【船机帮】重载情况下船舶及主机加速问题分析
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导读
2013年船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的正式生效及船舶市场降低运营成本的迫切需要使得当前设计船舶时更加关注能耗问题，即在船舶运输能力一定的情况下尽可能地降低CO₂排放。
通过降低船体阻力来提高螺旋桨的效率和降低主机油耗等方法都可降低EEDI，但对同一船型而言，降低主机的最大持续运行功率（以下简称 S.MCR）可使EEDI显著降低。
目前新造船的主机大都采用降功率设计。
然而，对于确定的船型，降低主机 S.MCR 不仅会降低船舶的最高航速，还会影响其加速能力及在恶劣海况和船体积污情况下的操控性。
最近某些采用MAN超长冲程G型主机的船舶遇到了加速过慢的问题及通过转速禁区（以下简称 BSR）时间过长的问题，影响了船舶正常、安全运行。
对此，本文从螺旋桨匹配和主机内部设计方面分析上述问题，并提出相应的解决方法。
一
加速问题分析
图 1 为主机负荷曲线图。
图 1 主机负荷曲线图
当船舶在恶劣海况下航行时，螺旋桨将变“重”。
此时螺旋桨运行曲线会左移，与主机扭矩限制曲线有个交点，主机转速开始受到扭矩的限制。
该交点可近似看作该重载情况下主机所能达到的最大功率和转速。
随着螺旋桨越来越“重”，该交点逐渐向低转速区域移动，功率越来越低。
若螺旋桨转速小于或接近常规运行要求的半速（Half Speed），接近甚至落到BSR内，则船舶将出现加速问题及通过BSR的时间过长的问题。
为便于分析，将航速为0时（系泊状态）的螺旋桨曲线作为极端重载的情况，并引入 BSR 功率裕度的概念。
图1中BSR功率裕度用BSR上限转速在扭矩限制曲线上对应的功率与重载曲线上对应的功率差的百分比表示。
对于特定船型，BSR 功率裕度越大，主机加速通过BSR的时间越短。
图2 132000dwt超大型油船（VLCC）主机负荷曲线图
图2为某132000dwt超大型油船（VLCC）主机负荷曲线图，BSR 功率裕度为 38%，快速通过BSR 的时间为7s。
图3 225000dwt超大型矿砂船（VLOC）主机负荷曲线图
图3某225000dwt超大型矿砂船（VLOC）主机负荷曲线图，BSR 功率裕度接近0%，需要长达7min才能通过BSR。
当前对于BSR功率裕度并没有明确的推荐值，船舶设计人员可对比实际运营之后具有良好加速性能和操纵性能的船型的BSR功率裕度来指导类似船型的设计开发。
BSR功率裕度的计算式可表示为：
式中：
L=1 LRM；H=1-HRM；n为BSR上限转速与此同时 S.MCR 点的转速；
HRM为图1中系泊螺旋桨曲线与轻螺旋桨设计曲线的差值，可由螺旋桨厂家提供，根据经验一般为15%~20%。
LRM（Light Running Margin）为轻螺旋桨裕度。
从式中不难看出，要提高 BSR 功率裕度，有降低BSR上限、提高LRM和增大主机输出扭矩能力等3种方法。
下面分别从这3个方面进行具体分析。
二
轻螺旋桨裕度（LRM）的定义及影响分析
如图1所示，设计船舶时都会将螺旋桨的质量设计得小一点，使船舶实际航行过程中在风浪和船体无底等情况下螺旋桨推进线向左移动时主机既能可靠工作又能输出功率，确保所需的航速。
LRM 是船舶推进系统设计中的重要参数。
一般将通过S.MCR点的主机设计输出曲线与轻螺旋桨曲线（无风，船体干净情况下）在同一负荷下的转速差的百分比称作LRM。
LRM可看作是船的变速系统，较高的LRM 可使主机和船舶更快地加速，保证船舶在恶劣海况下有一定的航速。
当然，LRM 过高也会影响主机效率。
MAN自1999年起一直推荐的LRM为 3.0%~7.0%。
但是，最近由于燃油经济性和 EEDI的要求及安装更大直径螺旋桨的需求，大部分新设计的船舶所采用主机的功率和转速都大幅度下降。
例如，5100TEU 集装箱船配备8K98系列主机，额定功率45760kW，94r/min；14500TEU集装箱船采用10S90ME-C10.5 主机，额定功率 61000kW（实际采用的功率只有额定功率的80%），84r/min。
若主机S.MCR点大幅度下降而LRM保持不变，则船舶的最大加速能力及重载工况下的操作性都会受到严重的影响。
对此，MAN从2015年起推荐LRM为 4.0%~10.0%。
通过具体案例对MAN提高降功率主机LRM 的原因进行简要说明。
图 4 不同功率的主机、相同LRM下的主机负荷曲线图
图4给出一个螺旋桨重载运行的实例。
主机A的S.MCR为：
功率10000kW，转速 100r/min，LRM 为 5%。
主机B功率低10%，但LRM相，其S.MCR 为：
功率 9000kW，转速 96.6r/min。
在同一重载运行曲线下，A 主机达到扭矩限制的功率为8360kW，而B主机只有 7620kW；A 主机在更高的功率范围内穿过限制曲线，加速性更好。
若此时对采用降功率主机的B船提高 LRM，则螺旋桨轻载曲线相对于S.MCR 右移，而螺旋桨重载曲线的位置与螺旋桨轻载曲线的位置有关。
因此，提高LRM 时，螺旋桨重载曲线相对于S.MCR 也会右移。
图5 不同功率的主机、不同 LRM 下的主机负荷曲线图
如图 5 所示，当LRM提高到6.9%时，B 船到达扭矩限制的功率也达到8360kW，与降功率前的A 船相同。
从上述实例中可看出，对于降功率主机，若适当提高LRM，仍可保证船舶在恶劣海况及低转速操纵情况下的安全性和稳定性。
对于相同的重载曲线，S.MCR 降低的功率与LRM需相应提高的值呈线性关系。
上述实例中，S.MCR 点功率每降低10%，LRM的值需提高2%。
图6 相同主机、不同 LRM 下的主机负荷曲线图
为更好地说明LRM对BSR功率裕度的影响，图6给出相同主机情况下2艘不同螺旋桨设计的船舶从0kn（沿系泊曲线）开始加速的能力，LRM 分别为 3%和10%，后者的 BSR 功率裕度明显比前者大。
当主机收到常用的“Half”转速命令时，后者由于在加速过程中没有扭矩限制点，能相对很快达到“Half” 命令转速；而前者在该过程中存在扭矩限制点，相应的达到“Half”转速所需时间更长。
对于已完工的船舶，若要提高 LRM，合理打磨部分螺旋桨叶片是一种可行、有效的方法。
三
BSR 转速
根据以上分析，BSR 向低转速区域移动将提高BSR功率裕度。
通过轴系提振计算分析，可采用以下方法降低BSR转速：
1) 提高主机调频轮的惯量（若主机需要配置调频轮）；
2) 采用扭矩减振器或改变提振减振器型号；
3) 采用强度更高的中间轴（如合金钢），减小中间轴的直径；
4) 提高螺旋桨惯量；
5) 采用更多缸数的主机；
6) 增加轴系的长度。
上述方案可通过提振计算进行分析，这里不详细说明。
但是，受制造成本及机舱布置空间的影响，在前期设计阶段一般不会因考虑BSR快速通过时间问题而特意采用这些方案，而且在船舶完工投入运营后这些方案也基本上不可能实现。
四
动态限制功能（DLF）
根据以上分析，在重载工况下，主机的扭矩限制（油门限制）阻碍了功率上升。
因此，需在主机内部找到一种优化方法，在加速过程中提高扭矩限制，从而提供更高的扭矩和功率。
常规的燃油油门限制主要用于确保主机在持续运转过程中机械和热负荷不过载，同时避免喷油量过大、空气不足导致燃烧相对不充分，影响主机效率，主机冒过多黑烟，活塞、活塞环及燃烧室形成大量积碳，加速零件的磨损。
然而，主机加速是短期的，并非处于连续运转状态，因此应研究是否能在加速阶段短暂提高油门限制而不影响主机的安全性和稳定性。
加速阶段的性能参数一般远远低于S.MCR 点的性能参数，就算超过常规的油门限制也未必导致主机过载。
同时，由于ME电控柴油机控制的灵活性，可在加速过程中通过动态调整排气正时等参数来调节燃烧空气量，从而在输出更高功率/扭矩时不会过多地影响主机效率。
根据该原则，可在加速过程中的每次燃烧循环和喷油前调整主机参数，达到允许的最小过量空气比，或达到该转速下允许的最大瞬态扭矩（以负荷低的为准），从而大幅度提高该过程中的扭矩和功率，同时不影响主机的安全和稳定运行。
这种方法称为动态限制功能（DLF），只需通过修改主机内部控制系统（ECS）软件 即可实现，硬件部分不需要修改。
ECS可用来监测主机实际转速和设定转速的差值。
当监测到快速加速时，将开启DLF替代常规的油门限制；当监测到加速即将完成（实际转速和设定转速接近），或达到DLF最大允许时间（30min），或主机负荷达到 60%S.MCR 时，关闭 DLF，切回到常规的油门限制。
图7 某262000dwtVLOC 试航时通过BSR 的时间
图7为某262000dwtVLOC（主机为 6G80ME-C9.2，BSR 为 26~35r/min，上限高达60.3% S.CMR）通过BSR的时间。
图7中，试航时常规油门限制下通过BSR的时间长达 180s，即使手动放大限制，通过时间也有100s。
图8 DLF和手动放大限制的比较
图8中，DLF 放大限制的空间比手动更大，因此采用DLF后，通过 BSR 的时间降低到 20s（见图9）。
DLF的效果比较明显。
图9 某船型试航时通过BSR的时间
五
结语
MAN 推出的Dot 5主机通过低负荷性能提高低负荷工况下的燃烧用空气量，进而提高输出功率和扭矩，一定程度上能解决或部分缓解主机重载工况下的加速问题。
随着船舶设计技术不断发展，更大的低速螺旋桨和导流罩等额外的提高水动力效率的设备及降功率的S/G系列等超长冲程主机的应用越来越普遍。
由此，对船舶的动态特性和推进系统都带来了新的课题，要求船舶设计者、建造者及设备商紧密联系，进行科学的分析。
本文原创作者系：
上海中船三井造船柴油机有限公司
王冬冬，邓高雄，周勇祥，王磊
END
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