LNG燃料改裝船保留原有螺旋槳的機(jī)-槳匹配分析

楊濤 谷志明 蘭亮 嚴(yán)姬

摘? ? 要：由柴油燃料改裝為L(zhǎng)NG燃料的船舶，其最低改裝成本方案是僅將原型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)變更改成LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，原有的軸系、螺旋槳保留不變。有關(guān)資料表明，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)，因其燃料特性的改變將引起發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性改變，因此如將原發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)NG燃料并仍采用原有螺旋槳的改裝船，應(yīng)開展機(jī)-槳匹配的可行性分析，以減少此類改裝船推進(jìn)系統(tǒng)匹配問題的風(fēng)險(xiǎn)。本文舉例介紹由柴油改為L(zhǎng)NG燃料船舶的機(jī)-槳匹配性分析、校核、修正流程和方法。

關(guān)鍵詞：改裝船；原船螺旋槳；LNG發(fā)動(dòng)機(jī)；機(jī)-槳匹配性

中圖分類號(hào)：U664.121 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis to Engine-Propeller Matching Based on

Ship Converted from FO to LNG Bunkers with Propeller Kept

YANG Tao，? GU Zhiming，? LAN Liang，? YAN Ji

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，? Guangzhou 510250 ）

Abstract： The cheapest plan for ship converted from fuel oil bunkers to LNG is that original diesel oil engine is converted into LNG engine only， and the existing shafting， gearbox and propeller are still remained. The datum shows that the internal combustion engines performance will be changed along with its bunkers character change. So that， for the converted ship， if its main engines applying diesel oil bunkers are converted to LNG， and original propellers are kept， the analysis and judgements for engine-propeller matching should be done too， vice versa， to reduce the risk of propelling system operation after converted. This article will introduce briefly the analysis， checking， amendment flow paths and methods for the ships converted from combustion diesel oil to LNG bunkers.

Key words： converted ship; original propeller remained; LNG-engine; engine-propeller matching

1? ? ?前言

目前船舶多采用柴油作為燃料，排放大量有害氣體，給空氣造成嚴(yán)重污染。為此，各國(guó)政府陸續(xù)出臺(tái)環(huán)保相關(guān)規(guī)定、編制有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、修訂防空氣污染法規(guī)，要求在規(guī)定期限內(nèi)將其有害氣體的排放量下降至規(guī)定限值，從而促使船舶行業(yè)掀起綠色造船、綠色用船的熱潮。船舶采用LNG作為動(dòng)力燃料，可大幅降低有害氣體排放量，有效滿足相關(guān)環(huán)保要求，各地水上航運(yùn)業(yè)主紛紛提出需求，對(duì)現(xiàn)有船舶實(shí)施改造，將原柴油燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為L(zhǎng)NG燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

對(duì)于同款發(fā)動(dòng)機(jī)，如所用燃料不同，不僅其燃料供應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置會(huì)發(fā)生改變，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。因此，如果船舶主機(jī)由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝為L(zhǎng)NG發(fā)動(dòng)機(jī)，即使發(fā)動(dòng)機(jī)主體不發(fā)生改變，其推進(jìn)特性與原船的推進(jìn)器（螺旋槳）的匹配性也需重新進(jìn)行論證，才可確保改裝后的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。本文以某型系列改裝船為例，簡(jiǎn)要介紹LNG改裝船發(fā)動(dòng)機(jī)更新而留用原有螺旋槳的機(jī)-槳匹配分析、校核、修正過程和方法。

2? ? 原船配置情況

假設(shè)某型船設(shè)雙主柴油機(jī)、雙螺旋槳，主機(jī)額定功率約為385 kWx1 200 r/min，減速齒輪箱的傳動(dòng)比為5：1。

為了減少改裝工程量，節(jié)省改裝成本，改裝方案僅更換發(fā)動(dòng)機(jī)，而保留原船的推進(jìn)軸系、齒輪箱及推進(jìn)器，且換裝的設(shè)備安裝尺寸盡可能維持不變，以減少基座的更改工作量。為使改裝后的機(jī)-槳仍然匹配，首先應(yīng)了解原船螺旋槳的推進(jìn)特性。經(jīng)驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速—功率和轉(zhuǎn)速—扭矩兩個(gè)特性的匹配，是關(guān)系船舶推進(jìn)裝置有效性、可靠性和安全性的兩大因素。為此，在改裝前需獲得原船螺旋槳的轉(zhuǎn)速-功率和轉(zhuǎn)速-扭矩特性，以及齒輪箱的傳動(dòng)比等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便對(duì)其匹配性進(jìn)行分析。

基于原柴油主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速約為1 200 r/min、齒輪箱減速比為5：1，如果改裝后的LNG主機(jī)額定轉(zhuǎn)速高于原柴油主機(jī)額定轉(zhuǎn)速，為1 350 r/min，則應(yīng)求得主機(jī)轉(zhuǎn)速1 200～1 350 r/min所對(duì)應(yīng)的螺旋槳參數(shù)，以對(duì)比分析改裝后的推進(jìn)裝置匹配性。如果缺乏螺旋槳資料，可通過原螺旋槳特性曲線求得其螺旋槳功率值，并根據(jù)下式得到螺旋槳的相應(yīng)扭矩值（表1）。將所得數(shù)值繪制成曲線圖，如圖1、圖2所示，圖中虛線為主機(jī)轉(zhuǎn)速1200～1350 r/min所對(duì)應(yīng)的螺旋槳功率和扭矩值。

式中： T—螺旋槳軸扭矩，Nm；

P—螺旋槳功率，kW；

n—螺旋槳轉(zhuǎn)速，r/min。

3? ? ?改裝船機(jī)-槳匹配性分析

為保證改裝后推進(jìn)系統(tǒng)能可靠運(yùn)行，需對(duì)機(jī)—槳匹配性進(jìn)行分析。通常需核實(shí)其功率特性曲線和扭矩特性曲線的匹配性，以防止船舶在任何工況點(diǎn)出現(xiàn)主機(jī)功率或扭矩不足問題；還應(yīng)考慮留有足夠的風(fēng)浪影響裕度，以減少船舶航行中主機(jī)熄火、長(zhǎng)期冒黑煙等問題，提高其使用安全性。為此，除非重新設(shè)計(jì)螺旋槳，應(yīng)基于原母型船的螺旋槳特性，結(jié)合主機(jī)特性進(jìn)行機(jī)-槳匹配性分析。

3.1發(fā)動(dòng)機(jī)功率特性匹配性分析

首先應(yīng)進(jìn)行功率特性匹配分析，在確認(rèn)功率特性匹配后，再進(jìn)行扭矩特性匹配性分析。

為減少改裝工程量，節(jié)約成本，首選方案是選用與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)同系列型號(hào)的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，即其基體與原柴油機(jī)基本相同，主機(jī)安裝尺寸和軸系、齒輪箱維持不變。該方案的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)功率特性與原螺旋槳的功率特性對(duì)比，如表2所示。

由表2可知：更改后的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速-額定功率，由原來的1 200 r/min、385 kW，改變?yōu)?350 r/min、348.4 kW。LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1 200 r/min的功率比螺旋槳所需功率小了36.6 kW。由此可知，更換LNG發(fā)動(dòng)機(jī)后，在原齒輪箱不改裝的條件下，主機(jī)轉(zhuǎn)速不能達(dá)到或超過1 200 r/min，在主機(jī)高轉(zhuǎn)速區(qū)存在嚴(yán)重超負(fù)荷問題。

將表2中參數(shù)繪制成功率特性曲線圖，可更直觀其機(jī)-槳功率匹配情況，如圖3所示。

從上分析可知，僅將原柴油發(fā)動(dòng)機(jī)改換為同規(guī)格的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)，而原齒輪箱的傳動(dòng)比保持不變，則其機(jī)-槳的功率特性不匹配，主機(jī)達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速。

對(duì)此，通?？刹捎脙煞N方案解決，見表3所示。

為節(jié)約改裝成本，選擇上述方案二。而改變齒輪箱傳動(dòng)比，亦可有兩種方案，見表4。

基于上述分析，因主機(jī)在高轉(zhuǎn)速區(qū)有嚴(yán)重超負(fù)荷現(xiàn)象，為此其齒輪箱的減速比應(yīng)增加。經(jīng)綜合對(duì)比，齒輪箱改裝采用表4中方案B；在確定實(shí)際傳動(dòng)比過程中，應(yīng)保證齒輪的傳動(dòng)比可實(shí)施、機(jī)-槳的轉(zhuǎn)速-功率匹配可行，其傳遞能力足夠。假設(shè)改裝船的齒輪箱減速比由原來的5：1改為5.71：1，并據(jù)此重新計(jì)算出螺旋槳各工況點(diǎn)的功率特性參數(shù)，如表5所示。

由表5可知，齒輪箱傳動(dòng)比修改后，其各工況點(diǎn)均有25%以上的功率裕度，且在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，其功率裕度達(dá)到60%以上?；谏鲜鰯?shù)據(jù)繪制特性曲線圖，可直觀改裝后其機(jī)-槳功率的匹配情況，見圖4所示。由此可知，齒輪箱減速比調(diào)整為5.71：1，其機(jī)-槳功率特性匹配好，可滿足各工況的使用要求；但在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)，主機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下未能達(dá)到額定功率，因此主機(jī)滿負(fù)荷航行試驗(yàn)的考核方式需與船檢協(xié)商確定。

3.2? 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性匹配性分析

核實(shí)船舶推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)-槳匹配性，除其功率特性匹配外，還需扭矩特性匹配。因船舶航行時(shí)，如果推進(jìn)螺旋槳的扭矩超過主機(jī)的能力時(shí)，其主機(jī)轉(zhuǎn)速將無法達(dá)到設(shè)計(jì)值而影響使用。為此，在完成機(jī)-槳功率匹配性核實(shí)后，還應(yīng)基于已定齒輪箱傳動(dòng)比，校核其機(jī)-槳扭矩特性的匹配性。

忽略軸系傳動(dòng)效率，該型船齒輪箱改裝后的扭矩特性值見表6，并將其繪成曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

由表6可知，齒輪箱改裝后，主機(jī)轉(zhuǎn)速小于900 r/min的扭矩裕度達(dá)100%以上，在額定轉(zhuǎn)速點(diǎn)亦有一定裕度。由此可知，在主機(jī)低轉(zhuǎn)速區(qū)間，船舶加速性能良好，推進(jìn)系統(tǒng)各工況均具有較強(qiáng)的抗風(fēng)浪能力，因此選用齒輪箱減速比5.71：1后，其機(jī)-槳扭矩特性匹配可滿足各工況的使用要求。

4? ? 推進(jìn)軸系強(qiáng)度核算

主機(jī)額定功率改變和齒輪箱傳動(dòng)比調(diào)整，均將引起軸系傳遞扭矩變化，因此對(duì)改裝船除校核機(jī)-槳匹配性外，還應(yīng)對(duì)其軸強(qiáng)度和齒輪箱能力進(jìn)行核算。通常，軸系強(qiáng)度計(jì)算和齒輪箱傳遞能力計(jì)算，取額定轉(zhuǎn)速/額定功率作為設(shè)計(jì)輸入。假如某型發(fā)動(dòng)機(jī)在其額定轉(zhuǎn)速附近存在一個(gè)大于額定功率的峰值點(diǎn)（如圖6所示：主機(jī)在462 kWx1 400 r/min點(diǎn)高于其額定值405 kWx1500 r/min），鑒于該峰值點(diǎn)在常用轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近，如船舶在風(fēng)浪中航行或沿逆流航道航行或船體表面光潔度變差后，螺旋槳運(yùn)行的功率特性曲線通常均會(huì)向左側(cè)偏移，從而大概率出現(xiàn)主機(jī)長(zhǎng)期在峰值點(diǎn)處運(yùn)行的工況。為此，在軸系強(qiáng)度計(jì)算及齒輪箱的傳遞能力計(jì)算中，宜增加其在功率峰值點(diǎn)工作的能力核算，所有配置除滿足額定工況外，還應(yīng)滿足在峰值點(diǎn)工況的要求，以保證推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

5? ? 改裝方案確定

5.1? ?確定方法

（1）初步選用更替柴油機(jī)的LNG機(jī)，盡可能選用將原型柴油機(jī)改為同規(guī)格的LNG發(fā)動(dòng)機(jī)方案；

（2）獲取改裝匹配性分析所需的參數(shù)。通常應(yīng)取得包括但不限于下列參數(shù)：原螺旋槳的特性曲線；LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、特性曲線等；

（3）假定現(xiàn)有螺旋槳及齒輪箱不改變，針對(duì)所選LNG機(jī)進(jìn)行機(jī)-槳匹配性分析；

（4）如果機(jī)-槳特性不匹配，則對(duì)齒輪箱傳動(dòng)比進(jìn)行調(diào)整/改裝，盡可能采用不改變?cè)X輪箱外形及安裝尺寸，而僅對(duì)其內(nèi)部傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)做相應(yīng)改變的方案，并據(jù)此初步確定其實(shí)際傳動(dòng)比；

（5）根據(jù)確定的齒輪箱傳動(dòng)比，分析新主機(jī)的機(jī)-槳功率匹配性，如果其匹配性可行，再進(jìn)行下一步核實(shí)工作；

（6）基于新型主機(jī)參數(shù)和齒輪箱傳動(dòng)比，核算軸強(qiáng)度和齒輪箱的傳遞能力；

（7）上述各環(huán)節(jié)核算均滿足要求后，可確定改裝方案；如果有其中一個(gè)環(huán)節(jié)不能滿足要求，調(diào)整參數(shù)，重新進(jìn)行核算工作，直到均滿足要求為止。

5.2? ?確定流程

基于上述改裝方法，可采用圖7流程確定改裝方案。

6? ? 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于新造船舶，推進(jìn)器設(shè)計(jì)以及軸系、齒輪箱選配，往往是基于所選主機(jī)特性及其相關(guān)參數(shù)為基礎(chǔ)，按傳統(tǒng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；而對(duì)于更換推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的改裝船，往往受保留現(xiàn)有螺旋槳、齒輪箱、軸系等現(xiàn)有設(shè)施的條件限制，需要做細(xì)致的計(jì)算、復(fù)核工作，比新設(shè)計(jì)船舶的工作更繁瑣；此外，要實(shí)施改裝工程量小且技術(shù)可行的優(yōu)化方案，通常需要在確定改裝方案過程中，加強(qiáng)與設(shè)備廠家的溝通，雙方配合協(xié)調(diào)相關(guān)參數(shù)，必要時(shí)請(qǐng)供貨商適當(dāng)修正現(xiàn)有相關(guān)參數(shù)，共同完成改裝方案制訂。