從羅賓遜圖看主機“反轉向” – 高碰輝輪機長 ( 廈門興諾信船務有限公司) From the Robinson diagram to learn the ”reverse direction” of main engine

從羅賓遜圖看主機“反轉向”

曾聽聞某輪主機出現“反轉向”-實際轉向與車令相反,稱為是因為“ AH”閥卡死。2000年筆者任職某SMC-E船,在阿根延ROSARIO靠泊時也碰到過類似故障,當時曾檢查相關閥門,但沒有異常。時隔四年後,筆者在某輪服務時,曾告誡輪機員,慎重操作,嚴防主機反轉,由於輪機員的疏忽,再次在抵制筆者從1989年至2000年,港試車時見過類似故障,同樣檢查相關閥門無果。兩次故障俱非筆者操車,事後調查,分析只覺得操車不太合理,具體原因不太清晰。 11年間一直在“老爺船”上摸爬滾打,從未聽聞主機“反轉”,而2000年後不斷聽聞,甚至親眼目睹這種奇特故障。為什麼現代柴油機會有如此奇怪的現象呢?經多年對不同船舶的觀察,測試,研究與學習,故障原因,逐漸明朗。現總結如下,供各位同行及操船者參考。由於倒車失敗的原因眾多,所涉及的概念多且易所謂的多多失失,筆者知識有限,文中不對替代,敬請見諒!

抵港前試驗倒車困難,機動操車時出現主機“反轉”等等都是因主機倒車失敗,但是在停航或航速相對(5節以下)時倒車基本上都沒有問題,顯然這是航速的影響,羅賓遜圖是研究全速前車→全速後退過程的有用工具,因此分析上述故障應從羅賓遜圖著手。

以F.AHD,航速50%標定航速為例,接收車鐘STOP令,油門從F.AHD拉停,主機垂直迅速為零,主機逐漸減小,螺旋槳轉矩沿等50%標定航速下降,進給係數J逐漸增大,螺旋槳葉片水效率nO,推力係數Kt和尺度係數Kq等逐漸分解,在第一象限內出現零推,繼之出現零矩,負推力開始抵消船舶前進,即圖中從A點→B點。

在第四象限,由於航速不變,J繼續增加,螺旋槳在“水渦輪”的作用下,使主機仍按正車運轉,主機轉向下降變慢,逐漸下降到接近10%時,負轉矩達到最大。圖中B→C點。如車令為F.AHD→STOP→S.AST,輪機員如果沒有正確操作,在遠離C點(負偏置最大點)就施行倒車啟動,如從B點附近起動,起動初期,倒車起動柴油主要是氣體力(當時未供油),因柴油大於摩擦片與負壓力之和和,主機迅速被壓停,即制動過程。持續作用下,主機反轉,當主機垂直達到倒車發火轉數時,起動油門噴入,此時在短暫的時間(1〜2秒)油氣並進,倒車體積迅速增加,在起動期間航速變化很小,主機運行在等50%標定航速線與倒車起動螺桿線的交接點D。倒車啟動過程螺旋槳近似按A→B→C→D點變化。由於車令在S.AST,數秒後,倒車注射器急速降低到S.AST對應預算(如我輪只有17.7%M),此時柴油機工作在等50%標定航速線與S.AST烷基線交接點E,認為E點已不在柴油機工作範圍。

從一級上看,起動瞬間負壓減小,起動後,負間隙仍不斷增加,有可能在S.AST前後達到最大負壓,這是進氣容易,給油運行難的直接原因。因此。 AST時,預算遠小於負預算,摩擦係數與其他附加壓力之和,導致主機倒車短暫運轉後又迅速被拉慢,由於反向的急速偏移,調速器根本來不及反映,甚至此時人為增大油門,則也常常無濟於事。當主機垂直向下最低穩定初始化或發火轉換後,轉換限制停油動作,主機停油,轉換迅速為零,此時螺旋槳就會在負壓與其他附加負壓力作用下,反為正車運轉,當正車轉向達到發火規律時,初始化停油限制取消,由於油門手柄在供油位,燃油就會再次噴入氣缸,使沒有轉向連鎖的柴油機出現“反轉”,此時主機主軸雖然在倒車位但轉向與轉向卻在“ SLOW AHEAD”位,控制系統沒有任何警報,“ WRONG WAY”指示也沒有動作。此外,如輪機員在0變頻倒車起動,由於丟失倒車起動的最佳時機,如果給油太快,後果也基本相同。顯然,操車不當,第一車令太小,也會導致倒車失敗,主機反轉。

為了證實第一車令對倒車的影響,筆者依據我輪驅動台“ STOPPING CHARACTERISTICS”表中車令對船舶制動的指導,曾特地測取一些數據。某輪設計重載航速14.8節,主機MAN B&W 6S50MC-C,MCO 10450馬力,按107轉/分鐘。主機正車與倒車各車令油門設定基本相同,倒車設定油門略低,集控和駕控一樣都是CPU控制,車鐘與油門手柄合為一體。由於起動時,調速器的靈敏度降低,分析倒車起動時不予考慮。根據槳功率P = C1N3,尺寸M = C2N2,各車令油門設定如下:

制動制動27轉,起動油門設定45轉,發火垂直8轉。 測試結果如下:

主機方面,0912接車令,迅速回車令,主機迅速換向,制動,倒車,從車令鈴響至倒車轉向-50轉以上,整個過程約12秒,倒車比以前(AHD→STOP→ DS AST)更加順暢,主機運轉平穩,各安保沒有動作(我輪CRASH ASTERN才取消掃氣壓力限制)。結合羅賓遜圖的分析及上述試驗結果,筆者有如下體會:

一、羅賓遜圖的定性指標

教科書對羅賓遜圖的解釋,所採用的定性指標有些已不能滿足當代柴油機的倒航分析。如教科書明確指出50%標定航速以上倒車不可能成功。但是船用柴油機技術突飛猛進,倒航性能也逐漸提高。從我輪的STOPPING特性,表中可查得,航速在9.9節都能倒航成功,亦即在9.9 / 14.8 = 66.9%標定航速也能正常制動倒航。從這一點來說,知識更新確實必要。對倒航工況來說,當代MAN B&W主要有如下革新:

1、柴油機的工作範圍擴大

高效率渦輪增壓器的使用,最低穩定降低的降低等等使柴油機工作範圍擴大,從羅賓遜圖來看,最低穩定轉換限制由兩邊向“ O”移位中縱座標擴展;加速器喘振線(過量空氣係數限制線或冒煙限制線)正車向上,倒車向下擴展。

2、啟動性能的提高和CPU的使用

新型MAN B&W均採用超長長度,壓縮比大,爆炸壓力高,實施了所謂的燃燒優化,因此壓燃溫度高,發火分解低,起動性能好,如SMC-E發火數值為15轉,SMC- C設計為9轉,實際設置僅8轉。控制系統採用先進的CPU控制,如車令正確,CPU能及時掌握倒車啟動的最佳時機,倒車的成功率較高。

 

二,現代柴油機起動油門設定極限及倒車起動柴油的形成過程

駕駛控制的MAN B&W柴油機與傳統柴油機控制系統參數設置的最大區別在於起動油門與起動空氣壓力的大小不同。通常是由駕駛B&W柴油機啟動油門設定在SLOW位,起動空氣壓力(滿氣瓶氣壓)是25公斤。而傳統柴油機的一般設計是:啟動油門在HALF位,滿氣瓶氣壓30〜35公斤。新老對比就可以研磨,如同樣操作失誤,倒車失敗總是首選現代柴油機。

現今柴油機的起動普遍採用“先給氣再進油”,即“油氣分進”起動。倒車的流程一般遵循以下原則,換向→排氣製動→進氣起動→1〜2秒油氣並進→ 5〜6秒啟動油門→第一車令油門,對應的,倒車啟動流程圖形成的流程即為:啟動空氣壓力壓縮機→1〜2秒油氣並進產生的注射器→5〜6秒啟動油門氧化物→第一車令油門扭矩

因此從倒車起動及加壓形成的流程明顯磨損,倒車失敗,主機反轉的原因不外乎就是,換向不及時(失去倒車起動的最佳時機),起動空氣壓力低,起動油門低,第一車令油門低,供油設備與燃油系統故障,起動與控制系統故障,倒車起動與起動後的起動太大等等。首先,判斷設備故障與操作失誤的常用方法是:換向手柄保持原位,直接二次啟動,如成功,多數就是操作失誤;反之,多次連續啟動不成功,則為設備故障。

 

(因為文章較長,後面部分下期分享)

廈門興諾信船務有限公司

作 者:高碰輝輪機長

續:從羅賓遜圖看主機“反轉向” - 高碰輝輪機長 (廈門興諾信船務有限公司) Part2:From the Robinson diagram to learn the ''reverse direction'' of main engine
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