螺旋槳轉速與直徑對船機槳匹配的影響研究

王 晴,康春錄,張本田,李廣輝

(濰柴重機股份有限公司,山東 濰坊 261108)

0 引言

由于全球船舶航運事業的快速發展及能源需求的日益增長對船舶的經濟性、動力性與可靠性的要求也越來越高,因此大型運輸船采用合適的船、機、槳匹配則顯得尤為重要[1-2]。

船、螺旋槳、柴油機作為一個復雜的聯動機構,三者的工作狀態是相互牽制和相互關聯的,它們配合的完善程度關系到能量轉換的優劣[3]。如果柴油機和螺旋槳匹配不佳則會出現柴油機功率不足或柴油機超負荷工作的情況。如果柴油機的轉速已達到額定轉速,而螺旋槳所吸收柴油機的功率尚未達到柴油機的額定功率,在此情況下,定距螺旋槳不能吸收柴油機的額定功率,致使柴油機功率不能被充分利用且船舶無法達到設計轉速。如果螺旋槳吸收的功率己達到柴油機的額定功率,但柴油機未達到額定轉速,此時若將柴油機的轉速提高至額定轉速,螺旋槳的轉速則相應也得到提高,這樣就會導致柴油機超負荷工作,即螺旋槳同樣也不能吸收柴油機的全部功率,船舶航速也達不到設計航速[4-5]。因此,要做到柴油機和螺旋槳間的最佳匹配,既要充分利用柴油機的功率,又要求柴油機在全轉速范圍內的功率均不超過柴油機的工作范圍,實現柴油機和螺旋槳的完美匹配,取得良好的動力性、經濟性、可靠性[6]。

本文以149.8 m近海散貨船為例,借助NAVCAD軟件,對該船進行船機槳匹配設計,研究低轉速大直徑和高轉速小直徑螺旋槳對柴油機經濟性、動力性的影響。

1 船舶參數和阻力計算

本文以149.8 m近海散貨船為研究對象,其主要參數如下:

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

149.8 m近海散貨船的阻力計算方法采用NAVCAD軟件推薦的Holtrop進行阻力預報,其阻力曲線見圖1。

圖1 149.8 m近海散貨船阻力曲線

2 螺旋槳匹配設計

149.8 m近海散貨船主機參數如下:型號為濰柴8WH28C4352-8,額定功率為3 200 kW,額定轉速為800 r/min。根據該船所提供的型線圖及《鋼質海船入級與建造規范》中對螺旋槳與船體的間隙要求,計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行螺旋槳匹配設計。采用該模塊進行螺旋槳設計時僅需要輸入螺旋槳最大直徑、螺旋槳個數、葉數、軸系和齒輪箱效率、主機參數、槳軸浸沒深度及圖譜槳類型等參數。根據輸入的參數和船舶設計航速,該模塊就可以推薦匹配最優的螺旋槳和齒輪箱參數。

2.1 方案1(低轉速大直徑螺旋槳匹配設計)

已知船設計航速為11.00 kn,且考慮到風浪或污底等情況,設計時留有15%的功率儲備。NAVCAD所推薦的螺旋槳和齒輪箱參數如下: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后,在滿載自由航行工況時,主機達到額定轉速時的功率儲備為15%,此時的航速約為12.10 kn。自由航行特性曲線和匹配數據見圖2和表1。

表1 方案1船舶自由航行參數匯總

圖2 方案1自由航行特性曲線

2.2 方案2(高轉速小直徑螺旋槳匹配設計)

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速等限制條件,基于現有的齒輪箱選型手冊,該速比下無可選的齒輪箱。經綜合考慮改選齒輪箱速比為6.5,重新進行船機槳匹配。NAVCAD所推薦的螺旋槳參數如下: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后,在滿載自由航行工況時,主機達到額定轉速時的功率儲備為15%,此時航速約為11.91 kn。自由航行特性曲線和匹配數據見圖3和表2。

表2 方案2船舶自由航行參數匯總

圖3 方案2自由航行特性曲線

3 螺旋槳轉速與直徑對船機槳匹配影響對比

3.1 船舶動力性對比分析

2個方案的推進系統參數對比見表3。從表中可知,在主機額定轉速時,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。同樣的功率儲備,方案1與方案2的對比結果顯示:螺旋槳轉速降低約25.1 r/min,敞水效率提高3.2%,航速提高0.19 kn。由此可見,螺旋槳轉速越低,直徑越大,其設計點的敞水效率越高。

表3 2個方案的推進系統參數對比

3.2 船舶經濟性對比分析

假設該船單向航程為1 000 km,主機的燃油消耗率為200 g/kWh,航程時間和油耗量分析結果見表4。

表4 航程時間和油耗量分析結果

由表4可知:采用低轉速大直徑螺旋槳,單向航程可節約時間0.72 h,節省燃油370.07 kg。

4 結論

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

(2)等轉速航行時:低轉速大直徑螺旋槳與高轉速小直徑螺旋槳所需主機功率相等(螺旋槳設計工況儲備相同),但航速可提高1.6%。

(3)若不考慮直徑對船身效率的影響,螺旋槳轉速越低,直徑越大,推進效率越高,經濟性越好。

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