檔推進(jìn)，可節(jié)省較多的主機(jī)功率；高低檔位的切換點(diǎn)約在單槳軸功率5 000～6 000 kW之間。同時(shí)，由于在部分工況下螺旋槳轉(zhuǎn)速降低，有利于減緩槳葉的磨損，對(duì)延長(zhǎng)槳葉壽命有重大幫助。

對(duì)于工況、航速變化較大的耙吸式挖泥船，雙速齒輪箱的運(yùn)用具有理念先進(jìn)、技術(shù)可行的特點(diǎn)，可為船舶帶來(lái)不俗的節(jié)能效果，值得廣泛推廣與運(yùn)用。