船舶螺旋槳輕轉裕度探討

吳小平

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

輪機與輔機

船舶螺旋槳輕轉裕度探討

吳小平

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

針對船舶裝機功率下降而螺旋槳輕轉裕度未隨之更改導致在惡劣海況下主機無法輸出足夠功率的問題，討論螺旋槳輕轉裕度。探討輕轉裕度對船舶相關性能的影響，包括惡劣海況下的功率儲備、操縱性及快速跨越主機轉速禁區等。此外，討論節能裝置對輕轉裕度的影響。

螺旋槳；輕轉裕度；機槳匹配

0 引 言

螺旋槳輕轉裕度（Light Running Margin，LRM）是船舶設計中的一個重要概念，對船舶的多項性能都有較大影響。有些船舶因在試航期間輕轉裕度不達標而無法交船，還有些船舶因輕轉裕度偏低而在運行后出現油耗升高、在惡劣海況下主機轉速受限等各種各樣的問題。因此，在設計之初選擇合適的螺旋槳輕轉裕度非常重要。

近年來，受能效設計指數（Energy Efficiency Design Index，EEDI）的影響，船舶裝機功率呈下降趨勢。在螺旋槳設計領域，沿用多年的輕轉裕度并未隨之更改，這就導致船舶在遇到惡劣海況或螺旋槳重載工況時，主機無法輸出足夠的功率來滿足船舶正常航行和作業的需求。輕轉裕度過小會導致螺旋槳長期重載、主機油耗增加；輕轉裕度過大有可能導致螺旋槳效率降低。影響輕轉裕度的因素有很多，在設計之初，應根據具體情況選擇合適的輕轉裕度。除了考慮主機降功率的因素之外，還應考慮海況的惡劣程度及輕轉裕度與其他性能（如快速性、操縱性等）之間的平衡。當前，業界普遍接受的輕轉裕度為3%～5%。但是，隨著主機功率的降低，輕轉裕度有上升的趨勢。例如：主機廠商MAN公司1999年以前建議輕轉裕度取2.5%～5%，1999年之后建議取3%～7%，2015年則建議取4%～10%；國際拖曳水池會議（International Towing Tank Conference，ITTC）在其2008年頒發的指導文件中建議輕轉裕度取5%～7%[1]。

根據某型船規格書對輕轉裕度提出的要求（螺旋槳設計應考慮推進效率、空泡及振動性能，在設計吃水狀態、輕微海況、潔凈船體并考慮節能裝置的條件下，螺旋槳吸收主機額定功率時的轉速應高于額定轉速5%。），螺旋槳在設計吃水狀態時，考慮節能裝置的影響，在額定功率下應達到5%的輕轉裕度。

1 輕轉裕度的定義

若船舶安裝有減速箱或可調螺距螺旋槳，則可通過調節減速比或螺距來控制螺旋槳的轉速，輕轉裕度并不是太大問題。但對于主機直接驅動固定螺距螺旋槳，即螺旋槳轉速與主機轉速相同，則情況就不同了。圖1給出主機特性曲線和螺旋槳負荷曲線，螺旋槳輕轉裕度定義[2]為

式(1)中：nL和nS分別為螺旋槳輕載負荷曲線及螺旋槳標準負荷曲線在指定功率下的轉速。根據式(1)的定義，圖1中100% SMCR功率下的輕轉裕度為5%。

圖1 輕轉裕度定義

2 輕轉裕度對船舶性能的影響

若設計螺旋槳時不考慮輕轉裕度，則當螺旋槳承受重載荷時，主機將無法輸出足夠的功率，導致航速降低、油耗增多，甚至威脅船舶航行安全。螺旋槳重載包括惡劣海況、船體污底、螺旋槳老化、限制航道、船舶加速及港口操作等情形。

2.1 EEDI最小航速

為保證船舶在惡劣海況下安全航行，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）海洋環境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）在2013年舉行的第65次會議上對惡劣海況下船舶最小主機功率和最小航速提出了要求[3]。根據IMO的定義，惡劣海況參數見表1。為應對惡劣海況，除了要有輕轉裕度，還要保證海況裕度（Sea Margin）符合要求。海況裕度是指船舶在風浪中航行時的主機功率相對于在靜水中航行時的主機功率所增加的百分比。輕轉裕度與海況裕度有聯系，但二者不可混淆。若螺旋槳沒有足夠的輕轉裕度，則即使主機留有海況裕度，其在惡劣海況下也未必能充分利用這部分海況裕度，也就未必能達到指定的航速。由此可見，螺旋槳輕轉裕度會影響到EEDI航速。

表1 IMO EEDI計算所定義的惡劣海況參數

2.2 主機選點

在船舶設計中，通常會遇到主機型號選定而功率選點有多種可選方案的情形。對于同一主機不同的選點（例如圖2中的A點和B點），螺旋槳應根據不同的選點來設計，以保證螺旋槳與主機最佳匹配。若2個選點采用相同的輕轉裕度（如5%），則由于B選點功率小，B選點螺旋槳在極端重載時只能吸收7520kW的功率，無法達到A選點螺旋槳8360kW的功率。反之，若適當增加B選點螺旋槳的輕轉裕度（由5.0%提高至6.9%），則B選點亦能達到與A選點相同的功率（見圖3）。這表明，若主機SMCR降低，要保證螺旋槳在重載工況下仍能吸收足夠的主機功率，可通過提高輕轉裕度來實現。

圖2 輕轉裕度與主機選點的關系

2.3 低速操縱性

在港口或限制水域，船舶操縱性尤為重要，需保證船舶在低速或靜止狀態下具有較好的操縱性以完成轉向、前進及倒車等操作。圖4以MLRM=3%和MLRM=10%的2個螺旋槳為例，說明輕轉裕度對操縱性的影響，2個螺旋槳均處于重載狀態，可認為是系柱工況。從圖4中可看出，重載時螺旋槳載荷曲線向左移動。此時，輕轉裕度較大者能輸出61%的主機功率，而輕轉裕度較小者只能輸出41%的主機功率。較大的功率和轉速有利于操縱性。由此可知，當船舶處于低速航行或靜止狀態時，輕轉裕度越大對操縱性越有利。

2.4 轉速禁區

圖4 輕轉裕度對操縱性的影響

由于主機在某些轉速區間內會產生過大的扭振，長時間在該區間內運行會導致主機受損，因此主機廠家通常會設置一個轉速禁區防止主機受損。從圖5中可看出，在轉速禁區的上限，輕轉裕度較小者僅有少量的功率裕度，將導致主機無法通過或無法快速通過轉速禁區，對主機造成損傷。相比之下，輕轉裕度較大者有足夠的功率裕度來保證主機快速越過轉速禁區。盡管可通過調節主機調速控制器暫時解決主機無法快速越過轉速禁區的問題[4]，但根本的解決途徑還是提高輕轉裕度。

2.5 主機油耗

在良好的海況下，輕轉裕度越大，主機油耗越多；而在惡劣海況下，輕轉裕度越大，主機油耗越少。螺旋槳在重載時，其轉速-功率性能曲線將左移，對于主機特性圖中的大部分區域，曲線左移將導致主機油耗增加（見圖6）。選擇相對較大的輕轉裕度可延緩螺旋槳曲線左移，從而降低油耗。盡管輕轉裕度較大的螺旋槳在平靜海域內油耗略多，但考慮到在惡劣海況下輕轉裕度較大會降低油耗，兩者相抵消。因此，選擇較大的輕轉裕度，主機綜合油耗并不一定會有明顯的增加。

3 節能裝置對輕轉裕度的影響

節能裝置在船上的應用十分廣泛，可通過改善槳前或槳后的流場來提高推進效率，從而達到節能的目的。加裝船后節能裝置（如Mewis導管[5]和轂帽鰭）會對螺旋槳的轉速產生影響，從而影響輕轉裕度。根據經驗，Mewis導管可減小輕轉裕度0.5%～2%，轂帽鰭可增加輕轉裕度0.5%～1.0%。螺旋槳和節能裝置通常由不同的廠家提供，由于雙方缺乏有效的溝通，螺旋槳輕轉裕度偏離期望值的案例屢見不鮮。若加裝節能裝置，雙方應就節能裝置可能給螺旋槳帶來的影響進行詳細評估。

圖5 輕轉裕度對跨越轉速禁區的影響

圖6 主機油耗

4 結 語

螺旋槳輕轉裕度對船舶性能有重要影響，不僅影響船舶的作業效率，還影響船舶的安全運營。隨著船舶降功率的趨勢日益加快，業界沿用已久的3%～5%的輕轉裕度已難以滿足實際運營需要。從根本上看，主機無法輸出預定功率、油耗增加及無法快速跨越轉速禁區等問題很可能均與輕轉裕度有關。對于經常在惡劣海況下航行的船舶，應適當增加輕轉裕度。

[1] ITTC. Testing and extrapolation methods, propulsion, performance, predicting powering margins: Recommended Procedures and Guidelines 7.5-02-03-01.5[S]. 2008.

[2] MAN Market Update Note. Light Running Margin (LRM) [R]. Augsburg, Germany: MAN Diesel & Turbo, 2015.

[3] IMO. Interim guidelines for determing minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions: MEPC. 232 (65)[S]. 2013.

[4] MAN Market Update Note. Enhanced torque reserve for MAN B&W S and G-type engines for adequate ship acceleration [R].Augsburg, Germany: MAN Diesel & Turbo, 2015.

[5] Friedrich Mewis, Thomas Guiard. Mewis duct-new developments, solutions and conclusions[C]//Second International Symposium on Marine Propulsors smp'11. Hamburg, Germany, 2011.

On the Light Running Margin of Marine Propellers

WU Xiao-ping

(Shanghai Merchant Ship Research and Design Institute, Shanghai 201203, China)

When the power of main engine drops and the Light Running Margin (LRM) of propeller remains unchanged there will be a problem that leads to insufficient propulsion power in rough seas. This paper introduces the propeller LRM,discusses the influence of LRM on relevant ship performances such as the power margin in rough seas, maneuverability and quick passage of barred speed range. The effects of Energy Saving Devices (ESD) on LRM are also discussed in the paper.

propeller; LRM; matching of propeller and engine

U664.33

A

2095-4069 (2017) 05-0064-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.012

2016-08-19

吳小平，男，高級工程師，1979年生。2008年畢業于上海交通大學船舶與海洋結構物設計制造專業，現從事船舶設計工作。