導讀

　　針對某船海上全回轉(zhuǎn)試驗時出現(xiàn)的主動力失效事件，結(jié)合其它船航行試驗中出現(xiàn)的類似案例的原因分析，在船舶水動力學和船機槳匹配理論的基礎(chǔ)上，分析全回轉(zhuǎn)中船舶的特殊運動狀態(tài)，對全回轉(zhuǎn)試驗中船舶主動力失效因素進行歸納，提出預(yù)防風險的若干措施，旨在為新船的全回轉(zhuǎn)試驗提供參考借鑒。

　　

　　一、前 言

　　船舶建造完成后進行的海上回轉(zhuǎn)試驗, 是檢驗船舶操縱性的重要試驗項目之一, 目的是了解船在一定航速和舵角下的回轉(zhuǎn)能力及所需水域大小，提供相關(guān)數(shù)據(jù)給船東記錄，并供操作、修理及改裝設(shè)計參考。

　　國家軍用標準 GJB6850.5-2009 中，詳細規(guī)定了新船在交付前要進行的回轉(zhuǎn)試驗項目和指標，其中全速滿舵的回轉(zhuǎn)試驗被稱為全回轉(zhuǎn)試驗 [1]。

　　回轉(zhuǎn)工況屬于船的過渡工況 , 此時船-機-槳處于動態(tài)匹配狀態(tài)，有可能發(fā)生異常情況。

　　例如某船穩(wěn)性和操縱性均滿足要求，但在全回轉(zhuǎn)試驗中出現(xiàn)了主動力失效導致試驗無法順利完成。

　　下面對該事件的分析及解決過程進行闡述。

　　

　　二、某船全回轉(zhuǎn)試驗動力失效現(xiàn)象及原因分析

　　1、試驗方法

　　以船全速穩(wěn)定直線航行 ( 以下簡稱直航 ) 為試驗初始狀態(tài)，記錄航向、航速、初始舵角及主機轉(zhuǎn)速，以最快速度按左或右滿舵 35°操舵，讓船回轉(zhuǎn)直至首向角變化 540°。

　　試驗時，通過差分 GPS 輸出回轉(zhuǎn)軌跡圖，并在試驗過程中記錄穩(wěn)定回轉(zhuǎn)時速度、穩(wěn)定橫傾角、最大動橫傾角和回轉(zhuǎn)周期，根據(jù)回轉(zhuǎn)軌跡圖得出穩(wěn)定回轉(zhuǎn)直徑、橫距、縱距等試驗指標。

　　當船首向角變化達540°時，可恢復直航，航速穩(wěn)定后進行反方向操舵的回轉(zhuǎn)試驗，一般情況下宜以相同或相差 180°的初始航向角進行各次操舵試驗。

　　全回轉(zhuǎn)試驗時，船的回轉(zhuǎn)軌跡如圖1所示。

　　

　　▲圖1

　　2、試驗故障原因及排除過程

　　(1)故障現(xiàn)象

　　該船采用柴-柴聯(lián)合動力裝置，螺旋槳推進，主機采用德國 MTU16V1163 型高速柴油機，排氣系統(tǒng)為水下舷側(cè)排氣方式(挪威 MECMAR 舷側(cè)排氣系統(tǒng))。

　　在首次左滿舵全回轉(zhuǎn)試驗進行至 20s 左右時，右舷前后兩臺主機先后出現(xiàn)排氣溫度高(右舷后主機 700℃左右)以及舷側(cè)排氣背壓高(右舷后主機舷側(cè)排氣口背壓在 190 mbar 左右)報警，報警持續(xù) 60s 左右時，

　　右舷后主機出現(xiàn)安全停機，導致該試驗無法順利完成。

　　(2)故障原因分析及排除

　　通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，左滿舵回轉(zhuǎn)試驗至穩(wěn)定階段，船體出現(xiàn)右橫傾，穩(wěn)定橫傾角為 13°，導致右側(cè)主機舷側(cè)排氣口的水下浸深變大，舷側(cè)排氣口排氣背壓升高。

　　在舷側(cè)排氣系統(tǒng)安全要求、主機熱負荷限制特性保護下，舷側(cè)排氣系統(tǒng)設(shè)定舷側(cè)排氣背壓在高于85 mbar 后持續(xù) 60s 時輸出安全停機信號至主機，高于400 mbar 時無延時立刻安全停機。

　　經(jīng)過和設(shè)備服務(wù)商討論，雖然主機的技術(shù)參數(shù)中設(shè)計 / 最大允許排氣背壓為 30/50 mbar，但舷側(cè)排氣系統(tǒng)的舷側(cè)排氣背壓報警停車值可以根據(jù)主機實際運行情況修改。

　　服務(wù)商提出60s 延時時間為系統(tǒng)初始設(shè)定時間，可以在主機安全運行的前提下，根據(jù)實船操縱需要適量調(diào)整。

　　因此，將系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定修改為：

　　排氣背壓高于 85 mbar 持續(xù) 4min 后安全停機。

　　調(diào)整相關(guān)設(shè)定后，該船全回轉(zhuǎn)試驗順利完成。

　　類似于上述的故障現(xiàn)象，也發(fā)生在該船的電站柴油機舷側(cè)排氣系統(tǒng)上。

　　該柴油機為輔機，在全回轉(zhuǎn)試驗中出現(xiàn)輔柴油機舷側(cè)排氣口排氣背壓高達到安全停車設(shè)定值，先后導致兩臺在網(wǎng)發(fā)電機組安全停機。

　　由于未能及時起動備用發(fā)電機組，造成了短暫的全船失電，其故障原因同上，后采取同樣的修改設(shè)定值的措施后排除了故障。

　　三、其他類似全回轉(zhuǎn)試驗故障案例

　　1、某輔船在全回轉(zhuǎn)試驗中出現(xiàn)主機冷卻水溫度過高安全停機

　　原因分析：

　　該船設(shè)有高、低位海底門，船在全回轉(zhuǎn)時橫傾角度較大，此時使用的高位海底門吸入的海水夾雜著大量氣泡，主機冷卻海水量減小，冷卻能力大幅下降，導致主機冷卻水溫度過高安全停機。

　　該船同時設(shè)有低位海底門和高位海底門，按一個海底門能滿足正常航行時海水需求量設(shè)計，因此在后續(xù)全回轉(zhuǎn)試驗前通過切換管路使用低位海底門排除了故障。

　　2、某船在全回轉(zhuǎn)試驗中主機出現(xiàn)負荷限制

　　該船全速工況為四機雙槳推進，在右滿舵全回轉(zhuǎn)試驗中，左側(cè)螺旋槳為外槳，右側(cè)螺旋槳為內(nèi)槳，進入穩(wěn)定回轉(zhuǎn)階段記錄主推進裝置負荷相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。

　　

　　由表 1 數(shù)據(jù)可以看出，右滿舵全回轉(zhuǎn)時，左右推進軸的實測軸功率都比直航工況時變大，負荷最大狀態(tài)為：

　　左軸功率增加 2 884 kW, 是右軸功率增加值的 1.6倍，左軸主機超負荷運行，超負荷狀態(tài)下，左軸螺旋槳實際螺距隨指令降至 84%，負荷下降至設(shè)計值。

　　對此，分析原因如下：

　　船在右滿舵全回轉(zhuǎn)時船體左傾，此時受船速降低、槳葉攻角變大、槳盤流場變化、螺旋槳浸深變化等多方面因素的影響，內(nèi)外槳負荷均變重 , 且外槳負荷遠大于內(nèi)槳負荷 [3]，導致兩軸主機負荷不同程度的增加;

　　主機負荷一旦達到主機的扭矩限制線，主機遙控系統(tǒng)將自動減小螺距指令，使柴油機的油門限制在扭矩限制線下邊緣，以防止主機因扭矩限制而轉(zhuǎn)速下降;

　　當柴油機負荷低于扭矩限制線時，主機遙控系統(tǒng)將螺距指令自動恢復到所需螺距，直至主機的扭矩限制取消 [4]。

　　但該措施若設(shè)計不當有可能會導致全回轉(zhuǎn)速降過大，影響試驗指標。該船全回轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)航速相對初始直線航速下降了 56.7%。

　　通過上述試驗現(xiàn)象及原因分析，在采用調(diào)距槳的情況下，可以通過主機遙控系統(tǒng)自動降螺距的方式，在全回轉(zhuǎn)時，使主機保持設(shè)定轉(zhuǎn)速而不會超負荷運行。

　　由此可見，全回轉(zhuǎn)試驗中船的特殊運動狀態(tài)對主動力系統(tǒng)的正常工作造成了一定程度的影響，有必要進一步分析全回轉(zhuǎn)工況船的運動狀態(tài)和原因。

　　四、全回轉(zhuǎn)工況船舶運動狀態(tài)分析

　　1、船速降低

　　以本文第 2 節(jié)的某船為例，在后續(xù)順利完成的回轉(zhuǎn)試驗中，船穩(wěn)定回轉(zhuǎn)時船速降幅為船直線航速的25%。

　　船在全回轉(zhuǎn)運動中漂角(船的航向與回轉(zhuǎn)圓形軌跡切線方向的夾角)增大，使船的前進阻力增大，離心力在前進方向上的分量消耗了螺旋槳的部分推力;

　　另一方面，船-機-槳匹配處于一個動態(tài)的過程，螺旋槳推進效率降低，船的航速顯著減小，稱為回轉(zhuǎn)速降 [5]。

　　回轉(zhuǎn)直徑越小、回轉(zhuǎn)漂角越大，則回轉(zhuǎn)速降越大，一般降速幅度為船舶初速的 25%~40%。

　　2、回轉(zhuǎn)的橫傾

　　船在回轉(zhuǎn)運動中，受力情況如圖 2 所示。

　　

　　▲圖 2 船舶回轉(zhuǎn)受力情況示意圖

　　由于舵力、離心力和水動力不在一條直線上，形成繞船縱向軸的力偶，因此會出現(xiàn)繞船縱向軸的橫傾。

　　船的回轉(zhuǎn)運動過程，可以分為三個階段 [6]：

　　(1)轉(zhuǎn)舵初期

　　轉(zhuǎn)舵開始時，船體因本身慣性很大，來不及產(chǎn)生明顯的橫向速度和回轉(zhuǎn)角速度，會因舵力短時內(nèi)傾;

　　(2)過渡階段

　　船進入穩(wěn)定回轉(zhuǎn)前的動態(tài)過程，隨著船體漂角增大，船受回轉(zhuǎn)慣性離心力矩的作用，由內(nèi)傾漸漸變?yōu)橥鈨A，因慣性產(chǎn)生最大外傾角，一般為穩(wěn)定外傾角的1.2~1.5 倍;

　　(3)穩(wěn)定階段

　　受力與運動處于穩(wěn)定狀態(tài)，船以一定的橫向速度和回轉(zhuǎn)速度繞固定點作回轉(zhuǎn)運行，船體穩(wěn)定于某一外傾角。

　　3、螺旋槳負荷增加

　　船的回轉(zhuǎn)速降導致螺旋槳的進速系數(shù)減小，當螺旋槳轉(zhuǎn)速不變時，螺旋槳的推力和阻力矩均相應(yīng)增大。

　　結(jié)合多型船海上全回轉(zhuǎn)試驗的測試數(shù)據(jù)，以及參考相關(guān)資料文獻的研討 [3~9]，可以了解到船在全回轉(zhuǎn)試驗的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)階段，內(nèi)外槳負荷均大于船直航時負荷，且外槳負荷大于內(nèi)槳負荷。

　　五、全回轉(zhuǎn)試驗動力失效風險分析

　　通過以上若干全回轉(zhuǎn)試驗中出現(xiàn)的問題以及船舶運動狀態(tài)分析，以下因素可能會導致全回轉(zhuǎn)試驗中主動力系統(tǒng)出現(xiàn)故障風險：

　　1、試驗海況

　　船在全回轉(zhuǎn)試驗中的外界環(huán)境條件，如風速、流速所造成的擾動力矩會和舵力矩疊加，增大船的橫傾角，使船在過渡工況的動態(tài)特性偏離設(shè)計狀態(tài)，影響主動力裝置及其保障系統(tǒng)的正常工作。

　　2、試驗時船舶狀態(tài)

　　全回轉(zhuǎn)試驗前，對船的縱橫傾狀態(tài)、排水量、重心位置以及所處的試驗階段都有嚴格的指標要求，以確保船體狀態(tài)盡可能接近設(shè)計階段滿足操縱性指標的狀態(tài)。

　　3、海底門的使用

　　某些船同時設(shè)有高、低位海底門，在淺水航行時為避免吸入泥沙，使用高位海底門;

　　在海洋中或輕載航行時為避免船搖擺時吸入空氣，使用低位海底門[10]。

　　在全回轉(zhuǎn)試驗時，若海底門使用不當，會影響主、輔機的冷卻水來源，造成動力失效風險。

　　4、主機超負荷出現(xiàn)扭矩限制

　　全回轉(zhuǎn)工況下螺旋槳阻力矩的增大要求主機同時發(fā)出更多功率，在這種情況下，主機有可能超負荷運行出現(xiàn)扭矩限制，特別是外槳對應(yīng)的推進主機。

　　若主機遙控系統(tǒng)自動減小螺距指令和恢復螺距指令的采樣和發(fā)令周期不當，會導致主機功率頻繁達到扭矩限制線，無法穩(wěn)定控制主機轉(zhuǎn)速和螺旋槳螺距，使螺旋槳發(fā)出所需推力，也會間接影響回轉(zhuǎn)航速、回轉(zhuǎn)半徑等試驗指標。

　　六、試驗中預(yù)防風險的措施

　　針對上述風險分析，建議在試驗組織、系統(tǒng)設(shè)計等方面采取以下預(yù)防措施：

　　1、選擇合適的試驗海域及時機

　　全回轉(zhuǎn)試驗對試驗海區(qū)、水文氣象有明確規(guī)定，要求海況不大于二級，能見度良好，水域?qū)掗煟瑧?yīng)大于 50×50 船長 [1]，試驗海域有足夠的水深。

　　試驗時機應(yīng)合適 , 盡量避免順風順浪時進行回轉(zhuǎn)試驗，條件無法滿足時適量減緩操舵速度，盡可能減小外界環(huán)境條件造成的擾動因素。

　　2、嚴格控制船舶狀態(tài)

　　試驗前通過調(diào)整液艙內(nèi)油、水裝載量使船的排水量為正常排水量，嚴格按要求完成船舶配載，減少自由液面，采取適當措施防止重物移動，使船的重心位置、縱橫傾盡量接近設(shè)計狀態(tài)。

　　同時，要求螺旋槳表面和船體水下部分清潔無損。

　　3、排除動力裝置受橫傾影響的風險因素

　　(1)新船設(shè)計時，高位海底門的布置位置要滿足全回轉(zhuǎn)工況下不會露出水面。

　　若不可避免時，在實船航行試驗時操船人員和試驗組織人員要知道此情況且及時采取相應(yīng)措施，比如通過對高低位通海閥的開閉或管路切換，提前控制主機及電站柴油機的冷卻水來源，避免主機安全停車;

　　(2)若主、輔機采用舷側(cè)排氣，應(yīng)重點關(guān)注影響主、輔機排氣溫度和排氣背壓的不利因素，如主機熱負荷限制安全停車的設(shè)定時間等;

　　(3)將電站的備用發(fā)動機組全部起動待命, 并使電站工作在自動模式，以便試驗中出現(xiàn)電網(wǎng)失電時備用機組能及時投入電網(wǎng)。

　　4、合理設(shè)計主機遙控系統(tǒng)負荷限制功能

　　主機遙控系統(tǒng)負荷限制功能設(shè)計中，自動減小螺距指令和恢復螺距指令的采樣及發(fā)令周期，需根據(jù)試驗情況進行調(diào)整。

　　該速率太快會導致螺距下降過多，主機發(fā)出功率不足;

　　速率太慢會導致主機扭矩限制起作用主機轉(zhuǎn)速下降;

　　恢復螺距指令速率的設(shè)定不當，也同樣會導致主機頻繁達到扭矩限制。

　　最終導致了船的回轉(zhuǎn)速降過大，影響全回轉(zhuǎn)指標。

　　因此，合理的負荷限制功能的設(shè)計，有利于穩(wěn)定控制主機轉(zhuǎn)速和螺旋槳螺距，保證主動力裝置的有效性。

　　七、結(jié)束語

　　本文結(jié)合若干艘船全回轉(zhuǎn)試驗現(xiàn)象及故障實例，分析其原因，歸納出可能導致試驗中出現(xiàn)船舶動力失效風險的因素，提出降低風險的原則和措施，并經(jīng)過了實船試驗驗證。

　　希望能為新造船的全回轉(zhuǎn)試驗提供一定的參考和借鑒。

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　　原創(chuàng)作者系：

　　滬東中華造船(集團)有限公司

　　楊亞男、徐雪波、薛小衛(wèi)