【船機幫】重載情況下船舶及主機加速問題分析
船機故障心莫慌，遇事不決船機幫
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導讀
2013年船舶能效設計指數（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的正式生效及船舶市場降低運營成本的迫切需要使得當前設計船舶時更加關注能耗問題，即在船舶運輸能力一定的情況下盡可能地降低CO₂排放。
通過降低船體阻力來提高螺旋槳的效率和降低主機油耗等方法都可降低EEDI，但對同一船型而言，降低主機的最大持續運行功率（以下簡稱 S.MCR）可使EEDI顯著降低。
目前新造船的主機大都采用降功率設計。
然而，對于确定的船型，降低主機 S.MCR 不僅會降低船舶的最高航速，還會影響其加速能力及在惡劣海況和船體積污情況下的操控性。
最近某些采用MAN超長沖程G型主機的船舶遇到了加速過慢的問題及通過轉速禁區（以下簡稱 BSR）時間過長的問題，影響了船舶正常、安全運行。
對此，本文從螺旋槳匹配和主機内部設計方面分析上述問題，并提出相應的解決方法。
一
加速問題分析
圖 1 為主機負荷曲線圖。
圖 1 主機負荷曲線圖
當船舶在惡劣海況下航行時，螺旋槳将變“重”。
此時螺旋槳運行曲線會左移，與主機扭矩限制曲線有個交點，主機轉速開始受到扭矩的限制。
該交點可近似看作該重載情況下主機所能達到的最大功率和轉速。
随着螺旋槳越來越“重”，該交點逐漸向低轉速區域移動，功率越來越低。
若螺旋槳轉速小于或接近常規運行要求的半速（Half Speed），接近甚至落到BSR内，則船舶将出現加速問題及通過BSR的時間過長的問題。
為便于分析，将航速為0時（系泊狀态）的螺旋槳曲線作為極端重載的情況，并引入 BSR 功率裕度的概念。
圖1中BSR功率裕度用BSR上限轉速在扭矩限制曲線上對應的功率與重載曲線上對應的功率差的百分比表示。
對于特定船型，BSR 功率裕度越大，主機加速通過BSR的時間越短。
圖2 132000dwt超大型油船（VLCC）主機負荷曲線圖
圖2為某132000dwt超大型油船（VLCC）主機負荷曲線圖，BSR 功率裕度為 38%，快速通過BSR 的時間為7s。
圖3 225000dwt超大型礦砂船（VLOC）主機負荷曲線圖
圖3某225000dwt超大型礦砂船（VLOC）主機負荷曲線圖，BSR 功率裕度接近0%，需要長達7min才能通過BSR。
當前對于BSR功率裕度并沒有明确的推薦值，船舶設計人員可對比實際運營之後具有良好加速性能和操縱性能的船型的BSR功率裕度來指導類似船型的設計開發。
BSR功率裕度的計算式可表示為：
式中：
L=1 LRM；H=1-HRM；n為BSR上限轉速與此同時 S.MCR 點的轉速；
HRM為圖1中系泊螺旋槳曲線與輕螺旋槳設計曲線的差值，可由螺旋槳廠家提供，根據經驗一般為15%~20%。
LRM（Light Running Margin）為輕螺旋槳裕度。
從式中不難看出，要提高 BSR 功率裕度，有降低BSR上限、提高LRM和增大主機輸出扭矩能力等3種方法。
下面分别從這3個方面進行具體分析。
二
輕螺旋槳裕度（LRM）的定義及影響分析
如圖1所示，設計船舶時都會将螺旋槳的質量設計得小一點，使船舶實際航行過程中在風浪和船體無底等情況下螺旋槳推進線向左移動時主機既能可靠工作又能輸出功率，确保所需的航速。
LRM 是船舶推進系統設計中的重要參數。
一般将通過S.MCR點的主機設計輸出曲線與輕螺旋槳曲線（無風，船體幹淨情況下）在同一負荷下的轉速差的百分比稱作LRM。
LRM可看作是船的變速系統，較高的LRM 可使主機和船舶更快地加速，保證船舶在惡劣海況下有一定的航速。
當然，LRM 過高也會影響主機效率。
MAN自1999年起一直推薦的LRM為 3.0%~7.0%。
但是，最近由于燃油經濟性和 EEDI的要求及安裝更大直徑螺旋槳的需求，大部分新設計的船舶所采用主機的功率和轉速都大幅度下降。
例如，5100TEU 集裝箱船配備8K98系列主機，額定功率45760kW，94r/min；14500TEU集裝箱船采用10S90ME-C10.5 主機，額定功率 61000kW（實際采用的功率隻有額定功率的80%），84r/min。
若主機S.MCR點大幅度下降而LRM保持不變，則船舶的最大加速能力及重載工況下的操作性都會受到嚴重的影響。
對此，MAN從2015年起推薦LRM為 4.0%~10.0%。
通過具體案例對MAN提高降功率主機LRM 的原因進行簡要說明。
圖 4 不同功率的主機、相同LRM下的主機負荷曲線圖
圖4給出一個螺旋槳重載運行的實例。
主機A的S.MCR為：
功率10000kW，轉速 100r/min，LRM 為 5%。
主機B功率低10%，但LRM相，其S.MCR 為：
功率 9000kW，轉速 96.6r/min。
在同一重載運行曲線下，A 主機達到扭矩限制的功率為8360kW，而B主機隻有 7620kW；A 主機在更高的功率範圍内穿過限制曲線，加速性更好。
若此時對采用降功率主機的B船提高 LRM，則螺旋槳輕載曲線相對于S.MCR 右移，而螺旋槳重載曲線的位置與螺旋槳輕載曲線的位置有關。
因此，提高LRM 時，螺旋槳重載曲線相對于S.MCR 也會右移。
圖5 不同功率的主機、不同 LRM 下的主機負荷曲線圖
如圖 5 所示，當LRM提高到6.9%時，B 船到達扭矩限制的功率也達到8360kW，與降功率前的A 船相同。
從上述實例中可看出，對于降功率主機，若适當提高LRM，仍可保證船舶在惡劣海況及低轉速操縱情況下的安全性和穩定性。
對于相同的重載曲線，S.MCR 降低的功率與LRM需相應提高的值呈線性關系。
上述實例中，S.MCR 點功率每降低10%，LRM的值需提高2%。
圖6 相同主機、不同 LRM 下的主機負荷曲線圖
為更好地說明LRM對BSR功率裕度的影響，圖6給出相同主機情況下2艘不同螺旋槳設計的船舶從0kn（沿系泊曲線）開始加速的能力，LRM 分别為 3%和10%，後者的 BSR 功率裕度明顯比前者大。
當主機收到常用的“Half”轉速命令時，後者由于在加速過程中沒有扭矩限制點，能相對很快達到“Half” 命令轉速；而前者在該過程中存在扭矩限制點，相應的達到“Half”轉速所需時間更長。
對于已完工的船舶，若要提高 LRM，合理打磨部分螺旋槳葉片是一種可行、有效的方法。
三
BSR 轉速
根據以上分析，BSR 向低轉速區域移動将提高BSR功率裕度。
通過軸系提振計算分析，可采用以下方法降低BSR轉速：
1) 提高主機調頻輪的慣量（若主機需要配置調頻輪）；
2) 采用扭矩減振器或改變提振減振器型号；
3) 采用強度更高的中間軸（如合金鋼），減小中間軸的直徑；
4) 提高螺旋槳慣量；
5) 采用更多缸數的主機；
6) 增加軸系的長度。
上述方案可通過提振計算進行分析，這裡不詳細說明。
但是，受制造成本及機艙布置空間的影響，在前期設計階段一般不會因考慮BSR快速通過時間問題而特意采用這些方案，而且在船舶完工投入運營後這些方案也基本上不可能實現。
四
動态限制功能（DLF）
根據以上分析，在重載工況下，主機的扭矩限制（油門限制）阻礙了功率上升。
因此，需在主機内部找到一種優化方法，在加速過程中提高扭矩限制，從而提供更高的扭矩和功率。
常規的燃油油門限制主要用于确保主機在持續運轉過程中機械和熱負荷不過載，同時避免噴油量過大、空氣不足導緻燃燒相對不充分，影響主機效率，主機冒過多黑煙，活塞、活塞環及燃燒室形成大量積碳，加速零件的磨損。
然而，主機加速是短期的，并非處于連續運轉狀态，因此應研究是否能在加速階段短暫提高油門限制而不影響主機的安全性和穩定性。
加速階段的性能參數一般遠遠低于S.MCR 點的性能參數，就算超過常規的油門限制也未必導緻主機過載。
同時，由于ME電控柴油機控制的靈活性，可在加速過程中通過動态調整排氣正時等參數來調節燃燒空氣量，從而在輸出更高功率/扭矩時不會過多地影響主機效率。
根據該原則，可在加速過程中的每次燃燒循環和噴油前調整主機參數，達到允許的最小過量空氣比，或達到該轉速下允許的最大瞬态扭矩（以負荷低的為準），從而大幅度提高該過程中的扭矩和功率，同時不影響主機的安全和穩定運行。
這種方法稱為動态限制功能（DLF），隻需通過修改主機内部控制系統（ECS）軟件 即可實現，硬件部分不需要修改。
ECS可用來監測主機實際轉速和設定轉速的差值。
當監測到快速加速時，将開啟DLF替代常規的油門限制；當監測到加速即将完成（實際轉速和設定轉速接近），或達到DLF最大允許時間（30min），或主機負荷達到 60%S.MCR 時，關閉 DLF，切回到常規的油門限制。
圖7 某262000dwtVLOC 試航時通過BSR 的時間
圖7為某262000dwtVLOC（主機為 6G80ME-C9.2，BSR 為 26~35r/min，上限高達60.3% S.CMR）通過BSR的時間。
圖7中，試航時常規油門限制下通過BSR的時間長達 180s，即使手動放大限制，通過時間也有100s。
圖8 DLF和手動放大限制的比較
圖8中，DLF 放大限制的空間比手動更大，因此采用DLF後，通過 BSR 的時間降低到 20s（見圖9）。
DLF的效果比較明顯。
圖9 某船型試航時通過BSR的時間
五
結語
MAN 推出的Dot 5主機通過低負荷性能提高低負荷工況下的燃燒用空氣量，進而提高輸出功率和扭矩，一定程度上能解決或部分緩解主機重載工況下的加速問題。
随着船舶設計技術不斷發展，更大的低速螺旋槳和導流罩等額外的提高水動力效率的設備及降功率的S/G系列等超長沖程主機的應用越來越普遍。
由此，對船舶的動态特性和推進系統都帶來了新的課題，要求船舶設計者、建造者及設備商緊密聯系，進行科學的分析。
本文原創作者系：
上海中船三井造船柴油機有限公司
王冬冬，鄧高雄，周勇祥，王磊
END
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