5万吨半潜船机浆配合不合理解决方案探讨张专

5万吨半潜船机浆配合不合理解决方案探讨张专

张专

招商局重工（深圳）有限公司广东深圳

摘要：本文介绍了5万吨半潜工程船在试航时，因机浆配合不合理而导致试航航速低于设计值的分析与解决技术方案探讨。

关键词：半潜船；航速；电机转速；变频器；电力推进器；定距浆；螺旋浆

1前言

1.1船舶简介

5万吨半潜工程船是一艘钢质、全电焊、短首楼、方型尾部、宽敞作业甲板、三岛式船型，是国内建筑的一型高技术、高附加值的DP-2动力定位自航特种海洋工程半潜船。

1.2本船特点

该船总长221.6米，型宽42米，型深13.3米，设计吃上10.15米，下潜吃上26.8米，设计航速为满载10.15米吃水下的试航速度不小于14KN。

因该船型当时在亚洲属首例建造，且为远洋船舶，故船东对该船的航速要求非常严格，故在设计中本船采用四台7200KVA/50HZ的主发电机给主电站提供6600V中压电源，然后通过两台6750KVA（6600/2x1780V）的12脉冲移相变压器分别供电给相应的变频器，通过变频器的变频调速来控制两台5500KW电推马达去驱动两个定距螺旋桨来推动船舶航行。

本船除配备主推外，还配备了1台2000KW的艏侧推、2台2000KW伸缩推、2台2000KW的艉侧推等电力推进器来辅助并满足船舶的DP-2定位功能。

2解决关键问题

2.1问题简述

本船试航时使用驾控台的主推操作杆，将主推的输出功率调至最大后，船舶的速度最大时为13.6节，一直无法达到设计时的试航速度14KN；这个问题的出现，引起了我们所有试航及调试人员的高度重视，一旦航速上不去，将会增加船务公司的运营成本，也会影响我司在海工行业的形象和声誉因此我们组织了一个技术研讨专题会议，分析该问题产生的原因及如何去处理修正。

2.2技术方案论证

首先，船舶速度性能是船舶的重要技术指标，它包括以下四个方面：

2.2.1交船速度即试航速度，它是船舶建造后在航行调试试验中得出的速度。

2.2.2技术速度即静水速度，它一般是测定满载、空载两种技术速度后记入船舶证书当中，技术速度是确定速度定额的重要依据。

2.2.3平均营运速度即为统计速度，它反映的是船舶在实际的营运过程中的实际周转速度。

本船需要解决的是试航速度满足不了要求的问题，而试航速度的影响因素包括船舶线性、水流、天气、水深、推进器性能等。因此，针对该航速满足不了要求的论证方向我们选择在了推进器相关的方面。

其次，在理想状态下，航速就约等于螺旋浆的螺距x转速（不考虑相关的系数），从图（一）可以看出，定距浆船舶的试航速度是与转速成正比，而本船配备的是定螺距的螺旋浆，故试航速度的提升就完全落在了对推进器电机转速的改变上。

图（二）为过重、正常、过轻螺旋桨与推进器的配合曲线图，图中曲线Ⅱ为螺旋桨配置过重的特性曲线，曲线Ⅲ为螺旋桨配置过轻状的特性曲线，而曲线Ⅰ为螺旋浆配置合理的特性曲线；横轴n为转速，纵轴为推进器输出，从图（二）可以看出在合理的螺旋浆情况下，推进器在额定状态下进行工作，曲线Ⅰ对应的额定点c即为推进器在额定输出功率与额定转速的工况下工作，在此额定转速下，船舶的航速将会达到试航速度14kn；如果所配的螺旋浆过重（看曲线Ⅱ），则在推进器功率到达额定的时候，曲线Ⅱ与NeH额定输出功率的交点d，对应的推进器的转速n1，它是小于额定转速nN的；如果所配的螺旋浆过轻（看曲线Ⅲ），则在推进器功率到达额定的时候，曲线Ⅲ与NeH额定输出功率的交点b，对应的推进器的转速n2是大于额定转速nN的。

综上所述，本船在推进器达到额定转速nN时，试航速度低于设计的速度，因此可以判断为，本船配的螺旋桨略轻，根据曲线Ⅲ上的a点可知，推进器在额定转速时，此时的推进器输出功率在N1，它是小于额定输出NeH，所以，如果需要提升试航速度，则需要提高推进器电机的转速到图（二）中的n2值，此时曲线Ⅲ对应的点b即在推进器输出功率NeH。

综合本船推进器使用的的类型是变频调速电机，故电机的转速是随频率高低而改变的。

n=60f/p（1-s）………………………………………（1）

f：交流电频率，p：电极对数，s：转差率，按公式（1）来看可以通过改变电网频率来改变电机的转速，从而提高船舶的试航速度。而本项目使用的是GE生产的MV7000型变频器，它能将由12脉冲的移相变压器提供的50HZ交流电转化成直流电，然后根据推进器电机的需求将直流电再次转换成要求频率的交流电，以达到改变推进器所需电源的频率，从而控制推进器的转速。变频器的基本主回路工作原理图见图（三）。

从公式（1）我们可以看出，推进器电机的转速是与电网频率、电机极对数和转差率有关，而推进器电机的极对数是定值，转差率在一定情况下可以假设为不变量，因此，要想改变推进器的转速就必须改变变频器的输出额定频率。

3解决执行过程

通过上面的分析我们得出，要提高试航速度，就需提高电机转速，而要转速增加，就必须通过变频器提高其输出的频率值。最终与厂家服务工程师沟通后，打开变频器PLC程序的控制权限，更改程序并重新设定变频器的内部参数来更改变频器在额定工况时的电源输出频率值，使得推进器在额定工况时的电机转速提高，从而试航速度也相应的提高。

4处理后的技术指标

通过对变频器的相关参数的更改后，最终的测试结果显示，推进器马达的转矩没有变化，推进器电机的转速也从原来的750rpm提高到755rpm，推进器的输出功率也相应的提高了，船舶监测到试航速度到达了14.1节，这个试航速度已经满足了合同中要求的试航速度不小于14节的要求。通过公式（2）：

P=Txn/9550……………………………………………（2）

式中P是额定功率（KW）、n是额定转速（rpm）、T是转矩（N.m）

从公式（2）也验证了在保持转矩不变和提高转速的同时，功率得到相应的提高。

最终的技术指标显示，电机和推进器均运行在正常工作状态下，船舶的试航速度得到了有效提高，这个结果也满足了我们的需求。

结束语

通过这次对方案的分析探讨，为我厂对电推船的航速不满足要求积累了宝贵的经验，也为后续船的航速修正提供了好的解决思路。在以后的设计建造过程中，我们将使用该思路对后续出现的螺旋桨轻或重引起的航速问题进行相应的修正，也为我们在基本设计与详细设计中对变频器、推进器、螺旋桨的选型奠定了基础。

参考文献：

[1]MV7000UserManualGE公司；变频器操作与维修使用手册；2009

[2]变频器应用-专门技能与入门精通王兆义；机械工业出版社；2010

[3]电机学戴文进、徐龙权、张景明；清华大学出版社；2008