螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑對船機(jī)槳匹配的影響研究

王 晴,康春錄,張本田,李廣輝

(濰柴重機(jī)股份有限公司,山東 濰坊 261108)

0 引言

由于全球船舶航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展及能源需求的日益增長對船舶的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性與可靠性的要求也越來越高,因此大型運(yùn)輸船采用合適的船、機(jī)、槳匹配則顯得尤為重要[1-2]。

船、螺旋槳、柴油機(jī)作為一個(gè)復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu),三者的工作狀態(tài)是相互牽制和相互關(guān)聯(lián)的,它們配合的完善程度關(guān)系到能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)劣[3]。如果柴油機(jī)和螺旋槳匹配不佳則會(huì)出現(xiàn)柴油機(jī)功率不足或柴油機(jī)超負(fù)荷工作的情況。如果柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,而螺旋槳所吸收柴油機(jī)的功率尚未達(dá)到柴油機(jī)的額定功率,在此情況下,定距螺旋槳不能吸收柴油機(jī)的額定功率,致使柴油機(jī)功率不能被充分利用且船舶無法達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速。如果螺旋槳吸收的功率己達(dá)到柴油機(jī)的額定功率,但柴油機(jī)未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,此時(shí)若將柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速提高至額定轉(zhuǎn)速,螺旋槳的轉(zhuǎn)速則相應(yīng)也得到提高,這樣就會(huì)導(dǎo)致柴油機(jī)超負(fù)荷工作,即螺旋槳同樣也不能吸收柴油機(jī)的全部功率,船舶航速也達(dá)不到設(shè)計(jì)航速[4-5]。因此,要做到柴油機(jī)和螺旋槳間的最佳匹配,既要充分利用柴油機(jī)的功率,又要求柴油機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的功率均不超過柴油機(jī)的工作范圍,實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)和螺旋槳的完美匹配,取得良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性[6]。

本文以149.8 m近海散貨船為例,借助NAVCAD軟件,對該船進(jìn)行船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì),研究低轉(zhuǎn)速大直徑和高轉(zhuǎn)速小直徑螺旋槳對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性的影響。

1 船舶參數(shù)和阻力計(jì)算

本文以149.8 m近海散貨船為研究對象,其主要參數(shù)如下:

總長149.80 m,垂線間長143.20 m,型寬21.00 m,型深11.70 m,設(shè)計(jì)吃水8.47 m,排水量21 160.4 t,設(shè)計(jì)航速11.00 kn,水線面系數(shù)0.919 2,方形系數(shù)0.830 8,棱型系數(shù)0.835 5,中橫剖面系數(shù)0.994 4。

149.8 m近海散貨船的阻力計(jì)算方法采用NAVCAD軟件推薦的Holtrop進(jìn)行阻力預(yù)報(bào),其阻力曲線見圖1。

圖1 149.8 m近海散貨船阻力曲線

2 螺旋槳匹配設(shè)計(jì)

149.8 m近海散貨船主機(jī)參數(shù)如下:型號(hào)為濰柴8WH28C4352-8,額定功率為3 200 kW,額定轉(zhuǎn)速為800 r/min。根據(jù)該船所提供的型線圖及《鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范》中對螺旋槳與船體的間隙要求,計(jì)算得到該船的螺旋槳最大直徑為5.1 m。

基于NAVCAD軟件的螺旋槳模塊對該船進(jìn)行螺旋槳匹配設(shè)計(jì)。采用該模塊進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)時(shí)僅需要輸入螺旋槳最大直徑、螺旋槳個(gè)數(shù)、葉數(shù)、軸系和齒輪箱效率、主機(jī)參數(shù)、槳軸浸沒深度及圖譜槳類型等參數(shù)。根據(jù)輸入的參數(shù)和船舶設(shè)計(jì)航速,該模塊就可以推薦匹配最優(yōu)的螺旋槳和齒輪箱參數(shù)。

2.1 方案1(低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳匹配設(shè)計(jì))

已知船設(shè)計(jì)航速為11.00 kn,且考慮到風(fēng)浪或污底等情況,設(shè)計(jì)時(shí)留有15%的功率儲(chǔ)備。NAVCAD所推薦的螺旋槳和齒輪箱參數(shù)如下:類型MAU,直徑5.1 m,螺距4.08 m,盤面比0.425,推薦齒輪箱速比8.162。

采用上述所推薦的螺旋槳和齒輪箱參數(shù)后,在滿載自由航行工況時(shí),主機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的功率儲(chǔ)備為15%,此時(shí)的航速約為12.10 kn。自由航行特性曲線和匹配數(shù)據(jù)見圖2和表1。

表1 方案1船舶自由航行參數(shù)匯總

圖2 方案1自由航行特性曲線

2.2 方案2(高轉(zhuǎn)速小直徑螺旋槳匹配設(shè)計(jì))

由于方案1所推薦的齒輪箱速比為8.162,考慮到齒輪箱的傳遞能力和輸入轉(zhuǎn)速等限制條件,基于現(xiàn)有的齒輪箱選型手冊,該速比下無可選的齒輪箱。經(jīng)綜合考慮改選齒輪箱速比為6.5,重新進(jìn)行船機(jī)槳匹配。NAVCAD所推薦的螺旋槳參數(shù)如下:類型MAU,直徑4.637 m,螺距3.213 m,盤面比0.467,齒輪箱速比6.5。

采用上述所推薦的螺旋槳和齒輪箱參數(shù)后,在滿載自由航行工況時(shí),主機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的功率儲(chǔ)備為15%,此時(shí)航速約為11.91 kn。自由航行特性曲線和匹配數(shù)據(jù)見圖3和表2。

表2 方案2船舶自由航行參數(shù)匯總

圖3 方案2自由航行特性曲線

3 螺旋槳轉(zhuǎn)速與直徑對船機(jī)槳匹配影響對比

3.1 船舶動(dòng)力性對比分析

2個(gè)方案的推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)對比見表3。從表中可知,在主機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí),由于齒輪箱速比不同且方案1的螺旋槳直徑比方案2的螺旋槳直徑大0.463 m。同樣的功率儲(chǔ)備,方案1與方案2的對比結(jié)果顯示:螺旋槳轉(zhuǎn)速降低約25.1 r/min,敞水效率提高3.2%,航速提高0.19 kn。由此可見,螺旋槳轉(zhuǎn)速越低,直徑越大,其設(shè)計(jì)點(diǎn)的敞水效率越高。

表3 2個(gè)方案的推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)對比

3.2 船舶經(jīng)濟(jì)性對比分析

假設(shè)該船單向航程為1 000 km,主機(jī)的燃油消耗率為200 g/kWh,航程時(shí)間和油耗量分析結(jié)果見表4。

表4 航程時(shí)間和油耗量分析結(jié)果

由表4可知:采用低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳,單向航程可節(jié)約時(shí)間0.72 h,節(jié)省燃油370.07 kg。

4 結(jié)論

(1)等航速航行時(shí):低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳與高轉(zhuǎn)速小直徑螺旋槳對比,主機(jī)轉(zhuǎn)速可降低14 r/min,主機(jī)負(fù)荷率可降低3.7%,可靠性略微較好。

(2)等轉(zhuǎn)速航行時(shí):低轉(zhuǎn)速大直徑螺旋槳與高轉(zhuǎn)速小直徑螺旋槳所需主機(jī)功率相等(螺旋槳設(shè)計(jì)工況儲(chǔ)備相同),但航速可提高1.6%。

(3)若不考慮直徑對船身效率的影響,螺旋槳轉(zhuǎn)速越低,直徑越大,推進(jìn)效率越高,經(jīng)濟(jì)性越好。

(4)本文的計(jì)算結(jié)果是基于理論性的,由于齒輪箱本身的限制,在實(shí)際選型過程中可能無法選擇最佳速比。