螺旋槳設計中的機槳匹配問題

2021-02-15 imarine


假設有一條船的螺旋槳處於終結設計階段，主機功率已經定下來了，那麼我們怎樣來選擇螺旋槳的設計點呢？是選擇主機的額定工況嗎？

假設船舶以等速直線航行，航速為V，此時，螺旋槳以設計轉速、主機以設計工況功率運行，船機槳匹配良好。在某一時刻，由於風浪增加，或者船體汙底導致船體的阻力增加了，航速必然下降，螺旋槳進速係數J減小。從敞水圖譜可看到，螺旋槳的推力係數Kt會增加，Kq會增加，假設在航速V1時達到新的平衡，此時，V1<V, Kt1>Kt, Kq1>kq, 螺旋槳的推力等於船體阻力，但螺旋槳的扭矩要大於設計點的扭矩，這就要求主機供給的扭矩Q1要大於原設計時的扭矩Q，如果主機的扭矩不能增加，螺旋槳就顯得過重，處於重載狀態，就必然要減小螺旋槳的轉速，或者減小螺旋槳的螺距。主機的運行功率小於設計的工作功率。

假設船舶吃水減小處於輕載狀態，船體阻力減小引起船舶航速增加，V2>V, 螺旋槳的進速係數J增加，則推力係數Kt2和扭矩係數Kq2減小，主機的運行扭矩小於設計時的扭矩，如果主機不能增加轉速則螺旋槳處於輕載狀態，主機運行功率小於設計功率。

船舶的運行狀態是多變的，只有剛造好的新船在試航時是處於運行的設計點，在絕大多數情況下船舶是處於非設計工況點運行的，所以在螺旋槳的設計時就要考慮實際運行情況以消除偏差。從以上分析可發現如果船舶無論是否以何種工況運行，螺旋槳都不能把設計點放在主機的100%MCR功率上，因為，如果是以航速做為考核目標，則在船體阻力增加時，螺旋槳扭矩增加，會引起主機平均熱負荷增加，導致汽缸蓋、排氣閥、氣缸等損裂，嚴重時會導致活塞環磨損嚴重而漏氣，如果主機無法增加額外的扭矩以克服螺旋槳增加的扭矩，主機只能降速運行，主機的功率無法全部發揮。當船舶輕載航行時，螺旋槳扭矩減小，主機無法增加轉速來提高扭矩，主機的功率也不能全部發揮，造成主機的功率的浪費。

考慮到主機的燃油經濟性和螺旋槳的效率，同常會把螺旋槳的設計點放在主機80-90% MCR功率處，因為在此區域主機的燃燒和燃油消耗是出於最佳狀態，當船體的阻力增加時，主機有功率儲備增加扭矩，當然，在船舶輕載狀態下，主機還是要浪費功率的。

最近出現了越來越多的電力推進船舶，原動機是電機，原動機由變頻器驅動，優點是具有恆扭矩運行的能力，這就提供原動機超速運行的可能，不像柴油機那樣受熱負荷的影響，此時可以把設計點放在電機的額定功率上，下圖所示為南方某船廠建造的電力推進船舶，該船就把螺旋槳的設計點放在馬達103%rpm所對應的槳轉速上。


從圖上可以看出，在額定設計工況時，馬達超速運行，變頻器以恆功率運行的方式驅動螺旋槳，當由於船體汙底或風浪天時，則馬達運行點以恆功率的模式向左平移至100%功率和100%轉速的額定功率點。我們可以看到，此時馬達依然可以保持額定的功率運行，沒有因為船體阻力的增加而浪費馬達的功率。當船體阻力進一步增加時，馬達由於扭矩的限制不能保持100%功率運行，只能降功率運行直至系柱拖力的運行曲線上。經分析可知，如果螺旋槳的設計點放在100%功率100%轉速時，螺旋槳只能運行在圖所示的由系柱拖力曲線，馬達功率限制曲線和自由航行所包圍的一個封閉區間1內，在大部分的時間內，馬達只能降功率運行。而如果吧螺旋槳的設計點放在100%功率103%轉速時，馬達可多出一個運行區間即如圖所示的由103%轉速和100%轉速所包圍的恆功率的運行區2間，馬達充分的發揮了功率，沒有浪費功率。

對於柴油機，則通常會把設計點放在85%額定功率上，在實際運行時由於船舶汙底的影響，螺旋槳扭矩增加則主機依舊有一定的功率儲備來克服增加的扭矩，這也要求在選擇主機的階段必須提高主機的初選功率，在設計階段才能有功率儲備。比如，在終結設計階段求得主機需要提供850KW，那麼主機選型時即要求主機的額定功率需要1000KW 左右。

所以從以上分析可知，螺旋槳的設計點不能放在原動機的額定工況點，要麼要有一定的功率裕度，要麼要有一定的轉速裕度。

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