某MT系列飽和潛水支持船的船機(jī)槳匹配分析

楊威

摘? ? 要：本文介紹CMHI121-MT6024和CMHI161-MT6023飽和潛水支持船在海上航行試驗(yàn)中，船舶正常航行或DP工況時(shí)，出現(xiàn)螺旋槳運(yùn)行轉(zhuǎn)速不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速或理論轉(zhuǎn)速，航速不能達(dá)到設(shè)計(jì)值。本文對(duì)其船機(jī)槳匹配特性進(jìn)行分析，找出問題原因，提出解決方案，經(jīng)整改后試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

關(guān)鍵詞：航行試驗(yàn);螺旋槳;機(jī)槳匹配;特性曲線

中圖分類號(hào)：U664.5? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis on Ship-engine-propeller Matching of MT Series Saturation Diving Support Vessel

YANG Wei

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 510725 ）

Abstract： In the sea trial of CMHI121-MT6024 and CMHI161-MT6023 saturation diving support vessels， the actual propeller speed cannot reach the rated speed or theoretical speed， and the ship speed cannot reach the design value when the vessel is under normal sailing or DP conditions.? Through the analysis on the ship-engine-propeller matching characteristics of the vessels， the cause of the problem is found， and the solution is put forward. the conclusion is drawn and the solution is put forward. After rectification， the test results meet the requirements.

Key words： Sea trial; Propeller; Ship-engine-propeller matching; Characteristic curve

1? ? ?前言

船舶的推進(jìn)裝置是將發(fā)動(dòng)機(jī)（如柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)）產(chǎn)生的機(jī)械能通過傳動(dòng)軸系傳遞給螺旋槳，從而產(chǎn)生推力推動(dòng)船舶航行。螺旋槳所產(chǎn)生的推力，用來抵抗船舶運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的合成阻力，當(dāng)船舶受到的推力與受到的阻力相等時(shí)，船舶將以恒速航行。

船、螺旋槳、發(fā)動(dòng)機(jī)三者，在運(yùn)行工況下是相互制約的。當(dāng)三者中任意一個(gè)特性變化，必定會(huì)導(dǎo)致其他兩者的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而影響三者工作特性的相互配合。船舶航行的航速、阻力等參數(shù)，不但受裝載量、風(fēng)浪、海況等的影響，還受船體的尺度和線型的影響。船舶在航行中有多種工況，運(yùn)轉(zhuǎn)工況不同，船、機(jī)、槳三者的配合狀況是不同的。所以要分析船舶、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳三者之間的匹配工作特性關(guān)系，需要首先獲取其各自的工作特性，然后將其工作特性間的匹配性進(jìn)行分析，以推斷推進(jìn)裝置匹配的合理性，鑒別推進(jìn)裝置的匹配形式在各工況下的工作能力和適應(yīng)性，并在設(shè)計(jì)中選擇一套滿足設(shè)計(jì)航速下的高效率、經(jīng)濟(jì)性好的的推進(jìn)匹配形式。

2? ? 船、機(jī)、槳三者基本特性

2.1? ?船舶阻力特性

船舶航行時(shí)，會(huì)受到相應(yīng)的航行阻力，其阻力主要來自于空氣和水。船舶總阻力包含：興波阻力、摩擦阻力和粘性阻力三大部分，對(duì)不同航速的船，這三部分阻力在總阻力中的占比是不同的。

船舶總阻力R與航行速度VS 的二次方成正比，即

R=K_RV_S²（1）

式中：K_R為阻力系數(shù);V_S為船舶的航速。

2.2? ? 螺旋槳特性

2.2.1進(jìn)程系數(shù)λ_p

螺旋槳在靜水中每旋轉(zhuǎn)一周的軸向前進(jìn)距離為hp， 螺旋槳的直徑為D，則螺旋槳的進(jìn)程系數(shù)λ_p為h_p/D表示。如果螺旋槳單位時(shí)間內(nèi)回轉(zhuǎn)n_p周，則螺旋槳的進(jìn)速v_p=h_pn_p，所以進(jìn)程系數(shù)λ_p為：

λ_p=v_p/Dn_p（2）

從公式（2）可以看出，對(duì)于給定槳徑為D的螺旋槳，進(jìn)程系數(shù)λp會(huì)隨著螺旋槳的進(jìn)速vp和轉(zhuǎn)速np的變化而變化，進(jìn)程系數(shù)λ_p是表示螺旋槳運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)重要的參數(shù)。

2.2.2水動(dòng)力特性

螺旋槳旋轉(zhuǎn)會(huì)形成推力T，同時(shí)也受到水的阻力，該阻力矩Mp的作用方向與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。所以當(dāng)螺旋槳的進(jìn)程系數(shù)與轉(zhuǎn)速一定時(shí)，產(chǎn)生的推力和阻力矩的大小也是一定的。

螺旋槳的推力T，可表示為：

T =K_Tρn_p²D⁴（3）

螺旋槳的扭矩Mp，可表示為：

M_p= K_Mρn_p²D⁴（4）

上兩式中：K_T、K_M分別稱為螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù);ρ為水的密度。

2.2.3 敞水特性曲線

螺旋槳的推力系數(shù)K_T和扭矩系數(shù)K_M，與進(jìn)程系數(shù)λ_p呈一定的函數(shù)變化關(guān)系，K_T和K_M與λ_p的函數(shù)關(guān)系曲線，稱為敞水特性曲線，如圖1所示。

從圖1可以看出：KT和KM隨進(jìn)程系數(shù)λp增大而減小，并且螺旋槳的推力T和阻力矩 Mp 與λp也有相同的函數(shù)變化關(guān)系。

2.2.4 推進(jìn)特性

根據(jù)公式（3）（4）可知，對(duì)于給定的外形參數(shù)，在海況和操作工況穩(wěn)定的情況下，λp、T、 Mp基本保持不變，皆可視為常數(shù)，那么螺旋槳的推力公式和扭矩公式可以近似的寫為：

T =C₁n_p²（5）

M_p= C₂n_p^2?（6）

從公式（5）、（6）可以看出：螺旋槳的推力T和扭矩Mp與轉(zhuǎn)速np的平方成正比;而代表螺旋槳負(fù)荷的進(jìn)程系數(shù)λ_p的變化又會(huì)引起曲線的變化，所以螺旋槳的扭矩與轉(zhuǎn)速的推進(jìn)特性曲線圖如圖2所示，曲線圖中λ₁<λ₂<λ₃，而對(duì)應(yīng)的螺旋槳的負(fù)荷是由高到低。

2.3? ?電動(dòng)推進(jìn)器交流異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線

船用電動(dòng)推進(jìn)器，一般由三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。下面分析異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速的特性曲線。

從圖3可知：bd段為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域， bc段為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，所以電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行區(qū)域僅為bd段，也就是說電動(dòng)機(jī)最后會(huì)根據(jù)外部加載負(fù)荷對(duì)應(yīng)的扭矩和轉(zhuǎn)速而穩(wěn)定在bd段的某一個(gè)點(diǎn);又因?yàn)閎d段大部分區(qū)域接近直線，所以在后續(xù)內(nèi)容中主要以近似直線來表示在各種工況下，機(jī)槳配合特性曲線圖中異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線。

通常，異步電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速的方法（如圖4）。

（1）調(diào)整磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速;

（2）調(diào)整轉(zhuǎn)差率的調(diào)速;

（3） 調(diào)整電網(wǎng)的頻率調(diào)速。

在額定頻率和轉(zhuǎn)速以下，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性曲線是最大扭矩不變，稱為恒轉(zhuǎn)矩模式;反之則是最大功率不變，稱為恒功率模式。

船、機(jī)、槳在整體運(yùn)行工況下是互相牽制和互有聯(lián)系的，其中某一個(gè)特性改變，會(huì)導(dǎo)致其他兩者的運(yùn)行狀態(tài)的改變，進(jìn)而導(dǎo)致三者配合工作特性的改變。三者的選型是為了滿足設(shè)計(jì)航速下最合適的推進(jìn)裝置匹配形式，同時(shí)也要滿足在某些特定非設(shè)計(jì)工況下船機(jī)槳匹配工作的能力和適應(yīng)性，力求最合理的船機(jī)槳的匹配組合。

3? ? ?存在的問題及解決措施

3.1? ?存在的問題

由我司設(shè)計(jì)建造的MT系列大型多功能飽和潛水支持船，配有DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)。其中： CMHI121-MT6024尾部配2臺(tái)電動(dòng)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，定距槳，功率3325 kW，電動(dòng)機(jī)1 200 r/min、660 V、60 Hz;CMHI161-MT6023首部配有3臺(tái)管隧式電動(dòng)側(cè)推進(jìn)器，定距槳，功率1 800 kW，電動(dòng)機(jī)880 r/min、660 V、60 Hz。

CMHI121-MT6024在航行測(cè)速試驗(yàn)時(shí)，氣象和環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)力不大于蒲式風(fēng)標(biāo)3級(jí)，浪級(jí)不大于2級(jí)，潮流平穩(wěn)，試驗(yàn)水深不小于25 m，船舶平均吃水5 m，船體狀態(tài)平穩(wěn)。試驗(yàn)過程中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)顯示扭矩已達(dá)到額定值時(shí)，主推進(jìn)器轉(zhuǎn)速卻沒有達(dá)到額定值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流也沒有達(dá)到額定值，船舶航速達(dá)不到設(shè)計(jì)航速。

CMHI161-MT6023在做DP系統(tǒng)整定時(shí)，首側(cè)推的轉(zhuǎn)速也沒有達(dá)到額定值， KM廠家建議在DP系統(tǒng)整定值數(shù)據(jù)記錄表格中填寫實(shí)際運(yùn)行達(dá)到的轉(zhuǎn)速和功率，而不是填寫理論設(shè)計(jì)值。

3.2? ?原因分析及解決措施

（1）CMHI121-MT6024原因分析

根據(jù)公式（3）可知，螺旋槳的推力與其轉(zhuǎn)速的平方呈正比關(guān)系，螺旋槳推力沒有達(dá)到額定值，其主要原因是螺旋槳偏重導(dǎo)致的，可以結(jié)合前述異步電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的各自特性曲線加以分析（見圖5）：

圖5中曲線3為負(fù)荷較大的螺旋槳的特性曲線，曲線4為負(fù)荷較小的螺旋槳推進(jìn)特性曲線，即曲線3進(jìn)程系數(shù)小于曲線4的進(jìn)程系數(shù);曲線1為CMHI121-MT6024在船舶航速?zèng)]有達(dá)到時(shí)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和螺旋槳推進(jìn)特性曲線匹配的交點(diǎn)a對(duì)應(yīng)的螺旋槳的轉(zhuǎn)速為n₁，顯然并沒有達(dá)到額定轉(zhuǎn)速n_N;而此時(shí)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線相交的為負(fù)荷較大的曲線3，如果螺旋槳實(shí)際負(fù)荷相對(duì)較小，如曲線4對(duì)應(yīng)的螺旋槳?jiǎng)t與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線1的交點(diǎn)c對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速就能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速n_N。因此，可以判定螺旋槳選型偏重，導(dǎo)致航速不能達(dá)到設(shè)計(jì)值，螺旋槳實(shí)際推進(jìn)特性為曲線3。

此時(shí)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)必須發(fā)出更大的扭矩驅(qū)動(dòng)螺旋槳，使螺旋槳增加轉(zhuǎn)速，從而發(fā)出更大的推力，工作于b點(diǎn)。通常，通過增加電源供電頻率來調(diào)整推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性曲線，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線平移至曲線2的位置，與螺旋槳推進(jìn)特性曲線3相交于b點(diǎn)，此時(shí)b點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺旋槳的轉(zhuǎn)速能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速n_N，此時(shí)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出功率稍有增加，一般電機(jī)選型會(huì)留有一定功率裕度，所以在實(shí)際船舶測(cè)速試驗(yàn)中，通過調(diào)整頻率增加螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使船舶航速達(dá)到設(shè)計(jì)航速值，問題得到解決。

（2）CMHI161-MT6023原因分析

按上述機(jī)槳配合理論，在當(dāng)時(shí)DP系統(tǒng)整定的工況下，由于船舶航速較低，即首側(cè)推螺旋槳的進(jìn)速較小，導(dǎo)致代表螺旋槳負(fù)荷的進(jìn)程系數(shù)比較小，此時(shí)螺旋槳處于重槳狀態(tài)，如圖6所示。

但并不表示螺旋槳一直會(huì)在此工況運(yùn)行。隨著船舶吃水、浮態(tài)的調(diào)整和運(yùn)動(dòng)速度增加，螺旋槳的進(jìn)程系數(shù)會(huì)增加，推進(jìn)特性曲線將由重槳逐漸變化到輕槳，即由特性曲線2變化到曲線3;而與電動(dòng)機(jī)特性轉(zhuǎn)矩曲線1的交點(diǎn)，由a變化到b，隨之對(duì)應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速也會(huì)由低速n₁增大到額定轉(zhuǎn)速n_N，所以最初出現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)不到并不代表有機(jī)槳匹配不合理的情況，所以船方堅(jiān)持要求KM廠家在DP系統(tǒng)整定值數(shù)據(jù)記錄表格中，填寫的額定轉(zhuǎn)速和功率值是合理的。

（3）解決措施

在實(shí)際航行中，船舶所處的各種工況和遭遇的海況等外部條件是十分復(fù)雜和多變的，并且發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)在惡劣環(huán)境中性能老化機(jī)械效率下降，發(fā)不出最大持續(xù)功率。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)提供電力供電推進(jìn)器，為了保證原動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期可靠的運(yùn)行，即使因外界各種原因?qū)е麓昂叫凶枇υ黾?，也能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定航速不變。也就是當(dāng)螺旋槳的推進(jìn)特性曲線由輕載變化到重載之后，轉(zhuǎn)矩和功率增加以保證轉(zhuǎn)速不變，這就要求在設(shè)計(jì)選型階段選配的原動(dòng)機(jī)有足夠功率貯備，保證推進(jìn)電動(dòng)機(jī)有足夠推力保證船舶航速，使原動(dòng)機(jī)能長(zhǎng)期保持持續(xù)服務(wù)功率，在一定情況下甚至有余量發(fā)出更大功率。

對(duì)于柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的船舶，也不排除有的船舶在設(shè)計(jì)選型階段，以螺旋槳轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷100%功率的船機(jī)槳匹配的平衡交點(diǎn)，作為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。此時(shí)雖然發(fā)動(dòng)機(jī)功率沒有留出裕度，但是一般會(huì)在設(shè)計(jì)階段把船體的阻力增加一定的貯備裕度，這樣匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)的功率相應(yīng)也就增加了裕度;或者有的船舶在機(jī)槳選型階段，用提高螺旋槳的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的方式去匹配發(fā)動(dòng)機(jī)，稱之為轉(zhuǎn)速貯備。

無論上述哪種情況，發(fā)動(dòng)機(jī)的需留有一定的功率儲(chǔ)備或者轉(zhuǎn)速貯備，讓螺旋槳設(shè)計(jì)得更輕，這樣可避免在船舶長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)后，由于各種原因使船體阻力增加或海況變差而導(dǎo)致螺旋槳變重，使螺旋槳轉(zhuǎn)速不夠而達(dá)不到船舶所需的航速。

4? ? 結(jié)束語

眾所周知，不同航行工況、不同海況條件下機(jī)槳配合的特性曲線交點(diǎn)位置是隨之變化的，對(duì)應(yīng)于不同的匹配關(guān)系。推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮各種不同工況的機(jī)槳匹配情況，特別是在最不利的工況點(diǎn)，如大風(fēng)浪、進(jìn)出港等重負(fù)荷工況。

參考文獻(xiàn)

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