船舶加速性问题及解决方案研究

◎ 惠磊　新世纪船舶设计研发（上海）有限公司

船舶加速性问题及解决方案研究

◎ 惠磊新世纪船舶设计研发（上海）有限公司

通过对船舶加速性问题的研究，针对增加船舶加速性能给出了3个主要途径，并提出了可实现这三个途径的解决方案，通过对主机，螺旋桨，轴系等不同设备的技术要求，改善其对加速性的影响，在船舶建造的不同阶段，通过选择合适的解决方案来提高船舶加速性能，并对这些方案进行汇总和对比，以便于灵活选择解决方案。

加速性 储备功率 轻转裕度 扭振 扭矩限制线

1.引言

船舶的操纵性（加速）能是影响船舶安全航速的因素之一，以前建造的船舶，航速较高，主机功率也很大，出现加速性问题十分罕见。近年来，由于节能减排，主机厂家推出新一代的功率增大而转速降低的主机；船厂也推出采用新一代主机降功率使用和降低航速的新一代节能性船舶。有些节能船舶投入运营之后，出现一个问题：在船舶操纵过程需要船舶加速，以快速行驶离开或规避碰撞时，当给船舶（主机）发出全速前进的指令，船速不但没有增加，反而降低；如果给船舶（主机）发出低速前进的指令，主机便会因超负荷运行而发出报警。这不符合《国际海上避碰规则》第六条之规定“每一船舶在任何时候均应以安全航速行驶，以便能采取适当而有效的避让行动……”。有些港口当局也以安全为由，禁止这些出现过加速问题的船舶进入。

因此，从船舶安全航行的角度，有必要对船舶的加速性问题进行研究，对于新设计的船舶，从源头上避免出现加速性问题，对于存在加速性问题船舶，提高其加速性以达到相关要求。

2.加速性问题产生原因

随着人们对环境及能耗问题的日益重视，使控制温室气体（GHG，Greenhouse Gases）排放成为全人类面临的一个世界性问题。由于二氧化碳的排放和能源效率是紧密联系在一起，对于减少航运业温室气体排放，国际海事组织（IMO）为船舶建立一个最低能源效率的指标，即EEDI（Energy Efficiency Design Index）。EEDI是在船舶设计阶段，对于每单位船舶运输量（货运量）所产生的CO2排放的估算。EEDI指数越高，能源效率越低。采用船舶能效设计指数，就是要在船舶设计阶段考虑提高船舶运输量并通过各种手段降低CO2的排放。在2011年，MEPC62次大会修订了MARPOL公约附则VI“防止船舶造成空气污染规则”，新增了第4章“船舶能效要求”，要求2013年1月1日以后新建的船舶必须在不同时期满足相应的EEDI限值要求。

近年来，对于新造船来说，采用降功率主机和降低船舶航速能显著的降低EEDI。对某些类型的船舶来说，主机功率的降低，虽然能节省燃料和降低温室气体排放，但是也降低了船舶的航速，降低了船舶加速时越过转速禁区的储备功率，同时降低在恶劣海况及污底情况下主机的加速性能。如果越过转速禁区的储备功率不足，主机无法在短时间内越过转速禁区，处于对主机及轴系安全的保护，便会自动降速，使转速降到转速禁区之外。

针对普遍使用主机降功率问题，同时考虑到EEDI和主机在恶劣海况下的操纵性因素，IMO对不同类型的船舶提出了安装主机的最小功率的要求。

3.加速性问题分析

衡量船舶加速性的一个主要参数是船舶加速时可用的主机储备功率与螺旋桨所吸收最大功率的比值。储备功率是在指主机在某一转速下能输出最大的持续运转功率和在这一转速下螺旋桨所吸收的最大功率之差。储备功率随着主机转速的不同而变化。

即（PC ont i nuou s-PHe av y propeller）/PHeavy propeller这一比值是衡量船舶加速性好坏的重要参数。其中：

PContinuous是主机受扭矩限制所输出的最大功率，是主机自身特性决定的。

图1　主机转速与功率示意图

PHeavy propeller是螺旋桨所吸收的最大功率，是由螺旋桨的特性决定的。

这个比值越大，船舶的加速性能越好，反之，这个比值越小说明船舶加速性越差。

为了便于说明，图1展示了某型主机/螺旋桨转速和储备功率的变化情况。图中两条竖线之间的区域是转速禁区，就是为防止轴系扭振时应力超过许可值而应避免使用的转速范围，主要由主机及轴系特性决定。主机应具有能快速通过转速禁区功能，禁止在此区域长时间运行，防止损坏主机及轴系。

通过对图1进行分析，可以得出提高船舶加速性的方法：

（1）提高主机的扭矩限制功率，即将图中主机扭矩限制线上移；

（2）降低螺旋桨最大吸收功率，即将图中螺旋桨最大吸收功率线下移；

（3）将图中转速禁区（B S R :barred speed range）向左移动以增大储备功率，或尽可能减小或消除转速禁区。

4.提高船舶加速性的解决方案

4.1主机方面

4.1.1提高主机的扭矩限制功率

MAN B&W主机厂家在新版本的主机上采用一项DLF（Dynamic Limiter Function）新技术来提高主机自身的扭矩限制功率，同时避免长时间超负荷运行的风险。这项技术已经集成在主机控制系统（ECS），对于已交付的主机，MAN B&W给出了在轴系扭振允许的前提下，通过以下几方面来改善主机自身的扭矩限制功率：

（1）提高调速限制器指数，采取提高燃油限值指数和排气阀正时限制等措施。在通过转速禁区阶段时，调速限制指数可能最大能提高到20%，具体值需要考虑主机扭振和避免黑烟（燃料在气缸内不充分燃烧）现象。

（2）如果采取（1）出现黑烟现象，或还没有达到足够的加速性，就需要提高压气比（pcomp/pscav），这可能需要加大主机供风机的功率。需要注意的是，提高压气比将导致扭转振动的增大。

（3）采取（1）、（2）措施只是权宜之计，最终还需要升级主机控制系统（ECS）。

WINGT没有提出这种方案是因为WINGT主机因为采用高压共轨技术，其本身的扭矩限制功率较大。这一点可以通过比较两者扭矩限制功率与转速N的关系得出：

WINGT扭矩限制功率：P2/P1=（N2/N1）2.45；P2、N2分别为主机限制功率及其转速；P1、N1分别为主机额定功率及转速。

M A N B&W扭矩限制功率：P=c·Ni；其中，c为常数，i=2。

4.1.2向左调整转速禁区或者消减转速禁区

对于已选定的主机，一种有效调整转速禁区的方法是通过改变主机飞轮转动惯量，同一主机，主机厂家有多种不同转动惯量的飞轮可供选择。通过扭转振动的计算，在主机订货时可考虑选用较大转动惯量的飞轮（重飞轮）。

另外，选用较多气缸数的主机来改善扭振特性，这需要综合考虑到主机的成本，燃油消耗率及机舱布置的要求。

4.2螺旋桨方面

在船舶设计时，通过加大螺旋桨的轻转裕度（LRM：light running margin）来提高船舶的加速性能是一种非常有效的方法。

对于船舶加速性及操作安全性来讲，LRM是一个非常重要的参数。MAN B&W和WINGT等主机，对LRM都有明确的要求：

对于MAN B&W主机，在2015年5月1日之前，推荐LRM为3.0%～7.0%；在2015年5月1日之后，推荐LRM为4.0%～10.0%。

表1　螺旋桨随边和叶梢切割及其影响对比

对于WINGT主机，推荐LRM为4.0%～7.0%。

对于通过切割螺旋桨叶片来增加轻转裕度，表1给出了螺旋桨的不同切割方式及其影响的对比。

4.3推进系统轴系方面

推进轴是将主机产生的功率传递到螺旋桨，同时将螺旋桨产生的推力传递给船体，来推动船舶的航行。轴系工作的稳定性决定了船舶能够正常运行的可靠性。IACS对轴系的设计及其扭振有着明确的要求。船舶推进轴系对加速性的影响主要是通过消除/减小转速禁区或者向左移动转速禁区表现出来。可采取如下方案：

（1）采用减震器（动力性减震器，阻尼性减震器以及动力阻尼性减震器等），在轴系中增加减震器来消减系统的扭振，达到减震目的，可以有效的消除/减小转速禁区，这将增加设备，成本高且受机舱布置的限制。

（2）调整轴系柔度，即调整轴系中间连接部分的柔度，因为改变内燃机曲轴部分柔度的可能性很低。

①通过调整轴系的直径来调整柔度。

推进轴直径的大小由下式确定：

式中，d为计算最小直径；di为轴内径；do为轴外径；F为与推进系统有关的系数；k为系数；n0为主机在额定功率下的转速；p为主机的额定功率；σB为轴材料的抗拉强度。

通过上式可以看出，通过选择抗拉强度较高的轴系材料可以有效的减小轴的直径。但是在选则轴系材料时，过高抗拉强度的合金钢锻钢材料对疲劳特别敏感，在选择合金钢材料时，对轴的疲劳分析计算是有必要的，同时船级社明确指出对于选择抗拉强度值大于800N/mm2计算轴径的抗拉强度超过800N/mm2，但低于950N/mm2，用于中间轴的合金钢锻钢件，应每炉在一个代表性锻件（或轧件）上尽可能位于相应于铸锭的头部位置制取夹杂物分析试样，这一点要特别注意。

②调整轴的长度。调整轴长度可以改变轴系的柔度，但这受机舱布置的限制，调整范围有限。

5.结论

船舶的加速性对船舶操纵非常重要。在概念设计时就需要综合考虑主机-轴系-螺旋桨的匹配等各个影响因素，使船舶既能满足加速性要求，又能满足EEDI高标准的要求。对于建造过程中的船舶，在主机订货时，尽可能选择新版本的主机；在轴系设计时，合理选择轴系的材料及抗拉强度；对于已经交付的船舶，通过主机厂家对主机ECS进行升级是最简单有效的一种方式，其次就需要对螺旋桨进行切割。

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