LNG燃料改装船保留原有螺旋桨的机-桨匹配分析

杨涛 谷志明 兰亮 严姬

摘    要：由柴油燃料改装为LNG燃料的船舶，其最低改装成本方案是仅将原型柴油发动机变更改成LNG发动机，原有的轴系、螺旋桨保留不变。有关资料表明，对于内燃机，因其燃料特性的改变将引起发动机的工作特性改变，因此如将原发动机的燃料转变为LNG燃料并仍采用原有螺旋桨的改装船，应开展机-桨匹配的可行性分析，以减少此类改装船推进系统匹配问题的风险。本文举例介绍由柴油改为LNG燃料船舶的机-桨匹配性分析、校核、修正流程和方法。

关键词：改装船；原船螺旋桨；LNG发动机；机-桨匹配性

中图分类号：U664.121                            文献标识码：A

Analysis to Engine-Propeller Matching Based on

Ship Converted from FO to LNG Bunkers with Propeller Kept

YANG Tao，  GU Zhiming，  LAN Liang，  YAN Ji

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，  Guangzhou 510250 ）

Abstract： The cheapest plan for ship converted from fuel oil bunkers to LNG is that original diesel oil engine is converted into LNG engine only， and the existing shafting， gearbox and propeller are still remained. The datum shows that the internal combustion engines performance will be changed along with its bunkers character change. So that， for the converted ship， if its main engines applying diesel oil bunkers are converted to LNG， and original propellers are kept， the analysis and judgements for engine-propeller matching should be done too， vice versa， to reduce the risk of propelling system operation after converted. This article will introduce briefly the analysis， checking， amendment flow paths and methods for the ships converted from combustion diesel oil to LNG bunkers.

Key words： converted ship; original propeller remained; LNG-engine; engine-propeller matching

1     前言

目前船舶多采用柴油作為燃料，排放大量有害气体，给空气造成严重污染。为此，各国政府陆续出台环保相关规定、编制有关标准、修订防空气污染法规，要求在规定期限内将其有害气体的排放量下降至规定限值，从而促使船舶行业掀起绿色造船、绿色用船的热潮。船舶采用LNG作为动力燃料，可大幅降低有害气体排放量，有效满足相关环保要求，各地水上航运业主纷纷提出需求，对现有船舶实施改造，将原柴油燃料发动机改装为LNG燃料发动机。

对于同款发动机，如所用燃料不同，不仅其燃料供应系统的结构和配置会发生改变，而且发动机的工作特性也会产生相应变化。因此，如果船舶主机由柴油发动机改装为LNG发动机，即使发动机主体不发生改变，其推进特性与原船的推进器（螺旋桨）的匹配性也需重新进行论证，才可确保改装后的动力推进系统可靠、稳定地运行。本文以某型系列改装船为例，简要介绍LNG改装船发动机更新而留用原有螺旋桨的机-桨匹配分析、校核、修正过程和方法。

2    原船配置情况

假设某型船设双主柴油机、双螺旋桨，主机额定功率约为385 kWx1 200 r/min，减速齿轮箱的传动比为5：1。

为了减少改装工程量，节省改装成本，改装方案仅更换发动机，而保留原船的推进轴系、齿轮箱及推进器，且换装的设备安装尺寸尽可能维持不变，以减少基座的更改工作量。为使改装后的机-桨仍然匹配，首先应了解原船螺旋桨的推进特性。经验表明，转速—功率和转速—扭矩两个特性的匹配，是关系船舶推进装置有效性、可靠性和安全性的两大因素。为此，在改装前需获得原船螺旋桨的转速-功率和转速-扭矩特性，以及齿轮箱的传动比等基础数据，以便对其匹配性进行分析。

基于原柴油主机的额定转速约为1 200 r/min、齿轮箱减速比为5：1，如果改装后的LNG主机额定转速高于原柴油主机额定转速，为1 350 r/min，则应求得主机转速1 200～1 350 r/min所对应的螺旋桨参数，以对比分析改装后的推进装置匹配性。如果缺乏螺旋桨资料，可通过原螺旋桨特性曲线求得其螺旋桨功率值，并根据下式得到螺旋桨的相应扭矩值（表1）。将所得数值绘制成曲线图，如图1、图2所示，图中虚线为主机转速1200～1350 r/min所对应的螺旋桨功率和扭矩值。

式中： T—螺旋桨轴扭矩，Nm；

P—螺旋桨功率，kW；

n—螺旋桨转速，r/min。

3     改装船机-桨匹配性分析

为保证改装后推进系统能可靠运行，需对机—桨匹配性进行分析。通常需核实其功率特性曲线和扭矩特性曲线的匹配性，以防止船舶在任何工况点出现主机功率或扭矩不足问题；还应考虑留有足够的风浪影响裕度，以减少船舶航行中主机熄火、长期冒黑烟等问题，提高其使用安全性。为此，除非重新设计螺旋桨，应基于原母型船的螺旋桨特性，结合主机特性进行机-桨匹配性分析。

3.1发动机功率特性匹配性分析

首先应进行功率特性匹配分析，在确认功率特性匹配后，再进行扭矩特性匹配性分析。

为减少改装工程量，节约成本，首选方案是选用与柴油发动机同系列型号的LNG发动机，即其基体与原柴油机基本相同，主机安装尺寸和轴系、齿轮箱维持不变。该方案的LNG发动机功率特性与原螺旋桨的功率特性对比，如表2所示。

由表2可知：更改后的LNG发动机额定转速-额定功率，由原来的1 200 r/min、385 kW，改变为1350 r/min、348.4 kW。LNG发动机在转速1 200 r/min的功率比螺旋桨所需功率小了36.6 kW。由此可知，更换LNG发动机后，在原齿轮箱不改装的条件下，主机转速不能达到或超过1 200 r/min，在主机高转速区存在严重超负荷问题。

将表2中参数绘制成功率特性曲线图，可更直观其机-桨功率匹配情况，如图3所示。

从上分析可知，仅将原柴油发动机改换为同规格的LNG发动机，而原齿轮箱的传动比保持不变，则其机-桨的功率特性不匹配，主机达不到额定转速。

对此，通常可采用两种方案解决，见表3所示。

为节约改装成本，选择上述方案二。而改变齿轮箱传动比，亦可有两种方案，见表4。

基于上述分析，因主机在高转速区有严重超负荷现象，为此其齿轮箱的减速比应增加。经综合对比，齿轮箱改装采用表4中方案B；在确定实际传动比过程中，应保证齿轮的传动比可实施、机-桨的转速-功率匹配可行，其传递能力足够。假设改装船的齿轮箱减速比由原来的5：1改为5.71：1，并据此重新计算出螺旋桨各工况点的功率特性参数，如表5所示。

由表5可知，齿轮箱传动比修改后，其各工况点均有25%以上的功率裕度，且在低转速区域，其功率裕度达到60%以上。基于上述数据绘制特性曲线图，可直观改装后其机-桨功率的匹配情况，见图4所示。由此可知，齿轮箱减速比调整为5.71：1，其机-桨功率特性匹配好，可满足各工况的使用要求；但在额定转速点，主机在额定转速下未能达到额定功率，因此主机满负荷航行试验的考核方式需与船检协商确定。

3.2  发动机扭矩特性匹配性分析

核实船舶推进系统的机-桨匹配性，除其功率特性匹配外，还需扭矩特性匹配。因船舶航行时，如果推进螺旋桨的扭矩超过主机的能力时，其主机转速将无法达到设计值而影响使用。为此，在完成机-桨功率匹配性核实后，还应基于已定齿轮箱传动比，校核其机-桨扭矩特性的匹配性。

忽略轴系传动效率，该型船齿轮箱改装后的扭矩特性值见表6，并将其绘成曲线进行对比，如图5所示。

由表6可知，齿轮箱改装后，主机转速小于900 r/min的扭矩裕度达100%以上，在额定转速点亦有一定裕度。由此可知，在主机低转速区间，船舶加速性能良好，推进系统各工况均具有较强的抗风浪能力，因此选用齿轮箱减速比5.71：1后，其机-桨扭矩特性匹配可满足各工况的使用要求。

4    推进轴系强度核算

主机额定功率改变和齿轮箱传动比调整，均将引起轴系传递扭矩变化，因此对改装船除校核机-桨匹配性外，还应对其轴强度和齿轮箱能力进行核算。通常，轴系强度计算和齿轮箱传递能力计算，取额定转速/额定功率作为设计输入。假如某型发动机在其额定转速附近存在一个大于额定功率的峰值点（如图6所示：主机在462 kWx1 400 r/min点高于其额定值405 kWx1500 r/min），鉴于该峰值点在常用转速点附近，如船舶在风浪中航行或沿逆流航道航行或船体表面光洁度变差后，螺旋桨运行的功率特性曲线通常均会向左侧偏移，从而大概率出现主机长期在峰值点处运行的工况。为此，在轴系强度计算及齿轮箱的传递能力计算中，宜增加其在功率峰值点工作的能力核算，所有配置除满足额定工况外，还应满足在峰值点工况的要求，以保證推进系统的运行可靠性。

5    改装方案确定

5.1   确定方法

（1）初步选用更替柴油机的LNG机，尽可能选用将原型柴油机改为同规格的LNG发动机方案；

（2）获取改装匹配性分析所需的参数。通常应取得包括但不限于下列参数：原螺旋桨的特性曲线；LNG发动机的额定功率、额定转速、特性曲线等；

（3）假定现有螺旋桨及齿轮箱不改变，针对所选LNG机进行机-桨匹配性分析；

（4）如果机-桨特性不匹配，则对齿轮箱传动比进行调整/改装，尽可能采用不改变原齿轮箱外形及安装尺寸，而仅对其内部传动齿轮的齿数做相应改变的方案，并据此初步确定其实际传动比；

（5）根据确定的齿轮箱传动比，分析新主机的机-桨功率匹配性，如果其匹配性可行，再进行下一步核实工作；

（6）基于新型主机参数和齿轮箱传动比，核算轴强度和齿轮箱的传递能力；

（7）上述各环节核算均满足要求后，可确定改装方案；如果有其中一个环节不能满足要求，调整参数，重新进行核算工作，直到均满足要求为止。

5.2   确定流程

基于上述改装方法，可采用图7流程确定改装方案。

6    结束语

对于新造船舶，推进器设计以及轴系、齿轮箱选配，往往是基于所选主机特性及其相关参数为基础，按传统的方法进行设计；而对于更换推进发动机的改装船，往往受保留现有螺旋桨、齿轮箱、轴系等现有设施的条件限制，需要做细致的计算、复核工作，比新设计船舶的工作更繁琐；此外，要实施改装工程量小且技术可行的优化方案，通常需要在确定改装方案过程中，加强与设备厂家的沟通，双方配合协调相关参数，必要时请供货商适当修正现有相关参数，共同完成改装方案制订。