耙吸挖泥船推进系统改造设计程序及相关问题研究

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引 言
“航浚4009”是中港疏浚有限公司30年前从日本进口的系列耙吸挖泥船之一。该船 采用可调螺距螺旋桨推进。由于使用年限较长,船上的主机功率下降,耙吸作业时推力
不足,中港疏浚有限公司决定委托上海交通大学船舶与海洋工程设计所对该船推进系统 的进行改造。 导管可调桨是由导管和可调螺距螺旋桨构成的特种推进器的一种,它能改善重载螺
6PC2—5L
2台 3900马力x520转/分 35IO马力x520转,分
3400mln
2040mm
内旋
0.575 0.303
224转|分 5300mm(螺距角35.40)
设计分析
综合考虑Ka系列和MAU系列螺旋桨性能,以及19A和HR导管的效率,最终选
择交大自主研发的JDC4.55121可调螺距螺旋桨配合HR导管作为“航浚4009船”新导管桨 的方案。 新导管桨的基本参数如下:采用HR高效导管,并配交大研发的4叶调距桨,根据
船尾型线尺寸,螺旋桨的直径取D=3.0m,盘面比暂取氏/Ao=O.55(待空泡校核),与螺
旋桨相配的HR导管,导管长L=I.5m,导管内径DH=3.03m。
新导管桨方案尺度保证了不改变原有布置和船舶轴系的情况下,直接安装导管桨更
替原有可调桨。为预报新导管可调桨的性能以及主机的现状,我们进行了主机实船测试 和相关模型实验。
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第十九届世界疏浚大会论文集
排水量(t) 桨轴中心距基线(m) 螺旋桨轴系尾倾(o)
△ zp
9006(压载)
2.054 1.193
12708(挖泥)
表2“航浚4009”耙吸式挖泥船推进系统主要参数如下:
主机额定参数 型号: 台数: 每台最大功率: 每台标称功率(90%): 可调螺距螺旋桨参数 螺旋桨直径: 设计螺距: 旋转方向(由尾部看): 盘面比: 毂径比 转速: 最大螺距:
出坞前,该船在船级礼验船师的监督下进行了扭转振动的测试,运转情况符合船级
社要求。航浚‘'4009”改造后在K江口区域L三经旖J.5个月,使用情况良好I“,上方量和
燃油消耗记录如表5所示.比较了改造前后2个典型工作H的土方量和燃jl|1消耗情况。
表5 2个典型工作月的比较
上机 运行 每小 时消 耗 燃油消耗 船舶运转时间
V邯翻y【Kn)
图2原桨和新导管桨净推力比较
设计程序
结合敞水实验的结果,我们整理了图谱,参考一般螺旋桨的设计过程‘31,按照CCS[4】 的规范要求,编制了相应的设计程序,获得中国专利局软件版权(No.2009SR036565)。新 导管可调桨的设计程序流程如下图3。
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图1
19A和HR两种导管的敞水效率分析
船模实验
通过船模实验获得了船体的阻力曲线以及伴流分数和推力减额。在船后收到功率为
4515.84kW时,原可调桨和新导管可调桨分别安装在船后,预报和比较改造前后的推力 增加效果。如图2所示,新导管桨比原桨推力提高,在挖泥工况下(航速5节)净推力 提高达18%,达到预期设计目标。
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敞水实验 在上海交通大学拖曳水池进行了敞水实验,得到推力系数和扭矩系数以及效率随螺 距比P/D和进速系数J的关系曲线,并形成图谱。比较了19A和HR两种导管的效率, 如图1所示,在进速系数J为O.12一O.25时,HR导管比19A导管的效率高4%-6%。 ::
量所需要消耗的燃油减少,竹能增效的效粜明显。
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第十九届世凯,张伟明,倪建锋,荫驻芳磁荭13500m3裙级岔泷锯亡彪搠:中国造船【J】,2008.49:
陈泽梁等,JDC4—55.可堀鲲题壤旋察莠.夕彰海洋工程【J】,1993.n(4):PP.13~22.
(h)
H份
口期
(days)
航淡
产量 (能溲上方晕)
(m’)
堆方土的 总油耗
(kg/m’)
(k曲)
改造前 改造后
229
67918
(kg)l(kg)
294500
由表中易知。改造提高了同等T作时问总的十方姑产帚,改造效粜也可通过比较单
方土的油耗成本来表示.改造后的单厅十总油耗比改造前减少约44%,即生产单位上打
第+九届世鼻琉菠大会论立复
导管连接处理
本船的尾部比较瘦削,轴支架平¨舵之M的空『lIj不人,因此导管0船体连接部分经过 考虑采用类似轴支架的形式。为了考虑窄问的位州和T涉,建书r=维的几何模型,如 F图4所示。
固4尾部导管连接结构3D模型
有限元模型
为计算方便,采用截断系统配合适当的边界条件,在MSC Paten叶1矬一导管连接
箱体榄型,网格划分及坐标系如图5所不。
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鬟≯


图5连接结构和船体结构及网格划分
当5节航速时该船新导管浆的雅力应为264 52kN,导管收到的推力作月]通常为螺旋 桨的部分,最大为总推山的40%。枉设训考虑时很难考虑螺旋浆激振山的动力影响,
根据CCS规范通常_LIj静力分析柬考虑强度…,战将所有推力均什用在导管l:,校梭此时
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WORLD DREDGING CONGRESS第十九叠t界置凌丈舍论文集
籁体的连接强度。
图6应力云图
计算结果如罔6.培大综合应力70 3MPa,发生在箱体+拍*壳板连接处。
改造结果 新导管可调桨利关幽纸送审CCS。并获得认可,制作成产品,井于2009年4月完
成现场安装(圈7)。
囤7新导瞥可调桨的安装状况
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EC一53
耙吸挖泥船推进系统改造设计程序及相关问题研究
余龙1陈新权2金华3张戟4 摘要:随着中国经济的发展,国内疏浚工程需求旺盛,疏浚企业在不断购置新船的同时, 也在通过内部挖潜,进行旧船的改造,达到节能增效的目的。本次中港疏浚股份有限公 司委托上海交通大学对一艘使用多年的4500m3耙吸船推进系统进行改造设计,在保持原 有轴系、可调桨液压调距机构和桨毂不变的前提下,重新配上螺旋桨桨叶、增设导管。 我们采用了交大的JDC4—55可调螺距螺旋桨配合高效导管作为最终的改造设计,并编制 了相应的设计程序,对导管的连接形式进行了分析,用有限元分析软件进行了三维建模, 对其强度进行了校核。改造后该船在长江口运行5个月以来的数据表明:改造后,该船 施工状况有明显的改善,航速提升,单位油耗相当的情况下单位产量增加,节能效果明 显,改造是成功的。 关键词:导管可调桨耙吸挖泥船节能增效
主机实船测试
螺旋桨正式设计之前必须知道改造船的主机状态,中港疏浚股份有限公司、上海交
通大学推进系统改造项目组等于2008年6月24日在河北黄骅港区施工的“航浚4009”
船上进行了实船主机轴功率的测试。从表3中的实船测试数据可知:本船主机能达到的 最大转速为500转/分,最大功率为238 1.4kW。 表3航速和主机功率、转速的测试结果
旋桨的效率,在螺旋桨载荷较重的船舶上(如拖轮)应用较为广泛,尤其是近年来在耙
吸挖泥船上使用已渐成趋势【11。可调螺距螺旋桨能帮助船舶在任何工况下吸收主机全部 功率,因此对该船的推进系统改造考虑采用导管可调桨取代原有可调桨,集合导管桨和
可调螺距螺旋桨的优点,但其设计难度大,尤其在旧船改造中的使用需要仔细考虑。 更换轴系和主机的时间投资大,改造周期长,因此本次改造基于原主机、轴系和调 距机构不变。船舶主尺度和推进系统相关资料分别如下表1和2所示。
表1
总长(m) 垂线间长(m) 船宽(m) 型深(m) 吃水(m)
“航浚4009’’耙吸式挖泥船的主要要素
LoA Lpp B D d 129.17 120.00 18.40 9.20
5(压载)
6.80(挖泥)
l、 2、 3、 4、
余龙,讲师,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200240 陈新权,助理研究员,上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200240 金华,副总经理,中港疏浚股份有限公司,上海,200120 张戟,副总:亡程师,中港疏浚股份有限公司,上海,200120
KQ
P/D KT
查图谱 查图谱
n0
0.807 0.345 0.000 0.335
敞水效率=Kt*J/Kq/2Pi 毂径比修正Ktl----0.97Ktl 效率=效率,.c0.97 推力减额t
T=Ktl枣Ro书n2木D4(1一t)
rf0
0.000 O.040
kN
344.561
303
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.—————一]
1输入有效马力曲线和船体I
阻力曲线
求则 直径
达到
图3新导管桨设计流程
最终的计算结果如下表4。
航速V
Va=V(1一w1 Ve=O.5144V(1一W)
J=Ve/nD knot knot m/s 0.000 0.000 0.000 0.000 0.02804 3.000 2.550 1.312 0.122 O.02804 O.819 0.299 0.206 0.290 0.200 0.065 290.224 5.000 4.250 2.186 0.203 0.02804 0.837 0.271 O.312 0.263 0.303 0.082 258.624 9.000 7.650 3.935 0.365 O.02804 0.900 0.222 0.461 0.216 0.447 0.116 204.196 11.000 9.350 4.810 O.447 0.02804 0.946 0.201 0.508 0.195 0.493 0.133 180.808 13.000 11.050 5.684 0.528 O.02804 1.00l 0.181 0.542 0.176 0.526 0.150 159.880