不同航行條件下的主機操作

余本法

（舟山市定海區海洋與漁業局，浙江舟山 316000）

船舶在各種自然條件下（如風向、風力、深水、淺水等）和各種航行條件下（低速、中速、全速、順車或倒車、加速與起航等）航行，環境條件對船舶主機運行性能的影響十分明顯[1]。船長的操作水平是決定航行安全的最主要因素，特別是在特殊的自然條件（如大風浪）和航行條件下（如狹窄航道）時，操作不當會引發推進裝置發生事故，嚴重時甚至會危及到船舶和人員生命的安全。因此我們必須了解在各種航行條件下主機運行工作的變化規律，來正確操縱主機，保障航行的安全。

1 外界自然條件因素

1.1 裝載和水流的影響

在裝載增加或者由沿海進入內河航行時，船舶吃水有所增加；在頂風、頂流中航行以及船體水線下寄生物增多等狀況會一定程度的增大船體的阻力，水流對船舶的影響通常比風大得多，尤其是對于重載船舶而言[2]。隨著船舶吃水增加和船體阻力的增大，螺旋槳的特性會相應地發生變化，導致螺旋槳的特性公式Ne=cn3中的常數c變大，使特性曲線變陡，見圖1所示。

在正常情況下，主機和螺旋槳按曲線Ⅰ配合，額定工作點為1點（按滿載凈水全速航行時）。當由于上述原因使阻力增加時，主機油門開度不變（負荷不變），工作點移至點2，主機的轉速降至n2，相應的功率為Ne2。如主機裝有全制式調速器，使轉速保持在nH，此時油門開度增大，工作點將移至1′點，主機將在超負荷情況下運轉。所以應盡量避免使主機長時間在超負荷狀態下運行，同時注意控制主機油門,根據螺旋槳特性的變化情況適當調節主機的速度特性，以減少主機燃油消耗,提高其使用壽命。

在裝載量減少時（吃水減小，船體阻力減小）。螺旋槳特性曲線趨向平緩，常數c值減小，主機和螺旋槳按曲線Ⅲ配合工作。若主機油門開度仍保持在額定值，則工作點將移至3′處，主機轉速增至n3，盡管柴油機仍在額定外特性線上工作及有超負荷，但轉速卻超過了額定轉速，處于超速工況。此時應減小油門的開度，使主機工作于部分外特性曲線點3上，保證轉速在不超過額定轉速nH。

1.2 在暴風雨中航行

船舶在大風浪中航行不僅會給船舶操縱帶來困難,也對船舶動力裝置的安全運行帶來威脅，因此，除船舶駕駛人員采取有效的操船措施減輕船舶搖擺外，還需輪機員了解風浪航行中主機的運行特點，不斷提高運轉管理水平和實際操作能力[2]。由于風力以及船體的縱傾和起伏作用，空氣阻力和波浪阻力均隨之而變化；為了保持正確的航線，舵經常偏轉一定角度，另外船體在斜水流中航行,船體阻力比直線航行時也有所增加，上述因素促使螺旋槳特性曲線變陡。例如一艘主機額定功率4 410 kW的船舶，平時運行的功率為3 750～3 970 kW，相應的轉速為105～108 r/min，主機保留了10%～15%的儲備功率。在風力7級、浪高4～5 m的條件下，若油門開度仍保持在平時的刻度下，轉速將降到92～95 r/min，相應的功率為3 270～3 490 kW，如圖2所示。推力P和航速V為坐標，表示出風力對推力的影響，圖2所示h=常數線為主機額定外特性曲線。由圖2可知，在靜水中航行時為100%，而在9級風況，噴油量不變的情況下（即h=常數時），航速只能達到正常航速的60%～65%，這也說明，船舶在暴風雨天氣中航行，船速必然會有所下降，不可能保持原定的航速。

1.3 航道水深的影響

目前國際上關于深水航道和淺水航道的界定多傾向于利用水深對船體阻力試驗獲得的結論，即認為:當水深吃水比h/T≤4時界定為淺水航道；反之界定為深水航道。根據試驗，船舶在深水中航行的阻力與V2成正比[2]，而在淺水中航行阻力的變化規律較為復雜，一般特點是:

圖1 各種航行條件下螺旋槳特性與外特性的配合Fig.1 Adapting of propeller characteristic and external characteristic on different navigation conditions

圖2 各種風力下船速與推力的關系Fig.2 Relationship of ship's speed and thrust on various wind-forces

圖3 淺水阻力曲線Fig.3 Resistance curve of ship in shallow water

民用船舶的航速一般很難達到第3種情況，因此主要討論第2種情況，船舶由深水航道駛入淺水航道時主機運行狀態的變化情況。船舶在淺水航道航行時，其阻力將增加，航道越淺阻力增加越大，并且會產生后傾現象。

淺水對阻力的影響還與船舶的航速有關。圖3中曲線1為深水時的阻力曲線，曲線2為淺水時的阻力曲線，航速較低時，淺水對船舶阻力沒有明顯的影響；當航速增大時，淺水阻力將相比增加2～3倍；當航速進一步增到一定程度時，淺水阻力反而減小，但是一般的民用船舶達不到這么高的航速，故在淺水航道航行時，阻力一般都會增大，同時產生船體的下沉和后傾現象。

狹窄水道對船舶阻力的影響與淺水基本相同。當航道寬度小于20倍船體寬度時，則航行阻力增加，當航道寬度等于10倍船體寬度時，則航行阻力增加10%左右[4]，如果遇到窄且淺的航道(通常航道窄時1般也是淺水)，兩個因素同時起作用，就更明顯了，因此在窄航道中航行時，一定要注意適當降低船速(即降低主機轉速)，防止主機超負荷工作。

船舶在狹窄水道航行其阻力與航速的變化關系曲線也與淺水中相類似，但阻力增加的程度相對較大。例如一艘主機額定功率為735 kW的船舶，在水深30 m以上的航道中航行，航速為9.0 m/s，而在水深5 m的淺水航道中航行時，由于阻力增加，航速只有6.5 m/s左右，如要保持原來的航速（9.0 m/s），需要主機發出950 kW左右的功率才能達到要求，從而造成主機超負荷運轉。

在狹窄水道航行時，要正確理解和采用適合該狹水道和當時環境、氣象、潮流、水深、來往船舶要求的“安全航速”，并保持主機隨時可操縱狀態。不應片面理解為船速越慢就越安全。同時注意防止淺水效應和船吸現象，避免在轉彎段、狹窄段、淺水段上追越或被他船追越；注意在應用海圖上標定航線，注明航向，標示適當的等深線、危險區和轉向點[5]。

1.4 環境溫度對主機運行性能的影響

影響船舶主機運行性能的環境溫度包括機艙溫度和冷卻水溫度[6]。一般情況下，舷外空氣溫度比海水溫度高出1～3℃。采用常規通風系統時，柴油機燃燒用空氣直接來自機艙，機艙溫度通常比舷外環境溫度高10.0～12.5℃，在冬天溫差還要大些。相對而言，船舶的每個航程中海面溫度變化比較小，增壓空氣冷卻水進口溫度通常比舷外水溫高4℃[1]。對于管道式通風系統，渦輪增壓器壓氣機吸氣溫度主要受外界大氣溫度的影響，而不是受機艙溫度的影響。大氣溫度的變化將影響到船舶主柴油機的耗油率、排氣量和排氣溫度，掃氣壓力、壓縮壓力和爆炸壓力也會受到影響。大氣溫度高，柴油機進氣密度小，進氣量減少，在相同噴油量下將導致燃燒質量下降，排氣溫度升高，排氣冒黑煙，柴油機耗油率也因而上升。相反地，當大氣溫度降低時，柴油機進氣密度過高,進氣量過多，會導致掃氣壓力、壓縮壓力和爆炸壓力太高，使柴油機承受過大的機械負荷[1]。

2 主觀因素影響

2.1 船舶起航

船舶由原地開動時，由于航速為零，進程比λp=Vp/nsD=0，螺旋槳的特性曲線較正常航行時為陡。

螺旋槳的進程比λp是螺旋槳運動時的一個狀態參數。螺旋槳與螺紋相同，每旋轉1轉，前進1個螺距H。由于螺旋槳在水中旋轉時有滑失，故前進的距離不是螺距H，而是hp，也就是螺旋槳進程，其差值H-hp，稱為滑脫。

以單位時間來表示，以ns表示螺旋槳的轉速（m/s）則單位時間內螺旋槳任一剖面上前進的路程為 λp=Vp·n（sm/s），進程比λp是螺旋槳的進程hp與其直徑D之比，即λp=hp/D=Vp=np/D。

由原地起航時，船舶開始航速為零，hp=0,故Vp=0,λp=0。

從圖4可以看出λp=a(正常情況)和λp=0時，螺旋槳特性曲線與柴油機外特性曲線的配合。

圖4 船舶起航時螺旋槳特性與外特性的配合Ⅰ-額定外特性 Ⅱ-部分外特性01-等轉矩限制外特性Fig.4 Adapting of propeller characteristic and external characteristic when ship set sail

在船舶起航時若起航轉速為na，由于這時螺旋槳按λp=0的曲線工作。故只有將加油手柄推到額定外特性曲線Ⅰ的油門開度才能使主機轉速na，此時汽缸雖沒有超負荷，但負荷加載過快，負荷從零很快升到額定值，主機的轉矩也超過了等轉矩限制外特性01，因而是不允許的。由圖4知λp時的螺旋槳特性曲線與等轉矩限制外特性曲線01交于點b。為了保證主機的扭矩M在允許范圍內，起航時的轉速應不大于nb，若駕駛臺要求起航時航速要高，正確的方法應該是推動加油手柄，使主機的啟動轉速小于nb，等航速增大后再逐漸增加油門，提高航速。

船舶在修理完畢后，要在碼頭上進行系泊試驗，這時主機的工況與起航時有相似之處，螺旋槳的特性曲線是1條λp=0的曲線也叫螺旋槳系泊特性曲線，為了保證主機不超負荷，在系泊試驗時的轉速不應大于nb。若沒有螺旋槳的系泊特性曲線，則可取nb=0.8～0.85的額定轉速，作為試驗時的最高轉速，此時應該注意各缸的排氣溫度，不能超過全負荷時的排溫。

2.2 機動操作

在機動操作時（如進出港口，狹窄水道航行），由于柴油機的工作狀態變化頻繁，故應特別重視正確的操作。首先，要保證柴油機具有良好的啟動性能，空氣瓶內儲滿壓縮空氣，對燃用重油的柴油機要改用輕柴油；注意冷卻水和潤滑油溫度的調節，使之不要太低以免影響柴油機的工作性能；在完畢后，中、大型柴油機不要立即關閉主機的滑油泵和淡水泵，以便將汽缸和活塞中的熱量帶走，避免汽缸和活塞由于突然中止冷卻而破裂，并避免汽缸壁上的滑油結焦；對中、小型柴油機帶有離合器裝置的，可脫開離合器，使柴油機空轉，待水溫，油溫下降后再停車。在過度到正常航行的加速過程中，不要使柴油機突然加速，以免發生超負荷運轉。

2.3 船舶加速過程

船舶駛離港口后，需加大油門，使主機轉速增加以達到全速航行。此時若操作不當，也會使主機超負荷。船舶加速過程中主機工作點的變化規律可用圖5說明。

船舶在較低航速下穩定航行時，主機按部分外特性曲線Ⅰ工作，螺旋槳的特性曲線為圖中a曲線。當駕駛臺命令加速至全速前進時，如果立即將加油手柄推到額定外特性時的油門開度，主機的工作曲線就由Ⅰ轉到額定外特性Ⅱ。在加速開始階段，由于航速還沒有增加，而主機轉速卻由于主機功率的增大而速度提高，ns變大，Vp不變。進程比Vp=Vp/nsD減小，螺旋槳的特性曲線變陡。由a曲線變為b曲線，主機的工作點由點1瞬時轉變為點2′。此后隨著航速的增加，進程逐漸增大。螺旋槳的特性曲線又由b曲線向a曲線過度，轉速逐漸增加，工作點沿著曲線由點2′緩慢地向點2移動，到點2就達到新的平衡，轉速達到了額定轉速nH，這個變化過程與船只的大小，裝載量的多少有關。在船舶加速過程中，若油門增加較快，則主機的轉速和功率沿著1-2′-2線變化。1-2′-2線大部分都在額定的等轉矩線MeH之上，即主機在曲軸超負荷情況下運轉。

對于裝有全制式調速器的主機，油門開度的大小是調速器來控制的。若很快將轉速提高到nH，此時主機的工作點由1轉變到3，處于超負荷工況下工作，更是不允許的。

為避免主機超負荷運轉，應緩慢加大油門（或轉速），慢慢增加主機的轉速，使轉速與船舶航速成正比的增大，這樣，在加速工程中，功率基本沿著1-2線變化，避免主機超負荷運轉。

2.4 主機的換向和船舶的倒航

船舶在港內航行，離靠碼頭或者遇到碰撞的緊急狀況時，常需改變主機的回轉方向，使高速前進的船舶迅速停止下來，改為倒航。為保證船舶航行的安全，輪機人員在接到駕駛臺的倒車命令后，在避免主機超負荷的前提下，盡快地使主機反向運轉，這就要求輪機人員必須了解換向和倒航時螺旋槳的轉矩隨轉速變化的規律。

圖5 船舶加速工況Fig.5 Accelerating condition of ship

圖6所示為主機換向時螺旋槳的倒轉特性曲線。圖中橫坐標為轉速百分數，縱坐標為螺旋槳轉矩百分數。圖中虛線A為船在全速前進時由船模試驗畫出的螺旋槳倒轉特性曲線，實線B是已考慮螺旋槳被制動和倒轉時航速降低前提下的實際螺旋槳倒轉特性曲線，直線C是用M-n坐標表示的主機等轉矩限制外特性曲線。

現分析船舶由全速前進變為倒車的情況，開始時主機和螺旋槳配合于工作點a(額定轉速和額定轉矩)，在接到駕駛臺命令后，停止向主機供油，主機轉矩迅速下降，當轉速下降到60%～70%nH時，主機的轉矩為零（點b）。

點b以后，螺旋槳被水流沖擊，仍按正轉方向轉動(因船仍全速前進)，并且象水渦輪一樣的工作，發出負的轉矩，阻止船舶前進，因而轉速逐漸下降。當螺旋槳轉速為30%～40%nH時，負轉矩下降與主機運動機件的摩擦阻力相同，螺旋槳停止自由轉動（點d），b-c-d為螺旋槳倒轉時的第二階段，即相當于水渦輪工作階段。

點d處螺旋槳停止轉動，主機可以進行換向、倒車起動（主機的起動力矩必須大于螺旋槳給予主機的負轉矩）。此后，主機帶動螺旋槳倒轉運動，產生負的推力，對船起制動作用。由于此時船舶仍在前進，所以當倒車轉速達到40%～60%nH時，主機軸系已達到額定轉矩值McH。

圖中曲線B是考慮了在螺旋槳的作用下船速逐漸降低的實際特性曲線。當船舶以半速或微速前進開倒車時，螺旋槳倒轉特性的變化規律和全速開倒車時相似，只是負轉矩的絕對值相對減少。

按照上述分析，如果待螺旋槳自動停止回轉后，主機再開倒車，主機雖不會超負荷，但對現代大噸位海船，從主機停止供油到螺旋槳停止回轉需幾分鐘。在此期間船舶由于慣性而滑行的距離一般可達船長的5～8倍，這么大的滑行距離，對港內航行，特別是在避碰的緊急狀況下是危險的。為了保證船舶的安全航行，就應設法減小螺旋槳自由回轉的時間（即圖中的b-c-d階段），盡快開出倒車，阻止船舶前進，常用的方法是壓縮空氣制動。

比較圖中的曲線B與C，螺旋槳在b＇-c＇-d＇階段產生的負轉矩小于主機額定轉矩McH，主機如果在此階段開出倒車，用主機的轉矩對螺旋槳起制動作用，使之很快地停止回轉，軸系是不會超負荷的，但是實際上用壓縮空氣的壓力所產生的制動力矩可能不足以超過螺旋槳在點c＇產生的負轉矩，不能一次使螺旋槳轉速降到零，即一次制動不能成功，必須再等一下，待船舶航速降低后，再用壓縮空氣做第二次強迫制動。此時，重要的是制動時機的選擇，若制動過早，柴油機正轉轉速太高，一次制動不成功，不得不進行二次制動，反而延長了倒車開出的時間。若制動過晚，一次制動可以成功，但等待主機轉速下降的時間太久，也使開出倒車時間延長。一般應在主機的轉速降到額定轉速的30%～40%時進行制動。由于各種機型的操縱機構不同，最佳制動時機也不同，需要輪機人員根據不同的機型摸索經驗，總結規律。

當用壓縮空氣制動時，由于主機仍在正轉，而起動空氣是按倒車定時進入汽缸，大量高壓起動空氣在汽缸內被壓縮產生制動作用。有時汽缸內的壓縮壓力超過正常工作時的最高燃燒壓力，進而頂開汽缸蓋上的安全閥。

用壓縮空氣制動的過程是當船在全速前進中接到開倒車的命令后，立即將加油手柄拉到停車(停油)位置；當螺旋槳轉速降到60%～70%時，將操縱手柄移到倒車位置；待操縱機構換向完畢，即可倒車啟動（此時主機仍在正轉），強迫主機停止回轉。若一次制動不成功，則再作第二次制動。當主機倒轉后，推上加油手柄，使主機倒車運轉。由于此時船舶仍在前進，倒車轉速不能超過40%～60%,等船舶停止前進，開始倒退時才能再次加速。

裝有倒順離合器而主機本身不能反轉的中小型船舶，由全速前進改為急倒時，首先脫開離合器，同時主機降速，一般要降到60%nH后，接上倒車離合器。否則會由于摩擦片因結合速度過高，易于打滑或發熱燒損，主機也會因開始倒車轉速過高而嚴重超負荷。

圖6 螺旋槳與主機轉矩外特性Fig.6 Torque external characteristic of propeller and main engine

在緊急避碰的情況下，有時輪機人員會遇到駕駛臺命令從“前進三”轉為“后退三”的情況，駕駛員的本意好似請輪機人員盡快開出倒車，使船舶停下來，并不是讓船馬上以“后退三”的速度倒航。此時，輪機人員應立即停車，并用壓縮空氣制動，盡早開出倒車，使主機倒車運轉。根據操作的程序，一般只先開“后退一”，而后逐步加速，切不可盲目將加油手柄一下子推至“后退三”的位置，致使柴油機及軸系嚴重過負，引起重大機損事故的發生。

船舶在倒航時，由于船體阻力較正航時為大，所以倒航時的螺旋槳特性曲線較正航時的為陡，如不了解情況，在操作時就可能使主機超負荷運轉。

如圖7所示給出的正航（曲線1）與倒航（曲線2）時的螺旋槳特性曲線與柴油機額定外特性曲線的配合。由圖可見，在正車額定工況下，主機的轉速為nH，當船舶倒航時，噴油泵柱塞有效行程與正車額定工況時一樣，主機的轉速只能達到n1,但主機的轉矩已超過額定值，即在軸系超負荷情況下運轉。為了保證倒航時主機的轉矩不超過允許值，必須使倒車的最大轉速不超過n2。n2是對應倒航螺旋槳特性曲線與等轉矩特性曲線交點的轉速。通常n2為額定轉速的70%～80%,每條船舶的最大倒航轉速由輪機人員根據主機的排溫在上述范圍內選定。

2.5 船舶轉彎時主機操作

船舶轉彎時，舵要偏斜一個角度，船體在斜水流中前進，阻力要比直線航行時有所增加。在相同的螺旋槳轉速下，船舶前進速度降低，進程減小。此時，要求螺旋槳產生較大的推力以克服前進的阻力，主機的轉矩也相應增加。當船舶在全速航行時轉彎，由于全制式調速器的控制使轉速保持不變，導致油門開度增大，柴油機超負荷運轉。對無全制式調速器的主機，加油手柄固定不動，船舶轉彎時，主機轉速自動下降，改為直航后，轉速恢復正常，這是由于轉彎時的阻力增加的緣故。

當船舶采用雙槳時，一般右舷為右舷漿。當雙槳船轉彎時，2個螺旋槳在斜流中工作，并且處于不同的水流速度下，此時，2個螺旋槳產生的推力的綜合雖然與船舶阻力相等，但兩漿之間的負荷分配時不同，靠近轉彎中心的內漿的負荷相對更大一些。

如圖8所示，雙槳船轉彎時螺旋槳特性的變化。圖中曲線A為直航時正常的螺旋槳特性，B為在某一舵角下轉彎時外漿的螺旋槳特性；C為內漿的螺旋槳特性。1為主機額定外特性，2為部分外特性。當船舶定速直航時，主機的加油手柄是固定不變的，假定工作點a(對兩個漿都一樣)，當船以某一個舵角轉彎時，外漿的負荷略有增加（曲線B稍陡于A），外漿主機的工作點移至b,而內漿的負荷大大增加，內漿主機的工作點移至c。當轉彎后有改為直航是，2個漿的特性曲線由回復到A點。若主機在轉彎之前工作于部分外特性的點轉彎時外漿和內漿主機的工作點則分別移至＇。

裝有全制式調速器的主機，在轉彎前應適當降低主機的轉速，一般控制在主機轉速n主機=85%～90%額定[4]，以免超負荷。

圖7 船舶倒航時螺旋槳特性與柴油機額定外特性的配合Fig.7 Adapting between propeller characteristic and external characteristic of main engine when ship backward going

圖8 雙槳船轉彎時主機負荷的變化Fig.8 Change of main engine's real load of twin-screw ship when it luffs.

3 其他因素

3.1 機艙通風系統對主機運行性能的影響

機艙通風系統的作用是:為主機、副機和鍋爐燃燒提供足量的新鮮空氣;帶走機艙里機電設備運行中散發出的熱量,以降低機艙溫度,保證機艙良好的工作環境;排除機艙里的可燃氣體和水蒸汽;冷卻機電設備,防止故障。通風系統的工作狀況將直接影響到主柴油機和其它輔機的工作性能,燃燒惡化、排氣溫度升高、冒黑煙、軸承高溫等故障往往就是因為通風系統工作不正常引起的。因此輪機管理人員平時應加強對通風系統的維護保養.另外,送風和排風的正確操作也十分重要,關系到機艙空氣質量和溫度[7]。

3.2 船舶拖帶

在拖帶情況時，船舶總阻力上升，航速減低。在正常工況下，柴油機有一定量的余功區，可利用余功進行拖帶。首先要了解被拖船阻力與航速的關系，同本船螺旋漿特性、余功大小、余功使用情況進行比較分析，確保在拖帶時主機不超負荷。同時注意主機等設備的工作狀況，拖動后開始慢慢加速，要注意：如果船不動則不能加速；同時要注意風浪對船舶穩性的影響；拖帶用的纜繩長度要選擇準確，過長易纏在的螺旋槳上，過短則拖帶不穩定甚至能導致翻船。

4 結束語

船舶在航行中處于各種外界自然環境和各種航行工況下。惡劣的自然環境不僅通過影響船舶本身的操縱性能，也通過影響操船者的技術水平和心理狀況來影響船舶航行安全；在特殊的自然條件和航行條件下時，主機人員的操作水平是決定航行安全的主要因素，操作不當會引發主機機損事故,甚至會危及船舶和人員生命安全。對此，作者簡要的分析了在各種情況下主機運行工作的變化規律，給輪機人員正確操縱主機，實現機器經濟、安全地運行提供依據和建議，保障人員、船舶的航行安全。

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