主機(jī)選型中基于降低燃油消耗量的設(shè)計(jì)分析

李江波，熊 文，2，衣正堯

(1.大連中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，遼寧 大連116052;2.南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通226005)

1 降低主機(jī)燃油消耗量的主要方案

主機(jī)燃油耗量公式為

式中:B——燃油消耗量，t/h;

Pe——主機(jī)有效輸出功率，kW;

be——主機(jī)燃油消耗率，kg/(kW·h)。

根據(jù)主機(jī)選型經(jīng)驗(yàn)［1］，降低燃油消耗量可從以下幾個(gè)方面考慮:①主機(jī)選型時(shí)減額輸出;②降低燃油消耗率;③提高最高爆發(fā)壓力與平均有效壓力之比;④降低主機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.1 主機(jī)減額輸出

MAN B＆W和W?rtsil?兩個(gè)主要的船用柴油機(jī)公司的主機(jī)選型區(qū)域內(nèi)容基本相同。圖1為MAN B＆W公司的MC系列的主機(jī)選型區(qū)域。由兩條等平均有效壓力線L1L3與L2L4和兩條等轉(zhuǎn)速線L1L2與L3L4組成。在整個(gè)選型區(qū)內(nèi)，主機(jī)的最高燃燒壓力相同。

主機(jī)減額輸出［2-3］是指，所選定工作點(diǎn)的功率(即約定最大持續(xù)功率)和轉(zhuǎn)速，通常低于主機(jī)的標(biāo)定功率和轉(zhuǎn)速(L1點(diǎn))。可以通過(guò)減額輸出，使主機(jī)減功運(yùn)行，從而降低燃油消耗量。

整臺(tái)主機(jī)的有效功率為

圖1 MC系列主機(jī)的選型區(qū)域

式中:pe——平均有效壓力，Pa;

n——主機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;

m——每轉(zhuǎn)工作行程數(shù)，四沖程機(jī)m=1/2，二沖程機(jī)m=1;

i——?dú)飧讛?shù);

Vs——?dú)飧坠ぷ魅莘e，m3

其中:D——?dú)飧字睆剑琺m;

S——活塞行程，mm。

由式(2)可知，在m、i、D、S一定的情況下，Pe主要取決于pe和n。降低平均有效壓力pe，降低轉(zhuǎn)速n，可使主機(jī)減額輸出。但降低n、pe，實(shí)現(xiàn)減額輸出的同時(shí)，會(huì)增加主機(jī)選型時(shí)的缸數(shù)。

1.2 降低燃油消耗率

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，MAN B＆W公司MC機(jī)型的油耗和功率、轉(zhuǎn)速間的函數(shù)關(guān)系如下。

式中:be、Pe、ne——該機(jī)約定最大持續(xù)功率點(diǎn)的油耗率、功率、轉(zhuǎn)速;

bn、Pn、nn——該機(jī)標(biāo)定功率點(diǎn)的油耗率、功率、轉(zhuǎn)速。

將式(2)代入(3)式中，得

在主機(jī)機(jī)型選定的情況下，式(4)中bn、Pn、nn、Vs、m、i都為定值，be的大小只取決于平均有效壓力pe，pe越小，be越小。

1.3 提高最高爆發(fā)壓力與平均有效壓力之比

由主機(jī)的理論循環(huán)研究與實(shí)踐證實(shí)，提高最高爆發(fā)壓力與平均有效壓力之比，可顯著降低燃油消耗率。受到主機(jī)負(fù)荷的限制，大幅度提高最高爆發(fā)壓力十分困難。保持最高爆發(fā)壓力不變，降低平均有效壓力，提高兩者的比值，降低油耗率，是目前廣泛采用的節(jié)能措施。

最高爆發(fā)壓力是主機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)時(shí)已決定。在整個(gè)主機(jī)選型區(qū)內(nèi)，主機(jī)的最高燃燒壓力是相同的，平均有效壓力越小，即平均有效壓力線越往下，所對(duì)應(yīng)的各負(fù)荷的油耗率越小。

1.4 通過(guò)降低轉(zhuǎn)速減少主機(jī)輸出功率

通過(guò)降低主機(jī)轉(zhuǎn)速，以提高螺旋槳效率，從而提高動(dòng)力裝置的總效率，減少主機(jī)的輸出功率。

1.4.1 方案理由

根據(jù)船、機(jī)、槳匹配能量傳遞公式

式中:Pe——主機(jī)的輸出功率，kW;

ηs——軸系的傳動(dòng)效率;

ηr——槳的相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率;

ηo——螺旋槳的敞水效率;

ηh——船身效率;

Pr——船舶保持一定航速所需的有效功率，kW。

而螺旋槳的敞水效率公式為

式中:T——船后螺旋槳的發(fā)出推力，其進(jìn)速為V a;

Q——轉(zhuǎn)矩。

從式(6)可知，在推力T，進(jìn)速V，轉(zhuǎn)矩Q為一定時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速越低，螺旋槳的敞水效率越高。結(jié)合式(5)可知，當(dāng)船舶航速一定，其所需的有效功率Pr一定時(shí)，只要使ηo提高，就可以減少主機(jī)輸出功率Pe，降低燃油消耗量。

1.4.2 方案措施

1)增大行程缸徑比。在保持活塞平均速度vm不變的情況下，通過(guò)增大行程缸徑比，可降低主機(jī)轉(zhuǎn)速。然而，增大行程缸徑比使主機(jī)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因而其增加有局限性。

2)降低活塞速度。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式

式中:vm——活塞平均速度，m/s;

S——活塞行程，mm。

由式(7)可知，在S保持一定的情況下，vm降低，轉(zhuǎn)速n也降低。

根據(jù)以上對(duì)降低燃油消耗量各相關(guān)措施的分析，認(rèn)為影響燃油消耗量的主機(jī)選型主要參數(shù)為平均有效壓力pe和轉(zhuǎn)速n。

平均有效壓力減小，可以減小燃油消耗率。轉(zhuǎn)速n降低，可以提高推進(jìn)效率，減小主機(jī)輸出功率，降低燃油消耗量。在行程缸徑比一定的情況下，可通過(guò)減小活塞速度來(lái)降低轉(zhuǎn)速。

2 影響燃油消耗量的參數(shù)分析

2.1 降低轉(zhuǎn)速

如給定了一艘船的航速，則所需推進(jìn)功率隨螺旋槳轉(zhuǎn)速降低和螺旋槳直徑增大，而相應(yīng)減少(見(jiàn)圖2)。以公式表示如下。

式中:P1、P2——所需推進(jìn)功率;

n1、n2——相應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速;

α——等航速系數(shù)，對(duì)于散貨船和油船α=0.25～0.30，對(duì)于集裝箱船α=0.15～0.25。

圖2中所示的AB和CD線為兩條假設(shè)的等航速曲線。在該線上的任一點(diǎn)表示了一個(gè)功率、轉(zhuǎn)速組合，且需要匹配一個(gè)新的螺旋槳，但在同一條等航速線上各點(diǎn)的航速均相同。

從圖2中可見(jiàn)，在相同航速條件下，主機(jī)轉(zhuǎn)速越低，需要的主機(jī)功率越小。

圖2 某航速時(shí)，主機(jī)選型區(qū)域內(nèi)的功率與轉(zhuǎn)速關(guān)系

但是，在保證一定輸出功率下，螺旋槳轉(zhuǎn)速越低，其直徑越大。且受船艉結(jié)構(gòu)空間影響，螺旋槳直徑不能太大，因此，只能對(duì)主機(jī)機(jī)型和轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。同時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速不應(yīng)過(guò)低，過(guò)低也會(huì)引起轉(zhuǎn)矩增加。

2.2 降低平均有效壓力

對(duì)于選定的約定最大持續(xù)功率點(diǎn)，或等航速曲線上的某點(diǎn)，在同一選型區(qū)域內(nèi)，其平均有效壓力是一定的。

如圖3可見(jiàn)，在通過(guò)兩條等航速曲線AB和CD上，對(duì)于選定的功率點(diǎn)，其平均有效壓力是一定的。在同一等航速曲線上，在轉(zhuǎn)速和功率選定后，通過(guò)降低平均有效壓力來(lái)降低主機(jī)的燃油消耗量，會(huì)導(dǎo)致主機(jī)缸數(shù)增加、機(jī)型變更。

圖3中對(duì)應(yīng)相同功率和轉(zhuǎn)速點(diǎn)下，平均有效壓力方面，7S70MCC7主機(jī)的小于6S70MMC7的主機(jī)。

圖3 某航速備選主機(jī)的平均有效壓力

4 案例分析

以降低油耗為目標(biāo)的主機(jī)選型流程見(jiàn)圖4。

圖4 主機(jī)選型流程

按上述流程，對(duì)同船型的兩艘大型散貨船主機(jī)選型中的燃油消耗進(jìn)行分析、對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 同船型的兩艘散貨船主機(jī)燃油消耗對(duì)比

其中船型相同的數(shù)據(jù)為主機(jī)型號(hào):6S70MCC7，

船速:16.6 kn，日常航速:14.8 kn，

螺旋槳直徑:8 400 mm，缸徑:700 mm，

行程:2 800 mm，最高爆發(fā)壓力:15 MPa，

標(biāo)定最大功率點(diǎn)燃油消耗率169 g·(kW·h)-1，

標(biāo)定最大持續(xù)輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率:18 660 kW、轉(zhuǎn)速:91 r·min-1。

由表1可見(jiàn)，同船型的兩艘大型散貨船，在航速、主機(jī)機(jī)型一樣的情況下，轉(zhuǎn)速降低3 r/min，平均有效壓力降低0.01 MPa，其每天的燃油消耗量可以節(jié)省約4%。

5 結(jié)論

主機(jī)選型中為降低燃油消耗量而采取的各方案，對(duì)主機(jī)運(yùn)行的性能參數(shù)而言，都必須降低主機(jī)轉(zhuǎn)速或平均有效壓力;主機(jī)轉(zhuǎn)速降低受螺旋槳直徑限制，平均有效壓力減低會(huì)影響主機(jī)缸數(shù);主機(jī)選型中，轉(zhuǎn)速是主機(jī)與螺旋槳匹配和聯(lián)系的惟一考慮參數(shù)。

本文只對(duì)轉(zhuǎn)速和平均有效壓力這兩個(gè)影響燃油消耗量的主要參數(shù)進(jìn)行了初步分析，對(duì)這兩參數(shù)具體如何選取，還需進(jìn)一步的設(shè)計(jì)分析。

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