不同航行条件下的主机操作

余本法

（舟山市定海区海洋与渔业局，浙江舟山 316000）

船舶在各种自然条件下（如风向、风力、深水、浅水等）和各种航行条件下（低速、中速、全速、顺车或倒车、加速与起航等）航行，环境条件对船舶主机运行性能的影响十分明显[1]。船长的操作水平是决定航行安全的最主要因素，特别是在特殊的自然条件（如大风浪）和航行条件下（如狭窄航道）时，操作不当会引发推进装置发生事故，严重时甚至会危及到船舶和人员生命的安全。因此我们必须了解在各种航行条件下主机运行工作的变化规律，来正确操纵主机，保障航行的安全。

1 外界自然条件因素

1.1 装载和水流的影响

在装载增加或者由沿海进入内河航行时，船舶吃水有所增加；在顶风、顶流中航行以及船体水线下寄生物增多等状况会一定程度的增大船体的阻力，水流对船舶的影响通常比风大得多，尤其是对于重载船舶而言[2]。随着船舶吃水增加和船体阻力的增大，螺旋桨的特性会相应地发生变化，导致螺旋桨的特性公式Ne=cn3中的常数c变大，使特性曲线变陡，见图1所示。

在正常情况下，主机和螺旋桨按曲线Ⅰ配合，额定工作点为1点（按满载净水全速航行时）。当由于上述原因使阻力增加时，主机油门开度不变（负荷不变），工作点移至点2，主机的转速降至n2，相应的功率为Ne2。如主机装有全制式调速器，使转速保持在nH，此时油门开度增大，工作点将移至1′点，主机将在超负荷情况下运转。所以应尽量避免使主机长时间在超负荷状态下运行，同时注意控制主机油门,根据螺旋桨特性的变化情况适当调节主机的速度特性，以减少主机燃油消耗,提高其使用寿命。

在装载量减少时（吃水减小，船体阻力减小）。螺旋桨特性曲线趋向平缓，常数c值减小，主机和螺旋桨按曲线Ⅲ配合工作。若主机油门开度仍保持在额定值，则工作点将移至3′处，主机转速增至n3，尽管柴油机仍在额定外特性线上工作及有超负荷，但转速却超过了额定转速，处于超速工况。此时应减小油门的开度，使主机工作于部分外特性曲线点3上，保证转速在不超过额定转速nH。

1.2 在暴风雨中航行

船舶在大风浪中航行不仅会给船舶操纵带来困难,也对船舶动力装置的安全运行带来威胁，因此，除船舶驾驶人员采取有效的操船措施减轻船舶摇摆外，还需轮机员了解风浪航行中主机的运行特点，不断提高运转管理水平和实际操作能力[2]。由于风力以及船体的纵倾和起伏作用，空气阻力和波浪阻力均随之而变化；为了保持正确的航线，舵经常偏转一定角度，另外船体在斜水流中航行,船体阻力比直线航行时也有所增加，上述因素促使螺旋桨特性曲线变陡。例如一艘主机额定功率4 410 kW的船舶，平时运行的功率为3 750～3 970 kW，相应的转速为105～108 r/min，主机保留了10%～15%的储备功率。在风力7级、浪高4～5 m的条件下，若油门开度仍保持在平时的刻度下，转速将降到92～95 r/min，相应的功率为3 270～3 490 kW，如图2所示。推力P和航速V为坐标，表示出风力对推力的影响，图2所示h=常数线为主机额定外特性曲线。由图2可知，在静水中航行时为100%，而在9级风况，喷油量不变的情况下（即h=常数时），航速只能达到正常航速的60%～65%，这也说明，船舶在暴风雨天气中航行，船速必然会有所下降，不可能保持原定的航速。

1.3 航道水深的影响

目前国际上关于深水航道和浅水航道的界定多倾向于利用水深对船体阻力试验获得的结论，即认为:当水深吃水比h/T≤4时界定为浅水航道；反之界定为深水航道。根据试验，船舶在深水中航行的阻力与V2成正比[2]，而在浅水中航行阻力的变化规律较为复杂，一般特点是:

图1 各种航行条件下螺旋桨特性与外特性的配合Fig.1 Adapting of propeller characteristic and external characteristic on different navigation conditions

图2 各种风力下船速与推力的关系Fig.2 Relationship of ship's speed and thrust on various wind-forces

图3 浅水阻力曲线Fig.3 Resistance curve of ship in shallow water

民用船舶的航速一般很难达到第3种情况，因此主要讨论第2种情况，船舶由深水航道驶入浅水航道时主机运行状态的变化情况。船舶在浅水航道航行时，其阻力将增加，航道越浅阻力增加越大，并且会产生后倾现象。

浅水对阻力的影响还与船舶的航速有关。图3中曲线1为深水时的阻力曲线，曲线2为浅水时的阻力曲线，航速较低时，浅水对船舶阻力没有明显的影响；当航速增大时，浅水阻力将相比增加2～3倍；当航速进一步增到一定程度时，浅水阻力反而减小，但是一般的民用船舶达不到这么高的航速，故在浅水航道航行时，阻力一般都会增大，同时产生船体的下沉和后倾现象。

狭窄水道对船舶阻力的影响与浅水基本相同。当航道宽度小于20倍船体宽度时，则航行阻力增加，当航道宽度等于10倍船体宽度时，则航行阻力增加10%左右[4]，如果遇到窄且浅的航道(通常航道窄时1般也是浅水)，两个因素同时起作用，就更明显了，因此在窄航道中航行时，一定要注意适当降低船速(即降低主机转速)，防止主机超负荷工作。

船舶在狭窄水道航行其阻力与航速的变化关系曲线也与浅水中相类似，但阻力增加的程度相对较大。例如一艘主机额定功率为735 kW的船舶，在水深30 m以上的航道中航行，航速为9.0 m/s，而在水深5 m的浅水航道中航行时，由于阻力增加，航速只有6.5 m/s左右，如要保持原来的航速（9.0 m/s），需要主机发出950 kW左右的功率才能达到要求，从而造成主机超负荷运转。

在狭窄水道航行时，要正确理解和采用适合该狭水道和当时环境、气象、潮流、水深、来往船舶要求的“安全航速”，并保持主机随时可操纵状态。不应片面理解为船速越慢就越安全。同时注意防止浅水效应和船吸现象，避免在转弯段、狭窄段、浅水段上追越或被他船追越；注意在应用海图上标定航线，注明航向，标示适当的等深线、危险区和转向点[5]。

1.4 环境温度对主机运行性能的影响

影响船舶主机运行性能的环境温度包括机舱温度和冷却水温度[6]。一般情况下，舷外空气温度比海水温度高出1～3℃。采用常规通风系统时，柴油机燃烧用空气直接来自机舱，机舱温度通常比舷外环境温度高10.0～12.5℃，在冬天温差还要大些。相对而言，船舶的每个航程中海面温度变化比较小，增压空气冷却水进口温度通常比舷外水温高4℃[1]。对于管道式通风系统，涡轮增压器压气机吸气温度主要受外界大气温度的影响，而不是受机舱温度的影响。大气温度的变化将影响到船舶主柴油机的耗油率、排气量和排气温度，扫气压力、压缩压力和爆炸压力也会受到影响。大气温度高，柴油机进气密度小，进气量减少，在相同喷油量下将导致燃烧质量下降，排气温度升高，排气冒黑烟，柴油机耗油率也因而上升。相反地，当大气温度降低时，柴油机进气密度过高,进气量过多，会导致扫气压力、压缩压力和爆炸压力太高，使柴油机承受过大的机械负荷[1]。

2 主观因素影响

2.1 船舶起航

船舶由原地开动时，由于航速为零，进程比λp=Vp/nsD=0，螺旋桨的特性曲线较正常航行时为陡。

螺旋桨的进程比λp是螺旋桨运动时的一个状态参数。螺旋桨与螺纹相同，每旋转1转，前进1个螺距H。由于螺旋桨在水中旋转时有滑失，故前进的距离不是螺距H，而是hp，也就是螺旋桨进程，其差值H-hp，称为滑脱。

以单位时间来表示，以ns表示螺旋桨的转速（m/s）则单位时间内螺旋桨任一剖面上前进的路程为 λp=Vp·n（sm/s），进程比λp是螺旋桨的进程hp与其直径D之比，即λp=hp/D=Vp=np/D。

由原地起航时，船舶开始航速为零，hp=0,故Vp=0,λp=0。

从图4可以看出λp=a(正常情况)和λp=0时，螺旋桨特性曲线与柴油机外特性曲线的配合。

图4 船舶起航时螺旋桨特性与外特性的配合Ⅰ-额定外特性 Ⅱ-部分外特性01-等转矩限制外特性Fig.4 Adapting of propeller characteristic and external characteristic when ship set sail

在船舶起航时若起航转速为na，由于这时螺旋桨按λp=0的曲线工作。故只有将加油手柄推到额定外特性曲线Ⅰ的油门开度才能使主机转速na，此时汽缸虽没有超负荷，但负荷加载过快，负荷从零很快升到额定值，主机的转矩也超过了等转矩限制外特性01，因而是不允许的。由图4知λp时的螺旋桨特性曲线与等转矩限制外特性曲线01交于点b。为了保证主机的扭矩M在允许范围内，起航时的转速应不大于nb，若驾驶台要求起航时航速要高，正确的方法应该是推动加油手柄，使主机的启动转速小于nb，等航速增大后再逐渐增加油门，提高航速。

船舶在修理完毕后，要在码头上进行系泊试验，这时主机的工况与起航时有相似之处，螺旋桨的特性曲线是1条λp=0的曲线也叫螺旋桨系泊特性曲线，为了保证主机不超负荷，在系泊试验时的转速不应大于nb。若没有螺旋桨的系泊特性曲线，则可取nb=0.8～0.85的额定转速，作为试验时的最高转速，此时应该注意各缸的排气温度，不能超过全负荷时的排温。

2.2 机动操作

在机动操作时（如进出港口，狭窄水道航行），由于柴油机的工作状态变化频繁，故应特别重视正确的操作。首先，要保证柴油机具有良好的启动性能，空气瓶内储满压缩空气，对燃用重油的柴油机要改用轻柴油；注意冷却水和润滑油温度的调节，使之不要太低以免影响柴油机的工作性能；在完毕后，中、大型柴油机不要立即关闭主机的滑油泵和淡水泵，以便将汽缸和活塞中的热量带走，避免汽缸和活塞由于突然中止冷却而破裂，并避免汽缸壁上的滑油结焦；对中、小型柴油机带有离合器装置的，可脱开离合器，使柴油机空转，待水温，油温下降后再停车。在过度到正常航行的加速过程中，不要使柴油机突然加速，以免发生超负荷运转。

2.3 船舶加速过程

船舶驶离港口后，需加大油门，使主机转速增加以达到全速航行。此时若操作不当，也会使主机超负荷。船舶加速过程中主机工作点的变化规律可用图5说明。

船舶在较低航速下稳定航行时，主机按部分外特性曲线Ⅰ工作，螺旋桨的特性曲线为图中a曲线。当驾驶台命令加速至全速前进时，如果立即将加油手柄推到额定外特性时的油门开度，主机的工作曲线就由Ⅰ转到额定外特性Ⅱ。在加速开始阶段，由于航速还没有增加，而主机转速却由于主机功率的增大而速度提高，ns变大，Vp不变。进程比Vp=Vp/nsD减小，螺旋桨的特性曲线变陡。由a曲线变为b曲线，主机的工作点由点1瞬时转变为点2′。此后随着航速的增加，进程逐渐增大。螺旋桨的特性曲线又由b曲线向a曲线过度，转速逐渐增加，工作点沿着曲线由点2′缓慢地向点2移动，到点2就达到新的平衡，转速达到了额定转速nH，这个变化过程与船只的大小，装载量的多少有关。在船舶加速过程中，若油门增加较快，则主机的转速和功率沿着1-2′-2线变化。1-2′-2线大部分都在额定的等转矩线MeH之上，即主机在曲轴超负荷情况下运转。

对于装有全制式调速器的主机，油门开度的大小是调速器来控制的。若很快将转速提高到nH，此时主机的工作点由1转变到3，处于超负荷工况下工作，更是不允许的。

为避免主机超负荷运转，应缓慢加大油门（或转速），慢慢增加主机的转速，使转速与船舶航速成正比的增大，这样，在加速工程中，功率基本沿着1-2线变化，避免主机超负荷运转。

2.4 主机的换向和船舶的倒航

船舶在港内航行，离靠码头或者遇到碰撞的紧急状况时，常需改变主机的回转方向，使高速前进的船舶迅速停止下来，改为倒航。为保证船舶航行的安全，轮机人员在接到驾驶台的倒车命令后，在避免主机超负荷的前提下，尽快地使主机反向运转，这就要求轮机人员必须了解换向和倒航时螺旋桨的转矩随转速变化的规律。

图5 船舶加速工况Fig.5 Accelerating condition of ship

图6所示为主机换向时螺旋桨的倒转特性曲线。图中横坐标为转速百分数，纵坐标为螺旋桨转矩百分数。图中虚线A为船在全速前进时由船模试验画出的螺旋桨倒转特性曲线，实线B是已考虑螺旋桨被制动和倒转时航速降低前提下的实际螺旋桨倒转特性曲线，直线C是用M-n坐标表示的主机等转矩限制外特性曲线。

现分析船舶由全速前进变为倒车的情况，开始时主机和螺旋桨配合于工作点a(额定转速和额定转矩)，在接到驾驶台命令后，停止向主机供油，主机转矩迅速下降，当转速下降到60%～70%nH时，主机的转矩为零（点b）。

点b以后，螺旋桨被水流冲击，仍按正转方向转动(因船仍全速前进)，并且象水涡轮一样的工作，发出负的转矩，阻止船舶前进，因而转速逐渐下降。当螺旋桨转速为30%～40%nH时，负转矩下降与主机运动机件的摩擦阻力相同，螺旋桨停止自由转动（点d），b-c-d为螺旋桨倒转时的第二阶段，即相当于水涡轮工作阶段。

点d处螺旋桨停止转动，主机可以进行换向、倒车起动（主机的起动力矩必须大于螺旋桨给予主机的负转矩）。此后，主机带动螺旋桨倒转运动，产生负的推力，对船起制动作用。由于此时船舶仍在前进，所以当倒车转速达到40%～60%nH时，主机轴系已达到额定转矩值McH。

图中曲线B是考虑了在螺旋桨的作用下船速逐渐降低的实际特性曲线。当船舶以半速或微速前进开倒车时，螺旋桨倒转特性的变化规律和全速开倒车时相似，只是负转矩的绝对值相对减少。

按照上述分析，如果待螺旋桨自动停止回转后，主机再开倒车，主机虽不会超负荷，但对现代大吨位海船，从主机停止供油到螺旋桨停止回转需几分钟。在此期间船舶由于惯性而滑行的距离一般可达船长的5～8倍，这么大的滑行距离，对港内航行，特别是在避碰的紧急状况下是危险的。为了保证船舶的安全航行，就应设法减小螺旋桨自由回转的时间（即图中的b-c-d阶段），尽快开出倒车，阻止船舶前进，常用的方法是压缩空气制动。

比较图中的曲线B与C，螺旋桨在b＇-c＇-d＇阶段产生的负转矩小于主机额定转矩McH，主机如果在此阶段开出倒车，用主机的转矩对螺旋桨起制动作用，使之很快地停止回转，轴系是不会超负荷的，但是实际上用压缩空气的压力所产生的制动力矩可能不足以超过螺旋桨在点c＇产生的负转矩，不能一次使螺旋桨转速降到零，即一次制动不能成功，必须再等一下，待船舶航速降低后，再用压缩空气做第二次强迫制动。此时，重要的是制动时机的选择，若制动过早，柴油机正转转速太高，一次制动不成功，不得不进行二次制动，反而延长了倒车开出的时间。若制动过晚，一次制动可以成功，但等待主机转速下降的时间太久，也使开出倒车时间延长。一般应在主机的转速降到额定转速的30%～40%时进行制动。由于各种机型的操纵机构不同，最佳制动时机也不同，需要轮机人员根据不同的机型摸索经验，总结规律。

当用压缩空气制动时，由于主机仍在正转，而起动空气是按倒车定时进入汽缸，大量高压起动空气在汽缸内被压缩产生制动作用。有时汽缸内的压缩压力超过正常工作时的最高燃烧压力，进而顶开汽缸盖上的安全阀。

用压缩空气制动的过程是当船在全速前进中接到开倒车的命令后，立即将加油手柄拉到停车(停油)位置；当螺旋桨转速降到60%～70%时，将操纵手柄移到倒车位置；待操纵机构换向完毕，即可倒车启动（此时主机仍在正转），强迫主机停止回转。若一次制动不成功，则再作第二次制动。当主机倒转后，推上加油手柄，使主机倒车运转。由于此时船舶仍在前进，倒车转速不能超过40%～60%,等船舶停止前进，开始倒退时才能再次加速。

装有倒顺离合器而主机本身不能反转的中小型船舶，由全速前进改为急倒时，首先脱开离合器，同时主机降速，一般要降到60%nH后，接上倒车离合器。否则会由于摩擦片因结合速度过高，易于打滑或发热烧损，主机也会因开始倒车转速过高而严重超负荷。

图6 螺旋桨与主机转矩外特性Fig.6 Torque external characteristic of propeller and main engine

在紧急避碰的情况下，有时轮机人员会遇到驾驶台命令从“前进三”转为“后退三”的情况，驾驶员的本意好似请轮机人员尽快开出倒车，使船舶停下来，并不是让船马上以“后退三”的速度倒航。此时，轮机人员应立即停车，并用压缩空气制动，尽早开出倒车，使主机倒车运转。根据操作的程序，一般只先开“后退一”，而后逐步加速，切不可盲目将加油手柄一下子推至“后退三”的位置，致使柴油机及轴系严重过负，引起重大机损事故的发生。

船舶在倒航时，由于船体阻力较正航时为大，所以倒航时的螺旋桨特性曲线较正航时的为陡，如不了解情况，在操作时就可能使主机超负荷运转。

如图7所示给出的正航（曲线1）与倒航（曲线2）时的螺旋桨特性曲线与柴油机额定外特性曲线的配合。由图可见，在正车额定工况下，主机的转速为nH，当船舶倒航时，喷油泵柱塞有效行程与正车额定工况时一样，主机的转速只能达到n1,但主机的转矩已超过额定值，即在轴系超负荷情况下运转。为了保证倒航时主机的转矩不超过允许值，必须使倒车的最大转速不超过n2。n2是对应倒航螺旋桨特性曲线与等转矩特性曲线交点的转速。通常n2为额定转速的70%～80%,每条船舶的最大倒航转速由轮机人员根据主机的排温在上述范围内选定。

2.5 船舶转弯时主机操作

船舶转弯时，舵要偏斜一个角度，船体在斜水流中前进，阻力要比直线航行时有所增加。在相同的螺旋桨转速下，船舶前进速度降低，进程减小。此时，要求螺旋桨产生较大的推力以克服前进的阻力，主机的转矩也相应增加。当船舶在全速航行时转弯，由于全制式调速器的控制使转速保持不变，导致油门开度增大，柴油机超负荷运转。对无全制式调速器的主机，加油手柄固定不动，船舶转弯时，主机转速自动下降，改为直航后，转速恢复正常，这是由于转弯时的阻力增加的缘故。

当船舶采用双桨时，一般右舷为右舷浆。当双桨船转弯时，2个螺旋桨在斜流中工作，并且处于不同的水流速度下，此时，2个螺旋桨产生的推力的综合虽然与船舶阻力相等，但两浆之间的负荷分配时不同，靠近转弯中心的内浆的负荷相对更大一些。

如图8所示，双桨船转弯时螺旋桨特性的变化。图中曲线A为直航时正常的螺旋桨特性，B为在某一舵角下转弯时外浆的螺旋桨特性；C为内浆的螺旋桨特性。1为主机额定外特性，2为部分外特性。当船舶定速直航时，主机的加油手柄是固定不变的，假定工作点a(对两个浆都一样)，当船以某一个舵角转弯时，外浆的负荷略有增加（曲线B稍陡于A），外浆主机的工作点移至b,而内浆的负荷大大增加，内浆主机的工作点移至c。当转弯后有改为直航是，2个浆的特性曲线由回复到A点。若主机在转弯之前工作于部分外特性的点转弯时外浆和内浆主机的工作点则分别移至＇。

装有全制式调速器的主机，在转弯前应适当降低主机的转速，一般控制在主机转速n主机=85%～90%额定[4]，以免超负荷。

图7 船舶倒航时螺旋桨特性与柴油机额定外特性的配合Fig.7 Adapting between propeller characteristic and external characteristic of main engine when ship backward going

图8 双桨船转弯时主机负荷的变化Fig.8 Change of main engine's real load of twin-screw ship when it luffs.

3 其他因素

3.1 机舱通风系统对主机运行性能的影响

机舱通风系统的作用是:为主机、副机和锅炉燃烧提供足量的新鲜空气;带走机舱里机电设备运行中散发出的热量,以降低机舱温度,保证机舱良好的工作环境;排除机舱里的可燃气体和水蒸汽;冷却机电设备,防止故障。通风系统的工作状况将直接影响到主柴油机和其它辅机的工作性能,燃烧恶化、排气温度升高、冒黑烟、轴承高温等故障往往就是因为通风系统工作不正常引起的。因此轮机管理人员平时应加强对通风系统的维护保养.另外,送风和排风的正确操作也十分重要,关系到机舱空气质量和温度[7]。

3.2 船舶拖带

在拖带情况时，船舶总阻力上升，航速减低。在正常工况下，柴油机有一定量的余功区，可利用余功进行拖带。首先要了解被拖船阻力与航速的关系，同本船螺旋浆特性、余功大小、余功使用情况进行比较分析，确保在拖带时主机不超负荷。同时注意主机等设备的工作状况，拖动后开始慢慢加速，要注意：如果船不动则不能加速；同时要注意风浪对船舶稳性的影响；拖带用的缆绳长度要选择准确，过长易缠在的螺旋桨上，过短则拖带不稳定甚至能导致翻船。

4 结束语

船舶在航行中处于各种外界自然环境和各种航行工况下。恶劣的自然环境不仅通过影响船舶本身的操纵性能，也通过影响操船者的技术水平和心理状况来影响船舶航行安全；在特殊的自然条件和航行条件下时，主机人员的操作水平是决定航行安全的主要因素，操作不当会引发主机机损事故,甚至会危及船舶和人员生命安全。对此，作者简要的分析了在各种情况下主机运行工作的变化规律，给轮机人员正确操纵主机，实现机器经济、安全地运行提供依据和建议，保障人员、船舶的航行安全。

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[2]施祝斌,王 琪.航行环境对船舶主机运行参数的影响[J].上海海事大学学报,2007,28(2):53-57.

[3]吴 恒.轮机管理[M].大连:大连海运学院出版社,1993:43-45.

[4]胡振海.船舶柴油主机在非正常工况下的管理[J].珠江水运,2010(3):70-71.

[5]周连柏.船舶在复杂航区的安全操作[J].中国船检,2005(4):64-67.

[6]ANBW M.Influence of Ambient Temperature Conditions.[J/OL].http://www.manbw.com.2001-02-22.

[7]于学兴,孙培廷.船舶机舱通风系统的设计[J].世界海运,2002,5(10):52-53.