拖带工况下舰艇主机的管理研究

赵晓明，徐汇涛

● （公安海警学院 机电管理系，浙江宁波 315801）

拖带工况下舰艇主机的管理研究

赵晓明，徐汇涛

● （公安海警学院 机电管理系，浙江宁波 315801）

分析舰艇在拖带工况下的限制条件，阐述了舰艇拖带时，主机允许使用最高转速及最大航速的确定方法，并提出舰艇拖带时管理的注意事项。

推进曲线；最高转速；最大航速；航行管理

0 引言

在舰艇拖航过程中，要估算拖航航速，一般对于资料较充足的拖船，根据《海军防险技术手册》，计算被拖船阻力与航速的关系和拖轮拖力与航速的关系，通过作图法就可快速估算出来[1]。然而不能充分说明主机是否已经发挥了潜力，以及相对应的主机转速如何。另外，实际上有些船在进行拖带作业时并没有明确的系住拖力数据，还有些是在紧急情况下被当做拖船来使用的，那么在这种情况下，该船拖航能力、主机转速和拖航航速就需要进行估算[2]。

公安海警舰艇一般不执行拖带任务，但在执法执勤时，有时遇到特殊情况(如兄弟舰艇、违法嫌疑船舶等的主机损坏)也要执行拖带任务，此时的主机工况称为拖带工况。对于舰艇是否具有拖带能力、有多大拖带能力以及主机能开多高转速这些问题，如果不能真正理解，在执行拖带任务时，难免会出现误判断、误操作等情况，影响舰艇执勤任务的顺利完成。尽管舰艇的相关战术技术性能履历簿或设备使用保养条例均对舰艇拖带航速作了规定，如装备柴油机的某型舰艇规定：“拖带航行时，为了防止主机超负荷，主机转速不得超过根据推进器特性曲线所确定的允许转速，一般拖带本型舰时主机转速不得超过xx转/分”但是上述规定留有很大余地，并不是最大允许航速、转速[3]。那么这艘船能不能拖带大于本舰吨位的舰船？处于拖带工控时如何发挥舰船的最大拖带能力同时能保证主机的安全，如何确定最大允许航速和转速？本文从剩余功率着手，结合拖带工况时柴油机的推进特性曲线，分析舰艇的拖带能力及主机最高转速和最大航速的确定方法。

1 拖带工况分析

柴油机的推进特性，是指柴油机直接与螺旋桨连接(或通过离合器及减速齿轮箱连接)时柴油机发出的功率随转速而变化的关系，即按照螺旋桨所吸收的功率随转速而变化的规律变化时，各性能指标和工作参数随转速(或负荷)变化的规律[4]。由于舰艇在大海中以一定航速航行时，舰艇所受阻力和螺旋桨所产生的推力是相平衡的。此时，对主机和螺旋桨来讲，若是不考虑轴系和传动机构的损失，则柴油机发出的功率与螺旋桨所吸收的功率同样是相等的。所以，柴油机带动螺旋桨工作时，其功率等参数随转速变化的规律，也就是螺旋桨本身吸收的功率随转速变化的规律。所谓特性曲线是指功率等为纵坐标，横坐标为转速的曲线。

舰艇处于拖带情况下航行时，螺旋桨所产生的推力除了克服本舰艇的航行阻力外，还要克服被拖船的航行阻力，因此，与正常航行条件相比较，拖带工况的航行总阻力增加[5]，在主机转速相同的情况下，舰速必然相对降低，相对进程λp要减小，推进特性曲线变陡，如图1所示。图中曲线λp1为舰艇在正常航行条件下的推进特性曲线，曲线λp2、λp3分别为系泊试车和拖带时的推进特性曲线。位置时，柴油机的工作参数和主要性能指标随转速n而变化的规律[6]。螺旋桨吸收的功率是按推进特性线Np=Φ(n)变化的(如图2所示)。根据ΔN=Ne-Np，可得柴油机的剩余功率曲线(如图3中曲线OFBTH所示)。

图1 螺旋桨推进特性曲线

图2 螺旋桨吸收的功率

图3 剩余功率曲线

从图中可看出，拖带时的推进特性曲线λp3只能在标定推进特性曲线λp1和系泊推进特性曲线λp2之间变化，其变陡程度随被拖船阻力的大小而异。当主机在标定供油量时，配合工作点就是推进特性曲线λp3与主机的标定速度特性1的交点T，其对应的转速nT即为拖带工况时主机的最高允许转速，当n＞nT时即属于超负荷运转。

1.1 剩余功率

所谓剩余功率，就是舰艇处于标准状态下航行，在特定的航速和主机转速下，主机允许发出的最大功率 Ne与螺旋桨所能吸收功率 Np之间的差值，即剩余功率ΔN=Ne-Np。一定转速下主机允许发出的最大功率通常是由标定速度特性曲线Ne=μ(n)所决定的，所谓标定速度特性曲线指柴油机在标定转速下发出标定功率时的供油量

1.2 舰艇拖带能力的限制

舰艇主机若没有剩余功率，就不具备拖带能力，但舰艇拖带能力并不仅仅取决于剩余功率，它还受到四方面的限制：一是标定速度特性线的限制，超出此线，柴油机将超负荷运行；二是系泊推进特性线的限制，此线表示拖带时螺旋桨在不同转速下吸收的最大功率；三是标定推进特性线的限制，此线表明舰艇必须克服自身的航行阻力；四是最低稳定转速线的限制，此线是保证主机稳定运转的基本条件。

拖带时的配合工作点只能落在以上四条曲线所构成的区域f-D-B-H-f之内(图2所示)。因此，图3中的剩余功率ΔN并不全是完全可以利用的功率，只有在f-D-B-H-f所构成区域内的功率，才是真正可以利用的功率，f-D-B-H曲线称为实际剩余功率曲线。从实际剩余功率曲线上可以看出，在B点实际剩余功率有最大值，B点对应的主机转速为nB，而nB是系泊试车时主机所允许运转的最高转速。因此，在实际拖带工作中，若要使被拖船获得最大拖力，应将主机的转速开至系泊试车时的最高转速，若此时仍拖不动被拖船，则说明不超负荷运转就别无选择了[7]。而在标定转速时，剩余功率ΔN=0，此时主机发出的功率完全用来克服舰艇自身航行阻力，拖带能力为零，这说明转速愈高拖带能力愈大的观点是对操纵管理很大的误解。如何确定舰艇拖带时主机最高转速，在实际操纵过程中有下述两种方法。

2 拖带时最高航速及主机最高转速的确定

提出3种计算方法，在满足主机安全使用的前提下，计算拖带工况下主机转速和最大允许航速计算方法，其中部分算法可以使用计算机自动生成。

2.1 经验公式估算法

舰艇执行拖带任务时，若有被拖船的性能资料，可以用经验公式首先确定拖带时的最高航速 VTmax，然后确定拖带时允许使用的主机最高运转转速。

1）确定拖带时的最高航速VTmax：

式中：Nb为拖带舰艇系泊试车时的最大功率；NH1、VH1分别为拖带舰艇的标定功率、标定航速；NH2、VH2分别为被拖船的标定功率、标定航速。

2）确定拖带时主机的最高转速nTmax：

式中：nB、nH1为拖带舰艇的系泊试车转速和标定转速。

2.2 实际航行试验法

在很多情况下，往往缺乏被拖船的性能资料，通过前面舰艇拖带能力的分析，可知如下方法可确定主机最高允许拖带转速：首先将主机转速逐渐增加到系泊工况最高转速 nB(nB=0.7nH～0.8nH)，然后检查主机的最高爆发压力、排气温度、油水温度以及加油齿杆位置等，根据这些检查数据来判断主机是否接近标定速度特性线工作。如未达到，可逐步加速，直到主机参数显示接近标定速度特性线为止。此时柴油机的转速即为拖带时允许使用的最高转速。

2.3 公式计算法

该方法从船-机-桨角度出发，求出拖带时主机外特性曲线和螺旋桨吸收功率曲线的交点，交点对应的转速就是最大允许转速 nTmax，同时相对应的航速即为最大航速VTmax。可按以下步骤进行：

1）算出两船拖带时针对不同航速的总阻力R总，并进行拟合。

2）将拖船的螺旋桨水动力曲线拟合成公式，即：

推力系数 K1=f1(λp1) f1、敞水效率 ηo=f2(λp)

式中：系数λp=VA/nD，VA=v·(1-ω)；D 为螺旋桨直径；ω为伴流系数；n为螺旋桨转速，v为航速。

3）设定一系列拖带速度Vi及相应的拖带阻力Ri，由

R=T(1-t)=K1ρn2D4(1-t)，可得一系列拖带转速ni

式中：t表示拖船推力减额系数；T表示螺旋桨推力；

拟合之后可以得到拖带时转速-航速的关系式 v=f3(n)。

4）综合可得到一系列PTEi=ViRi，PTE为推进功率。

5）由螺旋桨吸收功率Pp和推进功率的关系式，可得一系列Ppi，拖带时螺旋桨吸收功率公式Pp=f4(n)就是该拟合公式。

6）将拖船主机外特性曲线进行拟合得到公式PS=f5(n)。

7）满足Pp=PS的值所对应的转速就是拖带工况下的最大转速nTmax。

单纤维肌电图在甲亢伴眼肌型重症肌无力和Graves眼病鉴别诊断中的价值 … 李文娟，王玉凯，谢坚 422

8）将nmax代入关系式V=f3(n)，可得到拖带工况下最大航速VTmax。

3 拖带航行时的管理要点

除了掌握舰艇的拖带能力和主机转速确定方法外，在实际管理工作过程中，还要注意以下几个方面。

3.1 起拖要逐步提速

当两个船舶紧固系牢后才能进行起拖。且起拖时要逐步提速，在期间可以微进车，同样也可反复使用停车与微进车指令，保持稳定的悬垂量后可逐步提速。此外，当提速至2kn时，就可逐步开始提速，并根据行程控制好每段的提速量，提速量控制以每个区域段0.5kn为宜，目的是稳定悬垂量，并与事先预定好的提速目标相符合。

3.2 转向控制

当在拖行过程中时需要大幅度转向时，应尽量展开多次进行，并把转向角度尽可能控制在20°之内。特别是对船舶在行进过程中对于一些浪涌、潮流现象控制时，应当保证转向角度控制在5°之内；没有较大风浪、潮流时可控制在 5°～20°转向行驶。此外，控制转向角度问题时也要对被拖救船舶的情况加以考虑，即等到被拖救船舶完全转向行驶后的角度时，才能进行下一次转向。

3.3 注意拖缆长度，防止拖翻舰艇

拖缆长度要适当，拖缆过长则易垂入水中被螺旋桨缠住，过短则由于两船起伏摇摆不一致，会出现冲击载荷，易将拖缆拉断，一般以拖缆垂于水面为宜。此外，由于拖缆一般系在甲板上，拖力的作用点高于舰艇的重心，拖力的横向分力对舰艇构成一个倾覆力矩，影响舰艇的稳定。特别是转弯时，若不减速航行，易将舰艇拖翻。此外，若被拖船的艉轴没有被刹住，还应经常检查被拖船艉轴等轴承及齿轮箱内的润滑情况。

4 结语

1）舰艇拖带时的推进特性曲线只能在标定推进特性曲线和系泊推进特性曲线之间变化，其变陡程度随被拖船阻力的大小而异。

2）从剩余功率出发，可以对舰艇拖带时最高航速及主机最高转速进行估算。

3）拖带工况下，在实际管理工作过程中，要充分考虑提速、转向、拖缆长度等因素，防止发生意外事故。

[1]肖冰, 石爱国, 余力, 等.确定任意舰船拖带组合最大允许航速的新方法[J].船舶工程, 2006, 28(1):17-20.

[2]汪福强, 张富刚.应用螺旋桨性能曲线估算拖航最大航速[C]//第五届中国国际救捞论坛论文集, 2008:244-246.

[3]朱建元.船舶柴油机[M].北京: 北京人民交通出版社, 2004.

[4]丁江明, 王永生, 黄斌.调距桨锁轴拖带工况最小拖桨阻力和水动力矩[J].上海交通大学学报, 2012,46(3): 423-429.

[5]孙明.轮机管理[M].大连: 大连海事大学出版社,2005.

[6]金仲达.船舶概论[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2002.

必维助纽威取得SIL3证书为其提供功能安全本土化一站式服务

此前，全球最大的阀门制造商-苏州纽威阀门股份有限公司（以下简称“纽威”）与全球知名测试、检验、认证和技术咨询服务供应商-必维国际检验集团（Bureau Veritas，以下简称“必维”）达成关于设备功能安全的合作协议，邀请必维帮助保证其产品在从设计到报废的整个生命周期内的功能安全。如今，必维助纽威六大类的产品全部顺利地通过了所有续证扩证的项目，并且取得了SIL3等级的功能安全认证证书。

必维检验认证部中国区总监范江锋介绍：“此次认证包含了六大类，几十种小类产品的审核，能在较短的时间内完成，与必维提供的本土化一站式服务密不可分。必维的认证过程严格按照2010新版IEC61508标准，对纽威产品的安全生命周期进行了全面审核。纽威产品取得的SIL3证书，证明其产品的安全等级已经达到了国际标准要求，并且具备了在流程工业安全仪表市场应用的资质，为其开拓市场起到了一定的促进作用。”

自2013年起，必维开始大力在国内拓展功能安全业务。至今，必维已经与浙江中控、泰科、纽威等十余家企业签订了功能安全认证服务合同，为包括传感器、安全栅、执行机构、阀门以及继电器等不同类型的企业提供独立的第三方功能安全认证服务，并与国内西门子、ABB、德尔格、国核自仪、中国商飞等建立了不同程度的业务联系。一年以来，必维在功能安全认证领域积累了丰富的实战经验，从而进一步提升了服务能级，致力于为国内企业提供功能安全本土化一站式服务。

（必维国际检验集团）

Analysis on Towing Capacity of Ship and Max Speed of Main Diesel Engine

ZHAO Xiao-ming, XU Hui-tao
(Public Security Marine Police Academy, Ningbo 315801, China)

The constraints of towing capacity are analyzed from remaining power.When the ship is on towing condition, the method how to determine max speed of main diesel engine is described , and the advertent matters of management are proposed.

propelled characteristic curve; maximum speed of revolution; maximum speed; traffic management

U663

A

浙江省教育厅科研项目资助（Y201431936）

赵晓明（1986-），男，助教，硕士，研究方向为轮机工程