袁 帅,姬朋辉,史祥东,丛孟营
(潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊 261061)
目前市场上一些小型船舶,其设计和建造过程不规范、水平普遍不高,如果船机桨匹配不当就会导致航速不达标或运营成本高等问题,且难以使用理论计算来进行准确的分析。市场中旧船更换主机也存在同样的问题:旧船在使用多年后,技术图纸不全,船体老旧,杂物、污底较多,难以使用理论计算来进行准确的船机桨匹配。
针对此种情况,根据多年的船机桨匹配经验,本文提出了基于船舶转矩测试来分析船舶的船机桨匹配情况,并实际应用于某港口运输船,取得了良好的匹配分析结果。本方法通过测试船舶在运营时,主机的输出转矩和转速获取主机实际工作数据,结合主机性能参数、螺旋桨数据综合分析船机桨匹配情况,提出优化建议。另外,可详细准确的调研客户使用习惯,也为船用主机厂开发主机提供参考。
船舶在航行作业时,主机转矩通过传动轴传递给螺旋桨,轴在传递过程中产生扭转变形,通过测试轴的变形量,结合轴特性(轴材料、轴内外径),计算出转矩然后换算成主机输出转矩。同时通过光感转速传感器采集主机转速,以此计算发动机输出功率。
轴的变形量是通过应变片测量的,因此首先需要确定应变片在传动轴的位置,并使用游标卡尺测量该处轴直径。然后对该处进行仔细打磨,确保应变片黏贴处光滑、干净(无油污、锈蚀、麻点等)。主机转速通过光感转速传感器测量,传感器应在合适位置固定安装,一方面要确保在测试过程中不会产生摇晃、移动,另一方面要确保可以接收到反光片反射的信号,一般要求传感器与反光片的距离在15 cm以内。
应变数据信号无线传输至测试电脑,转速信号需通过数据线传输至测试电脑中。在电脑端通过对测试轴特性的设置,可实时显示出主机转速、主机输出转矩、功率等数据,以此可确定主机工作状态,分析船机桨匹配情况,为后续的优化工作提供基础数据。轴转矩测试示意图见图1。
图1 轴转矩测试示意图
本次测试船型为小型港口运输船,作业范围为港口码头到在附近海域停靠的大型船舶之间,以运输少量乘客、船员供给品为主,船舶吃水变化较小。测试船舶如图2所示,船舶基本信息见表1。
图2 测试船舶
表1 船舶基本信息
船舶平时停靠在码头附近,在接到运输任务后,需快速到达目的地进行人员或货物的运输。此类船舶以短途运输为主,停靠港操作频繁,对航速、操纵性、机动性以及加速性要求较高。为详细了解船舶运行工况,获取主机工作信息、评估船机桨匹配状态,对本船进行了转矩测试。
测试前需将船舶吃水调整至设计吃水(或本船营运常用吃水)处,并将船舶行驶至营运海域,待准备工作完成后开始进行测试。为详细收集主机在各常用转速下的运行情况,在船员的配合下,对主机进行逐步加载测试。具体实施步骤如下:主机转速从怠速开始,以每100 r/min递增至该主机油门最大或额定转速处,每个转速保持5~8 min;在航速稳定后记录主机转速、油温、水温及航速、海况等信息。
本次测试过程中,天气晴朗,海域内来往船只较多,测试船舶遭受海浪较多且随机性较大。测试中,在主机达到额定转速时,船舶航速15.2 kn,此时船员告知油门尚未加到最大,因此继续加大油门至最大后,左右主机转速约2 170 r/min,船舶航速16.2 kn。保存数据,测试工作结束。
测试数据显示,主机能够比较顺利的拉升至额定转速,在2 100 r/min时输出转矩约955 N·m、输出功率约212 kW,相比该转速下主机理论推进值240 kW,留有12.8%功率储备。在油门最大时,主机最大转速为2 172 r/min,基本上与本型号主机的超负荷转速2 167 r/min相等,此时输出转矩约1 039 N·m、输出功率约238 kW,接近主机额定功率。时刻—转速—转距数据见表2。
表2 时刻—转速—转矩数据
结合本主机性能数据和测试数据,绘制出主机功率转速曲线,如图3所示。通过实测数据可以看出,本船主机的实际推进曲线位于理论推进曲线下方,且随着主机转速的增高,趋势愈加明显。在额定转速下,主机理论推进功率为240 kW,实际推进功率212 kW,留有11.7%储备;在超负荷转速下,主机理论推进功率为264 kW,实际推进功率为238 kW,留有10.8%储备。由此可得本船螺旋桨匹配偏轻[1],可能出现主机油耗较高、无法发挥主机超负荷性能等问题。
图3 功率转速曲线
在后续调研中了解到,本船在实际运营中主机常用转速在1 500~1 800 r/min,主机运行在2 000 r/min以上的时间较少。综合考虑主机性能、客户使用习惯,建议更换螺旋桨,采用螺距更大的螺旋桨;根据测试结果,推荐螺旋桨螺距增大到0.7 m。如此可使主机实际推进曲线向上移动、使主机性能得到充分发挥,从而减小主机油耗,提高船舶航速,增加船舶运营竞争力。
本船更换螺旋桨后,新桨与旧桨直径、盘面比保持一致,仅将螺距增加至0.7 m。主机最大转速可达到2 160 r/min,船舶航速为17.1 kn,相比旧桨航速增加了0.9 kn;在常用转速区,相比旧桨,在主机同转速条件下,船舶航速增加了0.8~1.0 kn,极大的增加了本船运营竞争力,取得了良好的市场效果。