LNG燃料改裝船保留原有螺旋槳的機-槳匹配分析

楊濤 谷志明 蘭亮 嚴姬

摘? ? 要：由柴油燃料改裝為LNG燃料的船舶，其最低改裝成本方案是僅將原型柴油發動機變更改成LNG發動機，原有的軸系、螺旋槳保留不變。有關資料表明，對于內燃機，因其燃料特性的改變將引起發動機的工作特性改變，因此如將原發動機的燃料轉變為LNG燃料并仍采用原有螺旋槳的改裝船，應開展機-槳匹配的可行性分析，以減少此類改裝船推進系統匹配問題的風險。本文舉例介紹由柴油改為LNG燃料船舶的機-槳匹配性分析、校核、修正流程和方法。

關鍵詞：改裝船；原船螺旋槳；LNG發動機；機-槳匹配性

中圖分類號：U664.121 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Analysis to Engine-Propeller Matching Based on

Ship Converted from FO to LNG Bunkers with Propeller Kept

YANG Tao，? GU Zhiming，? LAN Liang，? YAN Ji

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation，? Guangzhou 510250 ）

Abstract： The cheapest plan for ship converted from fuel oil bunkers to LNG is that original diesel oil engine is converted into LNG engine only， and the existing shafting， gearbox and propeller are still remained. The datum shows that the internal combustion engines performance will be changed along with its bunkers character change. So that， for the converted ship， if its main engines applying diesel oil bunkers are converted to LNG， and original propellers are kept， the analysis and judgements for engine-propeller matching should be done too， vice versa， to reduce the risk of propelling system operation after converted. This article will introduce briefly the analysis， checking， amendment flow paths and methods for the ships converted from combustion diesel oil to LNG bunkers.

Key words： converted ship; original propeller remained; LNG-engine; engine-propeller matching

1? ? ?前言

目前船舶多采用柴油作為燃料，排放大量有害氣體，給空氣造成嚴重污染。為此，各國政府陸續出臺環保相關規定、編制有關標準、修訂防空氣污染法規，要求在規定期限內將其有害氣體的排放量下降至規定限值，從而促使船舶行業掀起綠色造船、綠色用船的熱潮。船舶采用LNG作為動力燃料，可大幅降低有害氣體排放量，有效滿足相關環保要求，各地水上航運業主紛紛提出需求，對現有船舶實施改造，將原柴油燃料發動機改裝為LNG燃料發動機。

對于同款發動機，如所用燃料不同，不僅其燃料供應系統的結構和配置會發生改變，而且發動機的工作特性也會產生相應變化。因此，如果船舶主機由柴油發動機改裝為LNG發動機，即使發動機主體不發生改變，其推進特性與原船的推進器（螺旋槳）的匹配性也需重新進行論證，才可確保改裝后的動力推進系統可靠、穩定地運行。本文以某型系列改裝船為例，簡要介紹LNG改裝船發動機更新而留用原有螺旋槳的機-槳匹配分析、校核、修正過程和方法。

2? ? 原船配置情況

假設某型船設雙主柴油機、雙螺旋槳，主機額定功率約為385 kWx1 200 r/min，減速齒輪箱的傳動比為5：1。

為了減少改裝工程量，節省改裝成本，改裝方案僅更換發動機，而保留原船的推進軸系、齒輪箱及推進器，且換裝的設備安裝尺寸盡可能維持不變，以減少基座的更改工作量。為使改裝后的機-槳仍然匹配，首先應了解原船螺旋槳的推進特性。經驗表明，轉速—功率和轉速—扭矩兩個特性的匹配，是關系船舶推進裝置有效性、可靠性和安全性的兩大因素。為此，在改裝前需獲得原船螺旋槳的轉速-功率和轉速-扭矩特性，以及齒輪箱的傳動比等基礎數據，以便對其匹配性進行分析。

基于原柴油主機的額定轉速約為1 200 r/min、齒輪箱減速比為5：1，如果改裝后的LNG主機額定轉速高于原柴油主機額定轉速，為1 350 r/min，則應求得主機轉速1 200～1 350 r/min所對應的螺旋槳參數，以對比分析改裝后的推進裝置匹配性。如果缺乏螺旋槳資料，可通過原螺旋槳特性曲線求得其螺旋槳功率值，并根據下式得到螺旋槳的相應扭矩值（表1）。將所得數值繪制成曲線圖，如圖1、圖2所示，圖中虛線為主機轉速1200～1350 r/min所對應的螺旋槳功率和扭矩值。

式中： T—螺旋槳軸扭矩，Nm；

P—螺旋槳功率，kW；

n—螺旋槳轉速，r/min。

3? ? ?改裝船機-槳匹配性分析

為保證改裝后推進系統能可靠運行，需對機—槳匹配性進行分析。通常需核實其功率特性曲線和扭矩特性曲線的匹配性，以防止船舶在任何工況點出現主機功率或扭矩不足問題；還應考慮留有足夠的風浪影響裕度，以減少船舶航行中主機熄火、長期冒黑煙等問題，提高其使用安全性。為此，除非重新設計螺旋槳，應基于原母型船的螺旋槳特性，結合主機特性進行機-槳匹配性分析。

3.1發動機功率特性匹配性分析

首先應進行功率特性匹配分析，在確認功率特性匹配后，再進行扭矩特性匹配性分析。

為減少改裝工程量，節約成本，首選方案是選用與柴油發動機同系列型號的LNG發動機，即其基體與原柴油機基本相同，主機安裝尺寸和軸系、齒輪箱維持不變。該方案的LNG發動機功率特性與原螺旋槳的功率特性對比，如表2所示。

由表2可知：更改后的LNG發動機額定轉速-額定功率，由原來的1 200 r/min、385 kW，改變為1350 r/min、348.4 kW。LNG發動機在轉速1 200 r/min的功率比螺旋槳所需功率小了36.6 kW。由此可知，更換LNG發動機后，在原齒輪箱不改裝的條件下，主機轉速不能達到或超過1 200 r/min，在主機高轉速區存在嚴重超負荷問題。

將表2中參數繪制成功率特性曲線圖，可更直觀其機-槳功率匹配情況，如圖3所示。

從上分析可知，僅將原柴油發動機改換為同規格的LNG發動機，而原齒輪箱的傳動比保持不變，則其機-槳的功率特性不匹配，主機達不到額定轉速。

對此，通常可采用兩種方案解決，見表3所示。

為節約改裝成本，選擇上述方案二。而改變齒輪箱傳動比，亦可有兩種方案，見表4。

基于上述分析，因主機在高轉速區有嚴重超負荷現象，為此其齒輪箱的減速比應增加。經綜合對比，齒輪箱改裝采用表4中方案B；在確定實際傳動比過程中，應保證齒輪的傳動比可實施、機-槳的轉速-功率匹配可行，其傳遞能力足夠。假設改裝船的齒輪箱減速比由原來的5：1改為5.71：1，并據此重新計算出螺旋槳各工況點的功率特性參數，如表5所示。

由表5可知，齒輪箱傳動比修改后，其各工況點均有25%以上的功率裕度，且在低轉速區域，其功率裕度達到60%以上。基于上述數據繪制特性曲線圖，可直觀改裝后其機-槳功率的匹配情況，見圖4所示。由此可知，齒輪箱減速比調整為5.71：1，其機-槳功率特性匹配好，可滿足各工況的使用要求；但在額定轉速點，主機在額定轉速下未能達到額定功率，因此主機滿負荷航行試驗的考核方式需與船檢協商確定。

3.2? 發動機扭矩特性匹配性分析

核實船舶推進系統的機-槳匹配性，除其功率特性匹配外，還需扭矩特性匹配。因船舶航行時，如果推進螺旋槳的扭矩超過主機的能力時，其主機轉速將無法達到設計值而影響使用。為此，在完成機-槳功率匹配性核實后，還應基于已定齒輪箱傳動比，校核其機-槳扭矩特性的匹配性。

忽略軸系傳動效率，該型船齒輪箱改裝后的扭矩特性值見表6，并將其繪成曲線進行對比，如圖5所示。

由表6可知，齒輪箱改裝后，主機轉速小于900 r/min的扭矩裕度達100%以上，在額定轉速點亦有一定裕度。由此可知，在主機低轉速區間，船舶加速性能良好，推進系統各工況均具有較強的抗風浪能力，因此選用齒輪箱減速比5.71：1后，其機-槳扭矩特性匹配可滿足各工況的使用要求。

4? ? 推進軸系強度核算

主機額定功率改變和齒輪箱傳動比調整，均將引起軸系傳遞扭矩變化，因此對改裝船除校核機-槳匹配性外，還應對其軸強度和齒輪箱能力進行核算。通常，軸系強度計算和齒輪箱傳遞能力計算，取額定轉速/額定功率作為設計輸入。假如某型發動機在其額定轉速附近存在一個大于額定功率的峰值點（如圖6所示：主機在462 kWx1 400 r/min點高于其額定值405 kWx1500 r/min），鑒于該峰值點在常用轉速點附近，如船舶在風浪中航行或沿逆流航道航行或船體表面光潔度變差后，螺旋槳運行的功率特性曲線通常均會向左側偏移，從而大概率出現主機長期在峰值點處運行的工況。為此，在軸系強度計算及齒輪箱的傳遞能力計算中，宜增加其在功率峰值點工作的能力核算，所有配置除滿足額定工況外，還應滿足在峰值點工況的要求，以保證推進系統的運行可靠性。

5? ? 改裝方案確定

5.1? ?確定方法

（1）初步選用更替柴油機的LNG機，盡可能選用將原型柴油機改為同規格的LNG發動機方案；

（2）獲取改裝匹配性分析所需的參數。通常應取得包括但不限于下列參數：原螺旋槳的特性曲線；LNG發動機的額定功率、額定轉速、特性曲線等；

（3）假定現有螺旋槳及齒輪箱不改變，針對所選LNG機進行機-槳匹配性分析；

（4）如果機-槳特性不匹配，則對齒輪箱傳動比進行調整/改裝，盡可能采用不改變原齒輪箱外形及安裝尺寸，而僅對其內部傳動齒輪的齒數做相應改變的方案，并據此初步確定其實際傳動比；

（5）根據確定的齒輪箱傳動比，分析新主機的機-槳功率匹配性，如果其匹配性可行，再進行下一步核實工作；

（6）基于新型主機參數和齒輪箱傳動比，核算軸強度和齒輪箱的傳遞能力；

（7）上述各環節核算均滿足要求后，可確定改裝方案；如果有其中一個環節不能滿足要求，調整參數，重新進行核算工作，直到均滿足要求為止。

5.2? ?確定流程

基于上述改裝方法，可采用圖7流程確定改裝方案。

6? ? 結束語

對于新造船舶，推進器設計以及軸系、齒輪箱選配，往往是基于所選主機特性及其相關參數為基礎，按傳統的方法進行設計；而對于更換推進發動機的改裝船，往往受保留現有螺旋槳、齒輪箱、軸系等現有設施的條件限制，需要做細致的計算、復核工作，比新設計船舶的工作更繁瑣；此外，要實施改裝工程量小且技術可行的優化方案，通常需要在確定改裝方案過程中，加強與設備廠家的溝通，雙方配合協調相關參數，必要時請供貨商適當修正現有相關參數，共同完成改裝方案制訂。