某客滾輪船-機-槳匹配分析及螺旋槳優(yōu)化

仉永超　劉丹丹　李廣輝　吳本坤

摘要：為解決某客滾輪試航時出現(xiàn)的主機超負荷、轉(zhuǎn)速無法升高故障，采用CATIA軟件對船體建模，利用STAR-CCM+軟件進行船體水動力仿真，通過船體阻力計算、系泊特征校核、自由航行計算，確定故障原因為螺旋槳較重，匹配不合理，與實船測試結(jié)果一致。對螺旋槳進行優(yōu)化，設(shè)計理論高效槳并進行匹配分析，結(jié)果表明：更換新槳后，船舶最高航速達到15 kn，提升0.2 kn，且主機功率儲備為15%，滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：客滾船；船-機-槳匹配；螺旋槳

中圖分類號：U674文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0067-06

引用格式：仉永超，劉丹丹，李廣輝，等. 某客滾輪船-機-槳匹配分析及螺旋槳優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（4）：67-72.

ZHANG Yongchao， LIU Dandan， LI Guanghui， et al. Ship-engine-propeller matching and propeller optimization design of a ro-ro passenger ship［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：67-72.

0 引言

新船設(shè)計過程中，若船體阻力預(yù)估不準確，或螺旋槳匹配不合理，試航時船舶常出現(xiàn)冒黑煙、主機超負荷、轉(zhuǎn)速無法升高等問題，不僅影響船舶快速性和經(jīng)濟性，而且惡劣天氣下還可能因為主機功率儲備不足而出現(xiàn)安全問題[1]。本文中，以某50車客滾輪為例，分析船-機-槳匹配情況，對螺旋槳進行優(yōu)化，解決該輪試航過程中出現(xiàn)的主機超負荷、轉(zhuǎn)速無法升高的故障。

1 船舶故障分析及螺旋槳修邊

1.1 船舶及原始螺旋槳參數(shù)

該客滾輪用于大陸與某海島之間的旅游擺渡，在新船試航過程中出現(xiàn)主機超負荷、冒黑煙、轉(zhuǎn)速無法升高等故障。該客滾輪船舶參數(shù)、原始螺旋槳參數(shù)分別如表1、2所示。

1.2 故障現(xiàn)象

初次系泊試驗，主機合排轉(zhuǎn)速設(shè)定為400 r/min，但合排后，轉(zhuǎn)速先降至330 r/min，隨后提高至360 r/min后無法繼續(xù)升速，手動操作升速亦無響應(yīng)。分別設(shè)置合排轉(zhuǎn)速為420、440、460 r/min，合排后仍然無法繼續(xù)升速。將主機的限制曲線進行微調(diào)后繼續(xù)試驗，轉(zhuǎn)速升至470 r/min時，出現(xiàn)多個氣缸排溫高報警，同時伴有增壓器喘振現(xiàn)象。

以拖輪拖帶客滾輪離港，在寬闊海域試航。該輪在初始拖力的作用下開始運動，離合器順利合排，主機轉(zhuǎn)速迅速升至400 r/min，且長時間運轉(zhuǎn)無異常。在正車合排狀態(tài)下進行升速，主機轉(zhuǎn)速升至780 r/min左右后無法繼續(xù)升速。對比分析主機油門齒條位置，如表3所示，該主機油門齒條共56格。由表3可知，輸出功率超過理論推進線。

1.3 首次裁邊

減小螺旋槳直徑或螺距可以起到減小螺旋槳負荷的作用[2]。為順利交船，經(jīng)分析后決定對原螺旋槳進行裁邊處理，首次裁邊后，螺旋槳直徑減小為2.71 m。

將裁邊后的螺旋槳重新裝船試航。合排后主機轉(zhuǎn)速降至330 r/min左右，然后緩慢升至400 r/min；從正車1向正車2進行升速，主機排氣溫度升高、出現(xiàn)降負荷報警，升速困難；繼續(xù)操作，主機可升至額定轉(zhuǎn)速800 r/min。

船舶軸功率測試曲線如圖1所示。由圖1可知：1）對比左機加速與右機加速曲線，當船舶靜止時，雙機合排后主機承受的負載高于理論推進功率，因此合排后升速困難，同時在升速過程中由于超出主機功率限制曲線，出現(xiàn)排溫升高、降負荷報警的情況；2）左機與右機轉(zhuǎn)速功率曲線是在船舶出港后有向前的航速情況下測得的數(shù)據(jù)，航行過程中主機的實際輸出功率接近理論推進曲線。

1.4 二次裁邊

首次裁邊未達到理想效果，進行第二次裁邊，螺旋槳直徑減至2.56 m。

試航時，合排瞬間主機轉(zhuǎn)速降至340 r/min后很快升至400 r/min；航行過程中未出現(xiàn)升速困難、超負載、高溫報警等故障。對比油門齒條位置，主機功率在理論推進線以下，得以順利交船。

2 船-機-槳匹配分析

交船后，該客滾輪在實際運營過程中，仍存在發(fā)動機合排時冒黑煙、油耗高等問題，因此應(yīng)從船-機-槳匹配的角度對船舶及主機出現(xiàn)的問題進行分析。

2.1 仿真模型

根據(jù)船體型線圖，采用CATIA軟件建立船體模型[3]，綜合考慮船舶尺度及計算能力，按26：1的比例縮小，得到船體三維模型，如圖2所示。

利用STAR-CCM+軟件對船體進行水動力仿真分析。計算域采用切割體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格，為減少網(wǎng)格數(shù)量，提高求解效率，對自由液面采用各向異性網(wǎng)格進行加密，z向尺寸為基數(shù)的8%，水平方向采用開爾文波形的加密盒進行加密，并控制網(wǎng)格密度均勻變化；邊界棱柱層設(shè)置為5層，棱柱層延伸率為1.2[4]；整個計算域網(wǎng)格總數(shù)約為120萬，計算域網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.2 實船阻力計算

采用Realized k-ε湍流模型模擬船舶興波場景，該模型可以很好地展示波形細節(jié)。船速為10 kn時的興波云圖如圖4所示。采用二因次法對仿真結(jié)果進行換算[5]，得到實船總阻力曲線，如圖5所示。

2.3 原始槳匹配分析

根據(jù)仿真計算結(jié)果和推進系統(tǒng)參數(shù)，對船-機-槳匹配情況進行系泊特征校核和自由航行計算[6-8]，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：1）系泊功率超出主機功率限制曲線，船舶由靜止狀態(tài)無法加速，航行曲線達到主機功率限制線，無法發(fā)揮全部功率；2）船舶自由航行時主機最高轉(zhuǎn)速約為755 r/min，而實船試航最高轉(zhuǎn)速約為780 r/min，計算結(jié)果與實船試航結(jié)果基本吻合，仿真模型正確可靠。

經(jīng)分析，螺旋槳超重，匹配不合理，是導(dǎo)致主機系泊狀態(tài)無法升速以及無法達到額定轉(zhuǎn)速的原因。

2.4 首次裁邊螺旋槳匹配分析

對首次裁邊的螺旋槳進行船-機-槳匹配分析，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：首次裁邊螺旋槳系泊功率與軸功率測試基本吻合，航行曲線接近理論推進線，主機未留有足夠的功率儲備。

2.5 二次裁邊螺旋槳匹配分析

對二次裁邊螺旋槳進行船-機-槳匹配計算，結(jié)果如圖8所示。

由于修槳方案是基于原始槳裁邊后的結(jié)果，其匹配效果并非最佳。由圖8可知：船舶滿載航速約為14.8 kn，系泊功率接近功率限制線，合排時瞬時沖擊超出主機外特性，在實際運營過程中，出現(xiàn)合排冒黑煙問題；修槳方案導(dǎo)致螺旋槳效率不高，在相同航速下，主機功率偏高，偏離最佳油耗區(qū)，導(dǎo)致油耗升高。

3 螺旋槳優(yōu)化設(shè)計

在兼顧客滾輪的安靜舒適性和快速性的前提下，采用環(huán)流理論設(shè)計方法，重新設(shè)計理論高效槳[9]。理論槳基于NACA翼型，綜合考慮推力與空化噪聲，同時優(yōu)化螺距和拱度分布[10]；為增強船舶在海上的抗風浪能力，并考慮船底污損、槳葉粗糙等對阻力和推進性能的影響，要求主機留有充足的功率儲備，大新螺旋槳參數(shù)如表4所示，敞水特性曲線如圖9所示，圖中KT為推力因數(shù)，KQ為轉(zhuǎn)矩因數(shù)，η為效率。

裝配新螺旋槳后客滾輪自由航行校核結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知：更換新螺旋槳后，船舶最高航速達到15 kn，較二次裁槳后提高0.2 kn，且主機功率儲備為15%。

4 結(jié)論

本文中應(yīng)用計算流體動力學(xué)仿真軟件建立船體模型，對某客滾輪船-機-槳匹配情況進行分析，確定故障原因，進行螺旋槳設(shè)計優(yōu)化，并與實船試航及運營情況進行對比分析，得到如下結(jié)論：1）螺旋槳匹配較重時，可導(dǎo)致合排時冒黑煙、主機超負荷、轉(zhuǎn)速無法升高等問題；2）借助三維建模、仿真軟件等工具，可以快速、較真實地評估船舶船-機-槳匹配情況。

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Ship-engine-propeller matching and propeller optimization design of a ro-ro passenger ship

ZHANG Yongchao1， LIU Dandan2， LI Guanghui1， WU Benkun1

Abstract：In order to solve the problem of the main engine overloaded and unable to increase the speed during the trial voyage of a passenger roller， CATIA software is used to model the ship， and STAR-CCM+ software is used to simulate the ship′s hydrodynamic forces. Through hull resistance calculation， mooring feature verification， and free sailing calculation， it is determined that the fault is due to the heavy propeller， which is not matched reasonably， and is consistent with the actual ship test results. The propeller is optimized， and matching analysis is performed. The results show that after replacing the new propeller， the maximum speed of the ship reaches 15 kn， an increase of 0.2 kn， and there is a 15% reserve of the main engine power， which meets the design requirements.

Keywords：ro-ro passenger ship; ship-engine-propeller matching; propeller

（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-05-31

基金項目：山東省重大科技創(chuàng)新工程項目（2021CXGC010703）

第一作者簡介：仉永超（1990—），男，山東濰坊人，工程師，主要研究方向為船舶發(fā)動機應(yīng)用配套及推進系統(tǒng)設(shè)計，E-mail：zhangyongchao08@126.com。