雙速比齒輪箱在自航耙吸式挖泥船上的應用

桑 勇,華小云,張 春

(長江航道工程局有限責任公司,武漢430000)

疏浚工程廣泛應用于港口、航道、水利設施建設,疏浚船舶作為疏浚作業主要承載物,在疏浚工程中扮演著極為重要的角色[1]。其中耙吸式挖泥船憑借其機動性高、適用范圍廣等優點得到了廣泛的應用[2]。耙吸式挖泥船作為多工況工程船舶,其推進性能需同時滿足挖泥作業和自由航行兩種工況下的高效性與穩定性[3]。隨著市場經濟和水運疏浚行業不斷發展,疏浚設備不斷更新,綠色疏浚的環保意識逐漸增強、疏浚管理水平不斷提高[4-6],疏浚工程定額不斷完善[7],疏浚成本控制成為重要利潤增長點,降低疏浚船舶成本成為重要的研究方向[8],推進工程船舶施工效率為人們所重視。

目前,耙吸挖泥船的螺旋槳驅動方式主要有三種：一是直接驅動,即泥泵和螺旋槳都由獨立的柴油機直接驅動;二是復合驅動,常見的有“一拖二”或“一拖三”,即主機一端驅動螺旋槳,另一端驅動軸帶發電機或艙內泥泵;三是電機驅動,即由主發電機組發電,通過船舶電站控制變頻電機驅動螺旋槳。為了滿足耙吸挖泥船各種工況的需求,不同驅動方式會采取相應的解決方式。在直接驅動的耙吸挖泥船中,由于柴油機只驅動螺旋槳,船舶可以通過降低主機轉速來降低主機輸出功率,使主機保持在額定工作范圍內[9],但是隨著船舶自動化程度的不斷提升,直接驅動在挖泥船的應用越來越少。在復合驅動的耙吸式挖泥船中,為滿足船上電網的頻率穩定,主柴油機須維持額定的轉速,因此采用復合驅動的耙吸式挖泥船通常會配備調距槳來實現不同工況下的航速要求,由于其結構簡單,功能齊全而被廣泛應用,但是復合驅動的船舶通常以自由航行工況來設計螺旋槳,同時兼顧挖泥作業工況,只通過調節槳角來降低航速,會導致在挖泥作業時螺旋槳效率偏低,推進功率浪費嚴重。在電機驅動的耙吸式挖泥船中,船舶電站可以根據不同工況通過電機調節螺旋槳轉速。由于該種方式初期投資成本較高,目前只有少數耙吸式挖泥船在應用。長鯨9輪的解決方案是在復合驅動方式的基礎上增加了雙速比齒輪箱,作為國內首艘應用“雙速齒輪箱+可調槳”方案的耙吸式挖泥船,設計理念主要是在自由航行、作業工況下通過螺旋槳在兩個不同轉速下匹配到相近的槳葉螺距比,確保螺旋槳在兩個工況下都能達到較高的推進效率。

船用雙速比齒輪箱是一種能夠使航行工況差別較大的船舶可以充分利用主機功率的傳動裝置[10],目前已經在拖輪、漁船等船舶上得到了廣泛應用。臧瑞斌等[11]將雙速比齒輪箱應用與高原高速艇中,解決了高原高速艇低速起滑難的問題。顧宣炎[12]將雙速比齒輪箱應用于沖砂船,選用不同的工況點進行最佳匹配計算,并通過簡要分析比較,得出最優的減速比方案。

綜上所述,目前在耙吸挖泥船上應用雙速比齒輪箱的案例較少,同時缺乏相應的應用研究,本文以長鯨9輪為研究對象,在詳細分析該船各作業工況的基礎上進行動力優化,為雙速比齒輪箱選取合適的減速比,并結合實船運行及作業情況進行驗證。

1 船舶概況

長鯨9輪為鋼質焊接、球鼻艏、雙尾鰭線型、雙導管螺旋槳、雙耙、雙水下泵及艙內泵、泥艙艙容為13 800 m3的自航耙吸式挖泥船。配備了兩臺單臺功率9 120 kW的主機,主尺度為船長150 m、型寬29.2 m,型深11.0 m,挖泥吃水9.6 m,航速15.87 kn,最大挖深38 m,適用于長江下游和長江口深水航道的維護疏浚,兼顧中國沿海港口的維護疏浚及吹填工程。

2 論證分析

由于不同的船舶配置的主機不同,作業時工況不同,對應的所需航速也不同,齒輪箱減速比的選取也各不相同,因此要根據目標船舶的具體工作情況,在各工況下對應所需求的航速和船舶配備的主機等特定條件為齒輪箱選取合適的減速比[3]。對于耙吸式挖泥船,應用雙速比齒輪箱可以使其在挖泥作業時獲得所需的較低航速,在自由航行時達到所需的較高航速,有利于提高螺旋槳的推進效率,達到節能減排的效果。

2.1 雙速比齒輪箱工作原理及選型

雙速比齒輪箱是一種簡單、可靠的傳動裝置,配置方式如圖1所示,其具有換擋變速功能,即在主機轉速一定時可配置不同減速比i1、i2以供選擇,從而獲得不同的螺旋槳轉速,即

圖1 雙速比齒輪箱推進系統Fig.1 Two-speed ratio gearbox propulsion system

nP1=nH/i1
nP2=nH/i2

(1)

式中：nH為主機額定轉速;i1為挖泥船自由航行工況下的減速比,此時對應的螺旋槳轉速nP1;i2為挖泥船挖泥工況下的減速比,此時對應的螺旋槳轉速為nP2。

根據長鯨9輪在長江口、長江內、沿海的施工工況的需求,主機廠家配備了雙速比齒輪箱。如圖2所示,在自由航行時離合器K2斷開,離合器K1接通,調節可調槳與高速模式配套的螺距比,實現高速擋工作模式;在挖泥作業時離合器K1斷開,離合器K2接通,調節可調槳與低速模式配套的螺距比,實現低速擋工作模式。根據船舶工況及雙速比齒輪箱的結構,選取高速擋下螺旋槳輸出轉速為125 rad/s,低速擋下螺旋槳輸出轉速為103 rad/s。

2-a 高速擋 2-b 低速擋圖2 雙速比齒輪箱高速和低速模式示意圖Fig.2 High speed and low speed modes of two-speed ratio gearbox2.2 功率分析

雙速比推進齒輪箱的設計理念主要是考慮在自由航行、挖泥作業工況下通過螺旋槳在兩個不同轉速下匹配到相近的槳葉螺距比,確保螺旋槳在兩個工況下都能達到較高的推進效率。在國外已經成功應用該技術的耙吸式挖泥船案例中,同樣采用了“雙速比齒輪箱+可調槳”方案,螺旋槳設置了130 rad/s和105 rad/s兩擋轉速,按照常規設計思路,選用130 rad/s的單速比齒輪箱配備可調槳的方案作為對比。如表1所示,在6 kn挖泥航速時,單速比齒輪箱方案使得螺旋槳的轉速只能維持在130 rad/s,此時螺旋槳效率為41.28%,螺旋槳推進功率需2 594 kW;而采用雙速比齒輪箱后,螺旋槳效率為43.01%,螺旋槳所需的推進功率為2 406 kW,節約了188 kW。同樣在7 kn自由航行工況下,可以節約功率109 kW。

表1 耙吸式挖泥船不同工況下所需功率和螺旋槳轉速關系Tab.1 Power needed against rad/s of trailing suction dredger under different working conditions

耙吸式挖泥船在抽艙排岸或艏噴工況下,螺旋槳與主機不脫排,但以零螺距運轉。圖3為案例船舶使用單速比齒輪箱與雙速比齒輪箱時可調槳在零螺距工況下所吸收的功率和螺旋槳轉速的關系圖。由圖可知在螺旋槳轉速130 rad/s時,單速比齒輪箱螺旋槳零螺距吸收功率為449 kW;而采用雙速比齒輪箱后的螺旋槳以低速擋105 rad/s運轉時螺旋槳零螺距吸收功率為237 kW,兩者相差了212 kW。

圖3 可調槳零螺距時吸收功率與螺旋槳轉速關系Fig.3 Zero power needed against RPM of CPP

基于類似船型的情況和雙速比齒輪箱的結構,假設長鯨9輪齒輪箱高速擋效率為98%,低速擋效率為96%,齒輪箱設置了125 rad/s及103 rad/s兩種轉速,圖4為本船采用雙速比齒輪箱時模擬在長江口、長江內及沿海作業時的功率差值曲線圖(挖泥作業和自由航行)。由圖4可知在同一種施工環境下,不同作業方式下在滿足航速要求的同時,合理選擇齒輪箱擋位能有效節約螺旋槳的吸收功率,由表2和表4可知在長江口作業環境下,低水流挖泥、順流航行和開泥門拋泥等作業環節選用低速擋更有優勢;在長江內和沿海作業環境下,順流航行、挖泥裝艙和抽艙排岸等作業環節選用低速擋更有優勢,反之則選擇高速擋更有優勢。綜上所述,采用雙速比齒輪箱后耙吸式挖泥船在各施工環境下都能夠節省一定功率,使螺旋槳推進效率得到有效提升。

表2 典型工況參數Tab.2 Typical working condition parameters

4-a 長江口挖泥作業和自由航行 4-b 長江內挖泥作業和自由航行 4-c 沿海挖泥作業和自由航行圖4 不同施工環境螺旋槳功率圖Fig.4 Propeller power diagram in different construction environments

2.3 經濟性分析

長鯨9輪為一艘用于長江下游12.5 m深水航道維護疏浚的自航耙吸式挖泥船,其主要工作場景包括長江口施工、長江內施工及沿海施工3種工作環境。為方便對比,設置了如表2所示的工況邊界條件,結合該船設計情況,對每個工作環境的主要指標進行分析。

假設施工天數為10 d,單個挖泥周期內各工作環節所需時間和10 d內累計完成的挖泥次數如表3所示。采用雙速比齒輪箱后主機在各工作環節中所節省油耗可由下式計算得到

表3 不同施工環境挖泥時間Tab.3 Dredging time in different construction environments

Ge=P×Gw

(2)

式中：Ge為主機油耗率;P為主機功率;Gw為主機單位時間油耗。

假設燃油單價按0.5萬元/t計,則在整個施工周期內各施工環境下的節約情況如表4所示?？梢钥闯?采用雙速比齒輪箱后,在10 d的施工周期內,船舶在長江口高水流及低水流作業、長江內洪水季及枯水季作業、沿海正常水流及較慢水流作業過程中可分別節約3.629萬元、6.803萬元、10.968萬元、10.968萬元、6.773萬元、4.935萬元。

表4 經濟性分析Tab.4 Economic analysis

長鯨9輪于2020年1月完工交船,成功應用了雙速比齒輪箱,經核算雙速比齒輪箱的初期總投資約增加155萬元,取各施工環境下的節約費用的平均值每天約0.73萬元計算,長鯨9輪每年參與項目施工約10個月,預計1 a左右可以收回所增加的投資成本,經濟效益較好。

3 實船情況

長江口工地屬于感潮河口,河道流速高,流向規律明顯。在長江口維護疏浚時耙吸式挖泥船多采用裝艙溢流法挖泥裝艙以提高裝艙土方量,當疏浚滿艙后,駛往設定的拋泥區卸泥,一次處理完畢[13]。結合現場情況,長鯨9輪在長江口工地采用“挖(溢流)—運—拋”施工方案,在施工過程中采取了高低速擋切換組合使用和全天高速擋施工兩種方式。但是由于長江口施工區段調整頻繁,運距變化大,難以控制多重邊界條件,難以選取長期穩定的施工數據。因此選取了挖泥區段﹑運距﹑天氣情況﹑潮流情況較為接近的施工數據進行對比分析,通過表5可知,相同挖泥時間下,合理利用潮流采取高低速擋組合的施工方式節約燃油1.9 t,燃油節約率約3.74%。

表5 長江口施工情況Tab.5 Construction of Yangtze Estuary

長鯨9輪參與了連云港港30萬t級航道二期工程建設工作,參建期間該項目采用耙絞聯合施工方案,即由耙吸式挖泥船將挖泥裝艙后的疏浚土運輸到港池指定區域拋泥,再由絞吸式挖泥船將疏浚土轉吹上岸。該項目區段相對穩定,但是航道疏浚里程長,氣象條件復雜,僅設單一潮位站,潮位控制精度差,水流方向沒有明顯規律[14]。長鯨9輪在連云港港項目采用“挖—運—拋”施工方案,由于無法掌握準確的水流規律,難以及時準確地切換高低速擋,為了方便對比,長鯨9輪采取全天高速和全天低速2種施工方式進行數據采集,并選取了天氣情況和施工情況相對一致,往返拋泥區的運距也差不多時間段進行分析。如表6所示,在相同的區段且挖泥船數一致的情況下,高速擋2 d耗油101.5 t,低速擋2 d耗油99.7 t,合理利用低速擋節約燃油1.8 t,燃油節約率約1.77%。如果能準確掌握潮位數據和水流方向,理論上采用高低速組合施工的方式,節油效果將進一步提高。

表6 連云港港(沿海)施工情況Tab.6 Construction of Lianyungang Port (Coastal)

長鯨9輪出廠以后雖然有進入長江施工的記錄,由于來往船只繁多,船舶避讓頻繁,施工區段調整頻繁,暫時沒有找到可以分析的施工數據,結合長江口和沿海的實際施工數據和理論分析的結果,可以初步推測長江內施工的節能效果會更好。

另外,自航耙吸式挖泥船在“挖—運—拋”和“挖—運—吹”的施工周期內,航行時間會直接影響到生產效率[15],高速擋在沒有航速限制的情況下平均航速要高于低速擋,有利于縮短施工周期,提高施工效率。但是部分工地考慮到航行安全會對船舶實施限速管制,比如長江口明確要求施工船舶航速不得超過15 kn。因此,挖泥船在施工時應嚴格遵守施工工地對航速的相關要求,綜合考慮施工效率、節能效益,適時合理地使用高低速擋才是最佳選擇,不可一味追求節能而忽視生產效率,也不可一味追求生產效率而違反相關規定。

綜上所述,自航耙吸式挖泥船工況復雜,邊界條件多,理想的實船試驗條件苛刻,難以收集長期穩定的實船數據。然而從理論分析和現有實船試驗的結果可知,雙速比齒輪箱應用于耙吸式挖泥船能起到節能減排的效果,但是研究和應用過程中也發現,雙速齒輪箱和可調槳的組合方式雖然能滿足各種工況的需求,但是在實際應用中想達到最佳匹配效果比較困難,這也給實船數據采集分析帶來困難,因此后續需要持續跟蹤船舶施工情況,進而制定更好的施工方案,采集更有說服力的數據。雙速齒輪箱在耙吸式挖泥船上的應用也需要進一步積累實船試驗數據和經驗,總體來說,對于多種工況的耙吸式挖泥船,合理使用高低速擋能起到節能效果。

4 結論

(1)雙速齒輪箱的應用,可以使耙吸式挖泥船的螺旋槳在挖泥工況下及自由航行工況下獲得所需的轉速。當齒輪箱切換進入挖泥工況時,挖泥船可以在保持主機轉速不變的情況下降低螺旋槳轉速,既可以使主機在相對高轉速的情況下承受較低的扭矩提高其運行的可靠性,又可以降低功率損失,保障挖泥船的經濟性。

(2)采用雙速比齒輪箱后,無論是理論研究還是實船試驗,長鯨9輪在長江口、長江內及沿海施工各工況下都能夠節省一定功率,具有良好的節能減排效果。

(3)采用雙速比齒輪箱后,能夠為船舶的運營節省一筆可觀的費用,具有顯著的經濟效益。因此,對于存在多種工況的自航耙吸式挖泥船,采用雙速比齒輪箱是一個合理的方案。