螺旋桨转速与直径对船机桨匹配的影响研究

王 晴,康春录,张本田,李广辉

(潍柴重机股份有限公司,山东 潍坊 261108)

0 引言

由于全球船舶航运事业的快速发展及能源需求的日益增长对船舶的经济性、动力性与可靠性的要求也越来越高,因此大型运输船采用合适的船、机、桨匹配则显得尤为重要[1-2]。

船、螺旋桨、柴油机作为一个复杂的联动机构,三者的工作状态是相互牵制和相互关联的,它们配合的完善程度关系到能量转换的优劣[3]。如果柴油机和螺旋桨匹配不佳则会出现柴油机功率不足或柴油机超负荷工作的情况。如果柴油机的转速已达到额定转速,而螺旋桨所吸收柴油机的功率尚未达到柴油机的额定功率,在此情况下,定距螺旋桨不能吸收柴油机的额定功率,致使柴油机功率不能被充分利用且船舶无法达到设计转速。如果螺旋桨吸收的功率己达到柴油机的额定功率,但柴油机未达到额定转速,此时若将柴油机的转速提高至额定转速,螺旋桨的转速则相应也得到提高,这样就会导致柴油机超负荷工作,即螺旋桨同样也不能吸收柴油机的全部功率,船舶航速也达不到设计航速[4-5]。因此,要做到柴油机和螺旋桨间的最佳匹配,既要充分利用柴油机的功率,又要求柴油机在全转速范围内的功率均不超过柴油机的工作范围,实现柴油机和螺旋桨的完美匹配,取得良好的动力性、经济性、可靠性[6]。

本文以149.8 m近海散货船为例,借助NAVCAD软件,对该船进行船机桨匹配设计,研究低转速大直径和高转速小直径螺旋桨对柴油机经济性、动力性的影响。

1 船舶参数和阻力计算

本文以149.8 m近海散货船为研究对象,其主要参数如下:

总长149.80 m,垂线间长143.20 m,型宽21.00 m,型深11.70 m,设计吃水8.47 m,排水量21 160.4 t,设计航速11.00 kn,水线面系数0.919 2,方形系数0.830 8,棱型系数0.835 5,中横剖面系数0.994 4。

149.8 m近海散货船的阻力计算方法采用NAVCAD软件推荐的Holtrop进行阻力预报,其阻力曲线见图1。

图1 149.8 m近海散货船阻力曲线

2 螺旋桨匹配设计

149.8 m近海散货船主机参数如下:型号为潍柴8WH28C4352-8,额定功率为3 200 kW,额定转速为800 r/min。根据该船所提供的型线图及《钢质海船入级与建造规范》中对螺旋桨与船体的间隙要求,计算得到该船的螺旋桨最大直径为5.1 m。

基于NAVCAD软件的螺旋桨模块对该船进行螺旋桨匹配设计。采用该模块进行螺旋桨设计时仅需要输入螺旋桨最大直径、螺旋桨个数、叶数、轴系和齿轮箱效率、主机参数、桨轴浸没深度及图谱桨类型等参数。根据输入的参数和船舶设计航速,该模块就可以推荐匹配最优的螺旋桨和齿轮箱参数。

2.1 方案1(低转速大直径螺旋桨匹配设计)

已知船设计航速为11.00 kn,且考虑到风浪或污底等情况,设计时留有15%的功率储备。NAVCAD所推荐的螺旋桨和齿轮箱参数如下:类型MAU,直径5.1 m,螺距4.08 m,盘面比0.425,推荐齿轮箱速比8.162。

采用上述所推荐的螺旋桨和齿轮箱参数后,在满载自由航行工况时,主机达到额定转速时的功率储备为15%,此时的航速约为12.10 kn。自由航行特性曲线和匹配数据见图2和表1。

表1 方案1船舶自由航行参数汇总

图2 方案1自由航行特性曲线

2.2 方案2(高转速小直径螺旋桨匹配设计)

由于方案1所推荐的齿轮箱速比为8.162,考虑到齿轮箱的传递能力和输入转速等限制条件,基于现有的齿轮箱选型手册,该速比下无可选的齿轮箱。经综合考虑改选齿轮箱速比为6.5,重新进行船机桨匹配。NAVCAD所推荐的螺旋桨参数如下:类型MAU,直径4.637 m,螺距3.213 m,盘面比0.467,齿轮箱速比6.5。

采用上述所推荐的螺旋桨和齿轮箱参数后,在满载自由航行工况时,主机达到额定转速时的功率储备为15%,此时航速约为11.91 kn。自由航行特性曲线和匹配数据见图3和表2。

表2 方案2船舶自由航行参数汇总

图3 方案2自由航行特性曲线

3 螺旋桨转速与直径对船机桨匹配影响对比

3.1 船舶动力性对比分析

2个方案的推进系统参数对比见表3。从表中可知,在主机额定转速时,由于齿轮箱速比不同且方案1的螺旋桨直径比方案2的螺旋桨直径大0.463 m。同样的功率储备,方案1与方案2的对比结果显示:螺旋桨转速降低约25.1 r/min,敞水效率提高3.2%,航速提高0.19 kn。由此可见,螺旋桨转速越低,直径越大,其设计点的敞水效率越高。

表3 2个方案的推进系统参数对比

3.2 船舶经济性对比分析

假设该船单向航程为1 000 km,主机的燃油消耗率为200 g/kWh,航程时间和油耗量分析结果见表4。

表4 航程时间和油耗量分析结果

由表4可知:采用低转速大直径螺旋桨,单向航程可节约时间0.72 h,节省燃油370.07 kg。

4 结论

(1)等航速航行时:低转速大直径螺旋桨与高转速小直径螺旋桨对比,主机转速可降低14 r/min,主机负荷率可降低3.7%,可靠性略微较好。

(2)等转速航行时:低转速大直径螺旋桨与高转速小直径螺旋桨所需主机功率相等(螺旋桨设计工况储备相同),但航速可提高1.6%。

(3)若不考虑直径对船身效率的影响,螺旋桨转速越低,直径越大,推进效率越高,经济性越好。

(4)本文的计算结果是基于理论性的,由于齿轮箱本身的限制,在实际选型过程中可能无法选择最佳速比。