某50 m近海運(yùn)輸船船機(jī)槳匹配分析

劉丹丹，仉永超，史艷軍

（1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000；2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261108）

近海運(yùn)輸船航行區(qū)域?yàn)檠睾?，常?huì)遇到風(fēng)浪，船機(jī)槳匹配不當(dāng)可能會(huì)造成安全問(wèn)題。本文根據(jù)船體型線圖，進(jìn)行船體三維建模；使用Star-CCM+軟件，仿真計(jì)算船體阻力，并使用NavCad 軟件對(duì)船機(jī)槳匹配情況進(jìn)行校核；在新船試航階段測(cè)試軸功，分析測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算吻合度，為近海運(yùn)輸船的船機(jī)槳匹配提供參考。

1 船機(jī)槳匹配

船舶線型設(shè)計(jì)完成、船體主要參數(shù)確定后，就可以對(duì)船舶阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)。常見(jiàn)的船舶阻力計(jì)算方法可分為經(jīng)驗(yàn)公式法和船模試驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)公式法是使用計(jì)算公式計(jì)算得到船體阻力，并在總結(jié)、分析大量的船模試驗(yàn)或?qū)嵈囼?yàn)基礎(chǔ)上得到的，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員對(duì)母型船的選取。船模試驗(yàn)是船舶性能研究最普遍和有效的方法[1]。將實(shí)船按一定的縮尺比制作成幾何相似的船模，在滿足弗勞德數(shù)相等的條件下，在船池中拖曳以測(cè)得船模阻力和速度之間的關(guān)系。船模試驗(yàn)得到的船體阻力結(jié)果比較準(zhǔn)確，但費(fèi)用較高。

接下來(lái)進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)。一般而言，螺旋槳的設(shè)計(jì)問(wèn)題可以歸結(jié)為2類：一類是要求設(shè)計(jì)效率最佳的螺旋槳，能滿足航速要求，又可以使選取的主機(jī)功率最??；另一類是船體和主機(jī)已定，要求設(shè)計(jì)螺旋槳，保證最高航速能滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的要求[1]。

船機(jī)槳匹配校核是船舶螺旋槳設(shè)計(jì)的逆向過(guò)程，可運(yùn)用已形成的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)航行特征或系泊特征計(jì)算，得出船機(jī)槳匹配的合理性[2]。系泊特征校核，通過(guò)計(jì)算系泊狀態(tài)下的主機(jī)最大轉(zhuǎn)速，初步評(píng)估主機(jī)和螺旋槳匹配情況是否合理，同時(shí)計(jì)算船舶的系柱拖力。航行特征校核，通過(guò)計(jì)算不同主機(jī)轉(zhuǎn)速、不同航速時(shí)需要的主機(jī)功率，可以進(jìn)一步判斷船舶與機(jī)槳匹配是否合理。

常見(jiàn)的螺旋槳匹配誤區(qū)有2 種：螺旋槳匹配過(guò)重和過(guò)輕。如果螺旋槳完全吸收主機(jī)的轉(zhuǎn)矩，但主機(jī)轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致螺旋槳不能完全吸收主機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種情況稱為螺旋槳匹配過(guò)重；如果主機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到額定值，但螺旋槳吸收的主機(jī)功率遠(yuǎn)小于額定功率，這種情況稱為螺旋槳匹配過(guò)輕。無(wú)論過(guò)重或過(guò)輕都將導(dǎo)致螺旋槳不能完全吸收主機(jī)的動(dòng)力，船舶航速達(dá)不到設(shè)計(jì)航速，船舶經(jīng)濟(jì)性也會(huì)受到影響[3]。

近海運(yùn)輸船工況比較單一，分為進(jìn)出港工況和自由航行工況。進(jìn)出港工況時(shí)，船舶航速較低，頻繁脫合排，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏低，柴油機(jī)運(yùn)行在推進(jìn)特性曲線附近，但不應(yīng)超過(guò)外特曲線。自由航行工況時(shí)，船舶航速較高，以設(shè)計(jì)航速前行，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，在額定轉(zhuǎn)速附近，主機(jī)功率略有儲(chǔ)備，以應(yīng)對(duì)海上惡劣天氣。自由航行工況占整個(gè)工況的90%以上，船機(jī)槳匹配時(shí)常選取自由航行工況進(jìn)行匹配[3]。

2 某50 m近海運(yùn)輸船概況

某50 m近海運(yùn)輸船（以下簡(jiǎn)稱某船）用于為海洋牧場(chǎng)運(yùn)輸飼料、提供設(shè)備，在榮成近海區(qū)域航行、作業(yè)。船長(zhǎng)50 m，總質(zhì)量1 262 t，凈質(zhì)量703 t，水面以上最大高度16.8 m。某船參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某船參數(shù)

該船主機(jī)功率809 kW，采用單機(jī)單槳推進(jìn)形式，其推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 某船推進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)

3 船機(jī)槳匹配情況分析

3.1 船舶阻力計(jì)算

在使用Star-CCM+軟件對(duì)船體阻力進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真分析前，要先根據(jù)船體型線圖，進(jìn)行三維建模。為提高仿真計(jì)算效率，本案例采用λ=7的縮尺比將模型進(jìn)行縮放，得到船模三維。

計(jì)算域中的網(wǎng)格類型為切割體網(wǎng)格，對(duì)船體近域與自由面附近進(jìn)行加密，計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為200萬(wàn)左右，計(jì)算域網(wǎng)格場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 計(jì)算域網(wǎng)格場(chǎng)景

使用Realized k-Epsilon 湍流模型，合理劃分邊界層附近的網(wǎng)格以保證Wall Y+值在30～300 范圍內(nèi)。船體表面的Y+值分布圖如圖2所示。

圖2 船體表面Y+值分布圖

對(duì)自由面網(wǎng)格局部加密使自由面處波系傳播，開(kāi)爾文波角等波形細(xì)節(jié)得到很好的捕捉，圖3為實(shí)船航速為10 kn時(shí)計(jì)算域興波場(chǎng)景。

采用二因次換算法對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行換算，得到船體阻力曲線，船體阻力曲線如圖4所示。

圖4 船體阻力曲線

3.2 系泊特征校核

該近海運(yùn)輸船采用MAU4-55 標(biāo)準(zhǔn)槳，為了解主機(jī)與螺旋槳的匹配情況，以100%等轉(zhuǎn)矩線為限值，進(jìn)行系泊特征校核。通過(guò)計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下的主機(jī)功率，并求得與等轉(zhuǎn)矩線的交點(diǎn)，得到主機(jī)系泊時(shí)的轉(zhuǎn)速，將其與額定轉(zhuǎn)速做對(duì)比，從而評(píng)估柴油機(jī)和螺旋槳匹配合理性。系泊特征校核曲線圖如圖5所示。

圖5 系泊特征校核曲線圖

由計(jì)算結(jié)果可知，在系泊工況下，主機(jī)轉(zhuǎn)速最大為1 280 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的85.3%，基本滿足系泊轉(zhuǎn)速為80%～85%額定轉(zhuǎn)速的要求[4]，主機(jī)和螺旋槳匹配合理。

3.3 航行特征校核

本案例使用NavCad 軟件，對(duì)滿載狀態(tài)船舶的自由航行特征進(jìn)行校核，得到不同航速下需要的主機(jī)功率-轉(zhuǎn)速曲線，并將其與主機(jī)功率-轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估船機(jī)槳匹配合理性。航行特征校核曲線如圖6所示。

圖6 航行特征校核曲線

滿載自由航行時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，此時(shí)船舶航速10.6 kn，所需主機(jī)功率765 kW，功率儲(chǔ)備5.4%，基本滿足要求。

3.4 實(shí)船測(cè)試

為驗(yàn)證上述校核結(jié)果，在試航階段，對(duì)該船進(jìn)行實(shí)船跟蹤測(cè)試。試航時(shí)少量壓載，滑油艙、燃油艙均為空，艏吃水約2.4 m，舯吃水約2.8 m。

航行路線為從大黑石出發(fā)，前往養(yǎng)魚(yú)池灣區(qū)域，全程約12 km，在養(yǎng)魚(yú)池灣完成試航后，又返回大黑石。自由航行工況曲線圖如圖7所示。

圖7 自由航行工況曲線圖

由圖7知，自由航行工況，主機(jī)轉(zhuǎn)速1 050 r/min時(shí)，主機(jī)功率約250 kW，主機(jī)轉(zhuǎn)速1 350 r/min 時(shí)，主機(jī)功率約533 kW，經(jīng)計(jì)算可得到主機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min 時(shí)，主機(jī)功率為729 kW，即額定轉(zhuǎn)速下，功率儲(chǔ)備9.9%。

試航過(guò)程中，主機(jī)轉(zhuǎn)速和航速見(jiàn)表3。

表3 主機(jī)轉(zhuǎn)速與航速

由于試航狀態(tài)為少量壓載，而設(shè)計(jì)校核為滿載吃水，為保證狀態(tài)一致，還需計(jì)算試航狀態(tài)時(shí)的船舶阻力曲線，部分壓載時(shí)該船阻力曲線見(jiàn)圖8，并進(jìn)行部分壓載狀態(tài)時(shí)航行特征校核見(jiàn)圖9。

圖8 部分壓載時(shí)該船阻力曲線

圖9 部分壓載狀態(tài)時(shí)航行特征校核

由圖8可知，部分壓載自由航行時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min，航速11.5 kn，所需主機(jī)功率733 kW，功率儲(chǔ)備9.4%，與試航實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速1 450 r/min、航速11.3 kn基本吻合。

此外，還對(duì)怠速合排工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，怠速合排工況曲線圖見(jiàn)圖10。

圖10 怠速合排工況曲線圖

主機(jī)怠速合排沖擊轉(zhuǎn)矩2 286 N·m，為額定轉(zhuǎn)矩的44.3%，主機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間約10 s。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Star-CCM+、NavCad 軟件，對(duì)現(xiàn)有的船機(jī)槳進(jìn)行匹配校核，并通過(guò)實(shí)船測(cè)試驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，得到如下結(jié)果。

1）根據(jù)系泊特征校核和滿載航行特征校核結(jié)果，該50 m 近海運(yùn)輸船船機(jī)槳匹配基本合理。但考慮到近海區(qū)域惡劣天氣以及船體積污等影響，建議近海運(yùn)輸船以主機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，儲(chǔ)備10%～15%的主機(jī)功率為螺旋槳的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

2）部分壓載狀態(tài)下，實(shí)船測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

3）受當(dāng)時(shí)條件所限，未能驗(yàn)證滿載狀態(tài)時(shí)的船機(jī)槳匹配情況。建議新船試航時(shí)，以滿載狀態(tài)或船舶運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行試航。