船舶螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度探討

吳小平

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

輪機(jī)與輔機(jī)

船舶螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度探討

吳小平

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

針對船舶裝機(jī)功率下降而螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度未隨之更改導(dǎo)致在惡劣海況下主機(jī)無法輸出足夠功率的問題，討論螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度。探討輕轉(zhuǎn)裕度對船舶相關(guān)性能的影響，包括惡劣海況下的功率儲備、操縱性及快速跨越主機(jī)轉(zhuǎn)速禁區(qū)等。此外，討論節(jié)能裝置對輕轉(zhuǎn)裕度的影響。

螺旋槳；輕轉(zhuǎn)裕度；機(jī)槳匹配

0 引 言

螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度（Light Running Margin，LRM）是船舶設(shè)計中的一個重要概念，對船舶的多項性能都有較大影響。有些船舶因在試航期間輕轉(zhuǎn)裕度不達(dá)標(biāo)而無法交船，還有些船舶因輕轉(zhuǎn)裕度偏低而在運行后出現(xiàn)油耗升高、在惡劣海況下主機(jī)轉(zhuǎn)速受限等各種各樣的問題。因此，在設(shè)計之初選擇合適的螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度非常重要。

近年來，受能效設(shè)計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的影響，船舶裝機(jī)功率呈下降趨勢。在螺旋槳設(shè)計領(lǐng)域，沿用多年的輕轉(zhuǎn)裕度并未隨之更改，這就導(dǎo)致船舶在遇到惡劣海況或螺旋槳重載工況時，主機(jī)無法輸出足夠的功率來滿足船舶正常航行和作業(yè)的需求。輕轉(zhuǎn)裕度過小會導(dǎo)致螺旋槳長期重載、主機(jī)油耗增加；輕轉(zhuǎn)裕度過大有可能導(dǎo)致螺旋槳效率降低。影響輕轉(zhuǎn)裕度的因素有很多，在設(shè)計之初，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的輕轉(zhuǎn)裕度。除了考慮主機(jī)降功率的因素之外，還應(yīng)考慮海況的惡劣程度及輕轉(zhuǎn)裕度與其他性能（如快速性、操縱性等）之間的平衡。當(dāng)前，業(yè)界普遍接受的輕轉(zhuǎn)裕度為3%～5%。但是，隨著主機(jī)功率的降低，輕轉(zhuǎn)裕度有上升的趨勢。例如：主機(jī)廠商MAN公司1999年以前建議輕轉(zhuǎn)裕度取2.5%～5%，1999年之后建議取3%～7%，2015年則建議取4%～10%；國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）在其2008年頒發(fā)的指導(dǎo)文件中建議輕轉(zhuǎn)裕度取5%～7%[1]。

根據(jù)某型船規(guī)格書對輕轉(zhuǎn)裕度提出的要求（螺旋槳設(shè)計應(yīng)考慮推進(jìn)效率、空泡及振動性能，在設(shè)計吃水狀態(tài)、輕微海況、潔凈船體并考慮節(jié)能裝置的條件下，螺旋槳吸收主機(jī)額定功率時的轉(zhuǎn)速應(yīng)高于額定轉(zhuǎn)速5%。），螺旋槳在設(shè)計吃水狀態(tài)時，考慮節(jié)能裝置的影響，在額定功率下應(yīng)達(dá)到5%的輕轉(zhuǎn)裕度。

1 輕轉(zhuǎn)裕度的定義

若船舶安裝有減速箱或可調(diào)螺距螺旋槳，則可通過調(diào)節(jié)減速比或螺距來控制螺旋槳的轉(zhuǎn)速，輕轉(zhuǎn)裕度并不是太大問題。但對于主機(jī)直接驅(qū)動固定螺距螺旋槳，即螺旋槳轉(zhuǎn)速與主機(jī)轉(zhuǎn)速相同，則情況就不同了。圖1給出主機(jī)特性曲線和螺旋槳負(fù)荷曲線，螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度定義[2]為

式(1)中：nL和nS分別為螺旋槳輕載負(fù)荷曲線及螺旋槳標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷曲線在指定功率下的轉(zhuǎn)速。根據(jù)式(1)的定義，圖1中100% SMCR功率下的輕轉(zhuǎn)裕度為5%。

圖1 輕轉(zhuǎn)裕度定義

2 輕轉(zhuǎn)裕度對船舶性能的影響

若設(shè)計螺旋槳時不考慮輕轉(zhuǎn)裕度，則當(dāng)螺旋槳承受重載荷時，主機(jī)將無法輸出足夠的功率，導(dǎo)致航速降低、油耗增多，甚至威脅船舶航行安全。螺旋槳重載包括惡劣海況、船體污底、螺旋槳老化、限制航道、船舶加速及港口操作等情形。

2.1 EEDI最小航速

為保證船舶在惡劣海況下安全航行，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海洋環(huán)境保護(hù)委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）在2013年舉行的第65次會議上對惡劣海況下船舶最小主機(jī)功率和最小航速提出了要求[3]。根據(jù)IMO的定義，惡劣海況參數(shù)見表1。為應(yīng)對惡劣海況，除了要有輕轉(zhuǎn)裕度，還要保證海況裕度（Sea Margin）符合要求。海況裕度是指船舶在風(fēng)浪中航行時的主機(jī)功率相對于在靜水中航行時的主機(jī)功率所增加的百分比。輕轉(zhuǎn)裕度與海況裕度有聯(lián)系，但二者不可混淆。若螺旋槳沒有足夠的輕轉(zhuǎn)裕度，則即使主機(jī)留有海況裕度，其在惡劣海況下也未必能充分利用這部分海況裕度，也就未必能達(dá)到指定的航速。由此可見，螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度會影響到EEDI航速。

表1 IMO EEDI計算所定義的惡劣海況參數(shù)

2.2 主機(jī)選點

在船舶設(shè)計中，通常會遇到主機(jī)型號選定而功率選點有多種可選方案的情形。對于同一主機(jī)不同的選點（例如圖2中的A點和B點），螺旋槳應(yīng)根據(jù)不同的選點來設(shè)計，以保證螺旋槳與主機(jī)最佳匹配。若2個選點采用相同的輕轉(zhuǎn)裕度（如5%），則由于B選點功率小，B選點螺旋槳在極端重載時只能吸收7520kW的功率，無法達(dá)到A選點螺旋槳8360kW的功率。反之，若適當(dāng)增加B選點螺旋槳的輕轉(zhuǎn)裕度（由5.0%提高至6.9%），則B選點亦能達(dá)到與A選點相同的功率（見圖3）。這表明，若主機(jī)SMCR降低，要保證螺旋槳在重載工況下仍能吸收足夠的主機(jī)功率，可通過提高輕轉(zhuǎn)裕度來實現(xiàn)。

圖2 輕轉(zhuǎn)裕度與主機(jī)選點的關(guān)系

2.3 低速操縱性

在港口或限制水域，船舶操縱性尤為重要，需保證船舶在低速或靜止?fàn)顟B(tài)下具有較好的操縱性以完成轉(zhuǎn)向、前進(jìn)及倒車等操作。圖4以MLRM=3%和MLRM=10%的2個螺旋槳為例，說明輕轉(zhuǎn)裕度對操縱性的影響，2個螺旋槳均處于重載狀態(tài)，可認(rèn)為是系柱工況。從圖4中可看出，重載時螺旋槳載荷曲線向左移動。此時，輕轉(zhuǎn)裕度較大者能輸出61%的主機(jī)功率，而輕轉(zhuǎn)裕度較小者只能輸出41%的主機(jī)功率。較大的功率和轉(zhuǎn)速有利于操縱性。由此可知，當(dāng)船舶處于低速航行或靜止?fàn)顟B(tài)時，輕轉(zhuǎn)裕度越大對操縱性越有利。

2.4 轉(zhuǎn)速禁區(qū)

圖4 輕轉(zhuǎn)裕度對操縱性的影響

由于主機(jī)在某些轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)會產(chǎn)生過大的扭振，長時間在該區(qū)間內(nèi)運行會導(dǎo)致主機(jī)受損，因此主機(jī)廠家通常會設(shè)置一個轉(zhuǎn)速禁區(qū)防止主機(jī)受損。從圖5中可看出，在轉(zhuǎn)速禁區(qū)的上限，輕轉(zhuǎn)裕度較小者僅有少量的功率裕度，將導(dǎo)致主機(jī)無法通過或無法快速通過轉(zhuǎn)速禁區(qū)，對主機(jī)造成損傷。相比之下，輕轉(zhuǎn)裕度較大者有足夠的功率裕度來保證主機(jī)快速越過轉(zhuǎn)速禁區(qū)。盡管可通過調(diào)節(jié)主機(jī)調(diào)速控制器暫時解決主機(jī)無法快速越過轉(zhuǎn)速禁區(qū)的問題[4]，但根本的解決途徑還是提高輕轉(zhuǎn)裕度。

2.5 主機(jī)油耗

在良好的海況下，輕轉(zhuǎn)裕度越大，主機(jī)油耗越多；而在惡劣海況下，輕轉(zhuǎn)裕度越大，主機(jī)油耗越少。螺旋槳在重載時，其轉(zhuǎn)速-功率性能曲線將左移，對于主機(jī)特性圖中的大部分區(qū)域，曲線左移將導(dǎo)致主機(jī)油耗增加（見圖6）。選擇相對較大的輕轉(zhuǎn)裕度可延緩螺旋槳曲線左移，從而降低油耗。盡管輕轉(zhuǎn)裕度較大的螺旋槳在平靜海域內(nèi)油耗略多，但考慮到在惡劣海況下輕轉(zhuǎn)裕度較大會降低油耗，兩者相抵消。因此，選擇較大的輕轉(zhuǎn)裕度，主機(jī)綜合油耗并不一定會有明顯的增加。

3 節(jié)能裝置對輕轉(zhuǎn)裕度的影響

節(jié)能裝置在船上的應(yīng)用十分廣泛，可通過改善槳前或槳后的流場來提高推進(jìn)效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。加裝船后節(jié)能裝置（如Mewis導(dǎo)管[5]和轂帽鰭）會對螺旋槳的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，從而影響輕轉(zhuǎn)裕度。根據(jù)經(jīng)驗，Mewis導(dǎo)管可減小輕轉(zhuǎn)裕度0.5%～2%，轂帽鰭可增加輕轉(zhuǎn)裕度0.5%～1.0%。螺旋槳和節(jié)能裝置通常由不同的廠家提供，由于雙方缺乏有效的溝通，螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度偏離期望值的案例屢見不鮮。若加裝節(jié)能裝置，雙方應(yīng)就節(jié)能裝置可能給螺旋槳帶來的影響進(jìn)行詳細(xì)評估。

圖5 輕轉(zhuǎn)裕度對跨越轉(zhuǎn)速禁區(qū)的影響

圖6 主機(jī)油耗

4 結(jié) 語

螺旋槳輕轉(zhuǎn)裕度對船舶性能有重要影響，不僅影響船舶的作業(yè)效率，還影響船舶的安全運營。隨著船舶降功率的趨勢日益加快，業(yè)界沿用已久的3%～5%的輕轉(zhuǎn)裕度已難以滿足實際運營需要。從根本上看，主機(jī)無法輸出預(yù)定功率、油耗增加及無法快速跨越轉(zhuǎn)速禁區(qū)等問題很可能均與輕轉(zhuǎn)裕度有關(guān)。對于經(jīng)常在惡劣海況下航行的船舶，應(yīng)適當(dāng)增加輕轉(zhuǎn)裕度。

[1] ITTC. Testing and extrapolation methods, propulsion, performance, predicting powering margins: Recommended Procedures and Guidelines 7.5-02-03-01.5[S]. 2008.

[2] MAN Market Update Note. Light Running Margin (LRM) [R]. Augsburg, Germany: MAN Diesel & Turbo, 2015.

[3] IMO. Interim guidelines for determing minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions: MEPC. 232 (65)[S]. 2013.

[4] MAN Market Update Note. Enhanced torque reserve for MAN B&W S and G-type engines for adequate ship acceleration [R].Augsburg, Germany: MAN Diesel & Turbo, 2015.

[5] Friedrich Mewis, Thomas Guiard. Mewis duct-new developments, solutions and conclusions[C]//Second International Symposium on Marine Propulsors smp'11. Hamburg, Germany, 2011.

On the Light Running Margin of Marine Propellers

WU Xiao-ping

(Shanghai Merchant Ship Research and Design Institute, Shanghai 201203, China)

When the power of main engine drops and the Light Running Margin (LRM) of propeller remains unchanged there will be a problem that leads to insufficient propulsion power in rough seas. This paper introduces the propeller LRM,discusses the influence of LRM on relevant ship performances such as the power margin in rough seas, maneuverability and quick passage of barred speed range. The effects of Energy Saving Devices (ESD) on LRM are also discussed in the paper.

propeller; LRM; matching of propeller and engine

U664.33

A

2095-4069 (2017) 05-0064-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.012

2016-08-19

吳小平，男，高級工程師，1979年生。2008年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造專業(yè)，現(xiàn)從事船舶設(shè)計工作。