船舶螺旋桨轻转裕度探讨

吴小平

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

轮机与辅机

船舶螺旋桨轻转裕度探讨

吴小平

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

针对船舶装机功率下降而螺旋桨轻转裕度未随之更改导致在恶劣海况下主机无法输出足够功率的问题，讨论螺旋桨轻转裕度。探讨轻转裕度对船舶相关性能的影响，包括恶劣海况下的功率储备、操纵性及快速跨越主机转速禁区等。此外，讨论节能装置对轻转裕度的影响。

螺旋桨；轻转裕度；机桨匹配

0 引 言

螺旋桨轻转裕度（Light Running Margin，LRM）是船舶设计中的一个重要概念，对船舶的多项性能都有较大影响。有些船舶因在试航期间轻转裕度不达标而无法交船，还有些船舶因轻转裕度偏低而在运行后出现油耗升高、在恶劣海况下主机转速受限等各种各样的问题。因此，在设计之初选择合适的螺旋桨轻转裕度非常重要。

近年来，受能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的影响，船舶装机功率呈下降趋势。在螺旋桨设计领域，沿用多年的轻转裕度并未随之更改，这就导致船舶在遇到恶劣海况或螺旋桨重载工况时，主机无法输出足够的功率来满足船舶正常航行和作业的需求。轻转裕度过小会导致螺旋桨长期重载、主机油耗增加；轻转裕度过大有可能导致螺旋桨效率降低。影响轻转裕度的因素有很多，在设计之初，应根据具体情况选择合适的轻转裕度。除了考虑主机降功率的因素之外，还应考虑海况的恶劣程度及轻转裕度与其他性能（如快速性、操纵性等）之间的平衡。当前，业界普遍接受的轻转裕度为3%～5%。但是，随着主机功率的降低，轻转裕度有上升的趋势。例如：主机厂商MAN公司1999年以前建议轻转裕度取2.5%～5%，1999年之后建议取3%～7%，2015年则建议取4%～10%；国际拖曳水池会议（International Towing Tank Conference，ITTC）在其2008年颁发的指导文件中建议轻转裕度取5%～7%[1]。

根据某型船规格书对轻转裕度提出的要求（螺旋桨设计应考虑推进效率、空泡及振动性能，在设计吃水状态、轻微海况、洁净船体并考虑节能装置的条件下，螺旋桨吸收主机额定功率时的转速应高于额定转速5%。），螺旋桨在设计吃水状态时，考虑节能装置的影响，在额定功率下应达到5%的轻转裕度。

1 轻转裕度的定义

若船舶安装有减速箱或可调螺距螺旋桨，则可通过调节减速比或螺距来控制螺旋桨的转速，轻转裕度并不是太大问题。但对于主机直接驱动固定螺距螺旋桨，即螺旋桨转速与主机转速相同，则情况就不同了。图1给出主机特性曲线和螺旋桨负荷曲线，螺旋桨轻转裕度定义[2]为

式(1)中：nL和nS分别为螺旋桨轻载负荷曲线及螺旋桨标准负荷曲线在指定功率下的转速。根据式(1)的定义，图1中100% SMCR功率下的轻转裕度为5%。

图1 轻转裕度定义

2 轻转裕度对船舶性能的影响

若设计螺旋桨时不考虑轻转裕度，则当螺旋桨承受重载荷时，主机将无法输出足够的功率，导致航速降低、油耗增多，甚至威胁船舶航行安全。螺旋桨重载包括恶劣海况、船体污底、螺旋桨老化、限制航道、船舶加速及港口操作等情形。

2.1 EEDI最小航速

为保证船舶在恶劣海况下安全航行，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）海洋环境保护委员会（Marine Environment Protection Committee，MEPC）在2013年举行的第65次会议上对恶劣海况下船舶最小主机功率和最小航速提出了要求[3]。根据IMO的定义，恶劣海况参数见表1。为应对恶劣海况，除了要有轻转裕度，还要保证海况裕度（Sea Margin）符合要求。海况裕度是指船舶在风浪中航行时的主机功率相对于在静水中航行时的主机功率所增加的百分比。轻转裕度与海况裕度有联系，但二者不可混淆。若螺旋桨没有足够的轻转裕度，则即使主机留有海况裕度，其在恶劣海况下也未必能充分利用这部分海况裕度，也就未必能达到指定的航速。由此可见，螺旋桨轻转裕度会影响到EEDI航速。

表1 IMO EEDI计算所定义的恶劣海况参数

2.2 主机选点

在船舶设计中，通常会遇到主机型号选定而功率选点有多种可选方案的情形。对于同一主机不同的选点（例如图2中的A点和B点），螺旋桨应根据不同的选点来设计，以保证螺旋桨与主机最佳匹配。若2个选点采用相同的轻转裕度（如5%），则由于B选点功率小，B选点螺旋桨在极端重载时只能吸收7520kW的功率，无法达到A选点螺旋桨8360kW的功率。反之，若适当增加B选点螺旋桨的轻转裕度（由5.0%提高至6.9%），则B选点亦能达到与A选点相同的功率（见图3）。这表明，若主机SMCR降低，要保证螺旋桨在重载工况下仍能吸收足够的主机功率，可通过提高轻转裕度来实现。

图2 轻转裕度与主机选点的关系

2.3 低速操纵性

在港口或限制水域，船舶操纵性尤为重要，需保证船舶在低速或静止状态下具有较好的操纵性以完成转向、前进及倒车等操作。图4以MLRM=3%和MLRM=10%的2个螺旋桨为例，说明轻转裕度对操纵性的影响，2个螺旋桨均处于重载状态，可认为是系柱工况。从图4中可看出，重载时螺旋桨载荷曲线向左移动。此时，轻转裕度较大者能输出61%的主机功率，而轻转裕度较小者只能输出41%的主机功率。较大的功率和转速有利于操纵性。由此可知，当船舶处于低速航行或静止状态时，轻转裕度越大对操纵性越有利。

2.4 转速禁区

图4 轻转裕度对操纵性的影响

由于主机在某些转速区间内会产生过大的扭振，长时间在该区间内运行会导致主机受损，因此主机厂家通常会设置一个转速禁区防止主机受损。从图5中可看出，在转速禁区的上限，轻转裕度较小者仅有少量的功率裕度，将导致主机无法通过或无法快速通过转速禁区，对主机造成损伤。相比之下，轻转裕度较大者有足够的功率裕度来保证主机快速越过转速禁区。尽管可通过调节主机调速控制器暂时解决主机无法快速越过转速禁区的问题[4]，但根本的解决途径还是提高轻转裕度。

2.5 主机油耗

在良好的海况下，轻转裕度越大，主机油耗越多；而在恶劣海况下，轻转裕度越大，主机油耗越少。螺旋桨在重载时，其转速-功率性能曲线将左移，对于主机特性图中的大部分区域，曲线左移将导致主机油耗增加（见图6）。选择相对较大的轻转裕度可延缓螺旋桨曲线左移，从而降低油耗。尽管轻转裕度较大的螺旋桨在平静海域内油耗略多，但考虑到在恶劣海况下轻转裕度较大会降低油耗，两者相抵消。因此，选择较大的轻转裕度，主机综合油耗并不一定会有明显的增加。

3 节能装置对轻转裕度的影响

节能装置在船上的应用十分广泛，可通过改善桨前或桨后的流场来提高推进效率，从而达到节能的目的。加装船后节能装置（如Mewis导管[5]和毂帽鳍）会对螺旋桨的转速产生影响，从而影响轻转裕度。根据经验，Mewis导管可减小轻转裕度0.5%～2%，毂帽鳍可增加轻转裕度0.5%～1.0%。螺旋桨和节能装置通常由不同的厂家提供，由于双方缺乏有效的沟通，螺旋桨轻转裕度偏离期望值的案例屡见不鲜。若加装节能装置，双方应就节能装置可能给螺旋桨带来的影响进行详细评估。

图5 轻转裕度对跨越转速禁区的影响

图6 主机油耗

4 结 语

螺旋桨轻转裕度对船舶性能有重要影响，不仅影响船舶的作业效率，还影响船舶的安全运营。随着船舶降功率的趋势日益加快，业界沿用已久的3%～5%的轻转裕度已难以满足实际运营需要。从根本上看，主机无法输出预定功率、油耗增加及无法快速跨越转速禁区等问题很可能均与轻转裕度有关。对于经常在恶劣海况下航行的船舶，应适当增加轻转裕度。

[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

吴小平，男，高级工程师，1979年生。2008年毕业于上海交通大学船舶与海洋结构物设计制造专业，现从事船舶设计工作。