李書(shū)霖

摘 要：本文以某一新建的大型海工船在動(dòng)力定位調(diào)試時(shí)推力不足為例，采用調(diào)試過(guò)程中實(shí)際取得的各種曲線圖表等數(shù)據(jù)為素材進(jìn)行深入分析，從而論證電推海工船在動(dòng)力定位時(shí)需要的螺旋槳、推進(jìn)電機(jī)平衡關(guān)系，以期船舶設(shè)計(jì)者、船東和相關(guān)部門(mén)多加關(guān)注該型船舶螺旋槳的設(shè)計(jì)和選型。

關(guān)鍵詞：大型海工船 動(dòng)力定位 螺旋槳特性 曲線推力

1.引言

大型海工作業(yè)船舶經(jīng)常需要在復(fù)雜海洋氣象環(huán)境中進(jìn)行精確定位，克服風(fēng)、浪、流對(duì)船體作用而產(chǎn)生的漂移。在淺水海域一般可用錨泊系統(tǒng)來(lái)定位，而在深海通常多用動(dòng)力定位系統(tǒng)。

實(shí)際船舶動(dòng)力定位過(guò)程中， 船體與螺旋槳的水動(dòng)力性能相互影響難以分割，完整考慮這些相互影響， 將使得船舶螺旋槳設(shè)計(jì)異常復(fù)雜。本文就目前大型海工船舶航行和動(dòng)力定位時(shí)涉及到的推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳匹配，探討推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳的轉(zhuǎn)速、功率和推力有關(guān)問(wèn)題，并以某海工船動(dòng)力定位時(shí)推力不足為起因，從而論證大型海工船推進(jìn)器螺旋槳的設(shè)計(jì)和選型匹配。

2.該船推進(jìn)器的布置

該船設(shè)計(jì)有8個(gè)對(duì)稱分布的全電力推進(jìn)螺旋槳，船舶尾部設(shè)計(jì)有兩臺(tái)5500KW主推進(jìn)器，四臺(tái)3500KW可伸縮推進(jìn)器合理布置中船底位置，此外還有兩臺(tái)1500KW艏側(cè)推；中壓發(fā)電機(jī)產(chǎn)生6600V電壓經(jīng)中壓配電饋電到西門(mén)子變頻器，從而驅(qū)動(dòng)知名品牌LL的全回轉(zhuǎn)螺旋槳。

在首次實(shí)際船舶海試過(guò)程中，動(dòng)力定位時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和功率沒(méi)有達(dá)到額定值而推力負(fù)荷卻達(dá)到滿負(fù)荷；

作為以動(dòng)力定位為主的大型海工船來(lái)說(shuō)，建造過(guò)程中需要進(jìn)行船舶動(dòng)力定位能力分析和動(dòng)力定位能力實(shí)效驗(yàn)證，然后需要將測(cè)量到的實(shí)際轉(zhuǎn)速和實(shí)際功率等數(shù)據(jù)輸入到動(dòng)力定位控制計(jì)算機(jī)中進(jìn)行船舶模型的建立，以便在船舶動(dòng)力定位作業(yè)時(shí)根據(jù)DP計(jì)算機(jī)內(nèi)部的船舶模型，并綜合外部傳感器采集到風(fēng)速風(fēng)向、船舶位置和艏向、船舶吃水、發(fā)電機(jī)狀態(tài)、母排主開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電站消耗、推進(jìn)器配置模式以及各種設(shè)定值等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制每個(gè)推進(jìn)器的矢量推力和方向從而保持船舶位置；實(shí)際上如果當(dāng)扭矩限制在原設(shè)計(jì)值時(shí)，推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和功率無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，這樣會(huì)導(dǎo)致船舶的定位能力下降。

3.相關(guān)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和DP推力不足問(wèn)題分析

對(duì)于推力不足問(wèn)題，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率均沒(méi)有達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和功率，但是推力扭矩卻已經(jīng)達(dá)到最大限制值；為判斷故障點(diǎn)，在排除水下探摸船體和螺旋槳的光潔程度正常，推進(jìn)系統(tǒng)安裝正常外，無(wú)非就是推進(jìn)電機(jī)及變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、螺旋槳不正常導(dǎo)致推力不足。

3.1推力限制放開(kāi)獲取技術(shù)數(shù)據(jù)

鑒于電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以調(diào)整限制，包括電流、轉(zhuǎn)矩和功率等，根據(jù)本船船體、螺旋槳、系統(tǒng)三方的匹配關(guān)系，確定適當(dāng)放開(kāi)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)矩限制，而保持額定功率不變。

具體測(cè)試方案，船舶首部拋一個(gè)航行錨作為系柱點(diǎn)，船舶隨水流向穩(wěn)定，在風(fēng)速、流速滿足試驗(yàn)的情況下，逐步對(duì)某一個(gè)測(cè)試推進(jìn)器按照從零轉(zhuǎn)速逐步增加50RPM情況下測(cè)量電壓、電流、功率、功率因數(shù)（最大功率時(shí)）、扭矩，繪制相應(yīng)的曲線，同時(shí)西門(mén)子實(shí)時(shí)輸出采集的波形曲線并查看研究轉(zhuǎn)速時(shí)的電壓電流波形曲線（含轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋），判斷電壓電流是否被限制過(guò)度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的電力曲線，并查看最大轉(zhuǎn)速時(shí)的電壓、電流等波形曲線，同時(shí)檢查功率、轉(zhuǎn)速和電流是否能夠升高。另外檢查第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)所測(cè)試的轉(zhuǎn)速、扭矩、功率，與西門(mén)子的測(cè)試數(shù)據(jù)形成對(duì)比表進(jìn)行分析及修正。然后由西門(mén)子工程師利用西門(mén)子變頻器軟件工具starter從限制額定電流開(kāi)始逐步放開(kāi)電流120%，130%，150%限制，以及放開(kāi)5%，8%的轉(zhuǎn)矩限制，測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)繪制曲線。以主推進(jìn)器為例，放開(kāi)推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩限制逐步從70KN到74KN時(shí)，使螺旋槳發(fā)揮出額定的推力。

3.2西門(mén)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于零航速下測(cè)試的數(shù)據(jù)，對(duì)于主推進(jìn)器動(dòng)力定位相關(guān)數(shù)據(jù)獲取，西門(mén)子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首先按照額定值測(cè)試一系列數(shù)據(jù)；然后逐步放開(kāi)轉(zhuǎn)矩/功率/電流限制后測(cè)試一系列數(shù)據(jù)。

通過(guò)理論分析可以得出主推結(jié)論：基于槳設(shè)計(jì)功率需求曲線和實(shí)際功率需求曲線的對(duì)比信息可以看出，在不同速度點(diǎn)下，實(shí)際功率需求高于設(shè)計(jì)功率需求?；跇O(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩需求曲線和實(shí)際轉(zhuǎn)矩需求曲線的對(duì)比信息可以看出，在不同速度點(diǎn)下，實(shí)際轉(zhuǎn)矩需求高于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩需求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)槳所需扭矩均較原設(shè)計(jì)值大了很多，在額定功率達(dá)到時(shí)，主推T7T8超過(guò)4-5%。

通過(guò)上述西門(mén)子推進(jìn)電機(jī)控制數(shù)據(jù)獲取和分析可知，在放開(kāi)推進(jìn)電機(jī)的扭矩限制后，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率均能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速和功率。

3.3螺旋槳與推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的配合分析

電機(jī)重載情況下（如圖1所示），設(shè)計(jì)機(jī)槳匹配點(diǎn)H點(diǎn)往左邊偏移至B點(diǎn)，B點(diǎn)即為機(jī)槳所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)。此時(shí)電機(jī)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩為MH，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為nBMH，NB>NH ，電機(jī)將嚴(yán)重超負(fù)荷，不能正常運(yùn)行。因此，螺旋槳必須進(jìn)行扭矩限制。

對(duì)于推進(jìn)電動(dòng)機(jī)最重要的是防止電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷，推進(jìn)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速必須低于最高點(diǎn)B點(diǎn)的轉(zhuǎn)速nB。

由于螺旋槳是按本身的特征線運(yùn)行，不能全部吸收的來(lái)至電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩，只有在額定狀態(tài)下，才能全部吸收的來(lái)至電動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、扭矩，即功率、轉(zhuǎn)速、扭矩同時(shí)達(dá)到額定值。重載配合時(shí)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能發(fā)揮出額定轉(zhuǎn)速和額定功率，相應(yīng)的螺旋槳就不能吸收到全功率，推力就不足，由此定位模式下導(dǎo)致達(dá)不到設(shè)計(jì)時(shí)的定位能力。

根據(jù)螺旋槳的水動(dòng)力特性，螺旋槳阻力矩Mp達(dá)到額定極限，功率和轉(zhuǎn)速未到達(dá)額定值、沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)點(diǎn)。原因無(wú)非有二：

（1）艦船的阻力系數(shù) K R。若艦船阻力系數(shù) K R 越大，相對(duì)進(jìn)程λ P 越小，螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù) K 2 變大，船舶阻力系數(shù)Kr，取決于船體的排水量、線型、污底程度、拖帶情況、航道情況、海情（風(fēng)浪大小）等因數(shù)。

（2）螺旋槳的直徑 D。若螺旋槳的直徑D誤差超過(guò)設(shè)計(jì)值（通過(guò)螺旋槳的直徑D的5次方關(guān)系影響螺旋槳轉(zhuǎn)矩），也會(huì)導(dǎo)致螺旋槳特性曲線變陡。

綜合評(píng)估，在排除推進(jìn)裝置安裝不當(dāng)引起的推力附加損失，以及螺旋槳葉面臟污外等，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因是螺旋槳的阻力距過(guò)大，也就是螺旋槳偏“重”。

設(shè)計(jì)院船體進(jìn)行相關(guān)推進(jìn)系統(tǒng)的推算，一般商船是按照選型好的主柴油機(jī)功率，再來(lái)選擇螺旋槳；而電力推進(jìn)的海工船，恰恰相反，即：

A.設(shè)計(jì)院根據(jù)計(jì)算和船模實(shí)驗(yàn)提供推進(jìn)所需的推力值；

B.螺旋槳廠家根據(jù)推力值配置相應(yīng)的槳直徑和轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步計(jì)算出推進(jìn)器的所需扭矩；

C.推進(jìn)電機(jī)廠家根據(jù)螺旋槳廠家提供的扭矩和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算出推進(jìn)所需的電機(jī)功率。

4.結(jié)論

本文論述了本船在動(dòng)力定位工況下和航行工況下螺旋槳的工作特性，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了造成本船動(dòng)力定位時(shí)推力不達(dá)標(biāo)的可能原因。

本文也深層次揭示了在大型海工船螺旋槳設(shè)計(jì)和選型過(guò)程中，既要保證動(dòng)力定位所需要的推力需求，又要兼顧航速要求，對(duì)航速技術(shù)指標(biāo)可以提前進(jìn)行船模驗(yàn)證并及時(shí)采取措施修正，但是在動(dòng)力定位狀態(tài)下對(duì)船機(jī)槳配合關(guān)系目前卻沒(méi)有更好的方法去效驗(yàn)，因此兩者匹配時(shí)要保證動(dòng)力定位模式下留有適當(dāng)?shù)耐屏τ嗔?，期望相關(guān)專業(yè)人士對(duì)大型海工船螺旋槳選型和設(shè)計(jì)引起注意并作出優(yōu)選的判斷。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳家明，龐文洋，曾凡明.艦船動(dòng)力裝置原理.國(guó)防工業(yè)出版社.2009.2.