船机故障心莫慌，遇事不决船机帮
一
问题的由来
“蓝鲸 ”号游船是长江海外旅游总公司骨干涉外豪华游船。
该船自1993建造时就存在主机接排时间过长问题，最长可达5rain以上，此间伴有长时间冒黑烟，在达到接排转速冒烟才能结束。
该问题一方面严重污染周边环境，影响了服务质量，损害了“蓝鲸”游船公众形象；
另一方面影响了船舶的操纵性能，存在一定程度的安全隐患。
2006年10月，根据市场需要，“蓝鲸 ”游船进行包含增加客位的整体技术改造。
考虑到环境与安全因素，必须解决好该船存在的长时间冒黑烟问题，以保证改造后具备在三峡库区营运的条件。
二
原因分析
1.接排时间过长并伴有冒黑烟现象
“蓝鲸 ”自船厂系泊试验开始，就存在着主机接排时间过长及冒黑烟问题。
随着运营时间的累计，情况更加恶化，时间可长达数分钟。
冒烟现象仅限在接排(低负荷加载)时出现，接排完成后再往上逐级加载时均无冒黑烟现象，而且左、右主机接排冒黑烟情况相似。
接排前主机空车转速为460r／min，接排前瞬间转速突升至600r／min左右(即为接排转速)，接排后转速降至最低值，油门迅速升至6.0格(此时的增压空气压力下PGA 调速器允许的最大油门，即冒黑烟极限)，此刻废气道排出浓烟，其后转速缓慢上升，油门逐渐回落，直至转速升到1档车设定转速 440r／min稳 定一段时间后冒黑烟结束，但该转速下仍长期存在着冒淡烟现象。
接排(冒黑烟)过程长短根据船舶所处水域不同不等，范围在2～4rain。
CCS建造规范对发电用柴油机工况变换的稳定时间要求限制在5S～10S范围，对推进主机虽未予规定，但稳定时间也不宜过长，就自航船而言通常应控制在15S～20S。
由于实际接排时间过长，船舶驾驶部门反映存在启航时加速困难的安全隐患。
2.超吃水
“蓝鲸 ”原始设计满载排水量2004t，设计吃水2.65m。
出厂系泊试验时吃水2.6m，出厂航行试验时吃水2.65m。
目前（改造前）吃水已达3m左右，超吃水 0.35m，增幅13%。
现排水量约2350t，超排水350t，增幅约 12% 。
“蓝鲸”原设计机桨匹配就超出主机厂的推荐范围，而超吃水使机桨匹配偏重，同时航速也低于原设计指标。
据实船测试显示，主机额定转速时的输出功率已超过100%额定值。
'蓝鲸'原设计航速为31.5km／h，但实船测试显示，在主机额定转速时的航速在29.8km／h。
有关数据比较见表1。
三
机理分析
“蓝鲸 ”游船主机配置的“单管增压系统”导致接排时冒黑烟；
该船超吃水导致机桨匹配偏重加剧，两种因素的综合效应导致冒黑烟恶化，这就是“蓝鲸”问题的由来所在，问题形成缘于以下两方面的因素。
1.主机增压方式的先天缺陷
采用废气涡轮增压是有效提高柴油机功率的主要措施，根据废气能量利用方式的不同，废气涡轮增压的两种基本形式为定压增压和脉冲增压。
有关两种增压形式的特点比较可见表2。
定压增压的特点是废气压力基本呈稳定状态，结构特点是各缸排气管连接到一个容积很大的(约为各气缸容积总和的2～3倍)排气总管后再进入废气涡轮。
其结构简单，工作性能稳定，效率较高，节能效果好，其不足是加速性能和低负荷性能欠佳。
主要体现在低速区加速时出现燃烧不完全冒黑烟现象，业内术语称此现象为“响应特性不好”。
定压增压早期多配备于低速二冲程柴油机，多作为远洋大型商船推进主机使用，为弥补其不足，须另设电动辅助风机来满足低负荷加载时的扫气需求，该方式证实是有效而可靠，因此辅助风机也成为了二冲程柴油机的部件之一。
上世纪80年代以前四冲程增压柴油机基本采用脉冲增压。
脉冲增压的特点是废气压力为脉冲状态，结构特点是各缸排气管经过分组直接与废气涡轮连接，利用脉冲能量较为充分，加载性能好，在低增压时使用，较为有利。
但排气管结构较为复杂，在高增压时效率相对较低，节能效果不及定压增压。
因为定压增压的节能效果明显高于脉冲增压，其相差幅度可达10g一20g／kW.h，故曾推广到中速四冲程柴油机试用。
但在作为推进主机时同样存在低速加载性能不好及冒黑烟问题。
在定压增压和脉冲增压基础上诞生的MSEM 增压是一种新的增压方式，其产生背景是出于对四冲程柴油机节能目标的要求需要一种同时兼顾脉冲增压和定压增压二者优点的新的增压方式，即能简化多缸机的脉冲排气管结构，提高增压效率，又能减少定压增压利用脉冲能量不足缺陷，提高加载性能。
MSEM增压有“单管排气 (SEPS)”、“模件式脉转换增压 (MPC)”等等 。
近十年来还在MPC基础上派生出了MIX—PC、MMPC等形式。
这些形式的共同特点是每个汽缸都有一个排气管模件，模件包含了排气支管和总管分段部分，模件组合成一根排气总管，但其总直径相对定压增压较小。
在气缸头排气支管与总管联结部位存在结构的变化，支管有引射喷口，而这些变化导致了向定压增压或脉冲增压的倾向程度差异。
安庆柴油机厂生产的大发DK20等，采用MPC增压，其模件的引射喷管设计利用脉冲能力较强，故低速加载性能较好，冒黑烟现象不严重。
“蓝鲸 ”游船主机采用的属于MSEM增压范畴SEPS增压形式的早期产品，其排气管模件的结构较多地体现“定压增压 ”的特点，经使用证明，作为推进主机时，加载冒黑烟现象仍然存在，特别是8缸机，由于还存在一定程度的排气相互干扰，冒烟现象比较严重。
苏尔寿(SULZERA)公司为ATL25柴油机提供了脉冲增压和单管增压两种增压方式供用户选择，长航集团各公司共有10艘船舶配装了ATL25柴油机，凡是脉冲增压的均无冒黑烟现象存在，如“长江明珠”和“长江公主”等。
而使用单管增压的四艘船舶，均不同程度地存在低速加载冒黑烟问题。
2.船舶现状与原始设计之间的变化
“蓝鲸”实际吃水超过设计指标较大，这是导致冒黑烟现象逐步恶化的原因。
由船舶原理可知，螺旋桨吸收的扭矩可用下式表示：
式中：
P一水的密度；
D一 螺旋桨直径；
Ns一 螺旋桨 转速；
K一 随螺旋桨相对进程而变化的扭矩系数。
桨速与船速比值越大，K值越大；
船舶吃水越深，K值也越大，桨的负荷相应增加。
实际经验表明Mb随桨船速比、吃水变化而变化的幅度相当大，如系泊试验。
而船舶正常航行中和正常吃水情况下，螺旋桨吸收扭矩按推进特性Mb—C.Ns2，
其中C为常数。
可见船舶系泊或离码头接排时，螺旋桨实际吸收功率将远远大于航行中推进特性的值，主机在该低转速时属超扭矩运行。
超吃水使机桨匹配偏高加剧。
该船原设计机桨匹配点在93%标定功率 (100% 转速)，已经超出了主机厂提供的配桨区域，因吃水加大导致螺旋桨的负荷增加，该船历次测试结果都证明，机桨匹配点已经位于100%满负荷点。
机桨匹配点过高的负面影响一是燃油耗率增加，其二是冒黑烟恶化。
此次该船整体技术改造包含增加客位的要求，增加客房数量必然会加大排水量，为控制吃水需将该船型宽由原14.6m扩大至 16.4m，船舶阻力还会加大，机桨匹配偏重还可能更严重。
主机厂随机资料推荐机桨匹配点控制在80%一90%。
如超出推荐范围，主机仍可发出标定功率，但主机厂承诺的技术指标和经济指标就难以保证，例如排温，耗油率等，其变化幅度大小和匹配点大小有直接关系。
该船匹配点过高，燃油耗率偏高是必然结果 ，见表3。
机桨匹配点偏高还会使冒黑烟现象恶化，该船主机在低速运行时，由于单管增压的特点，出现冒黑烟现象。
当吃水增加时柴油机速时扭矩增大，而此状态下若加速或接排，缸内空气燃油比更小，喷油量和供气时的矛盾将加剧并形成恶性循环，致使柴油机冒黑烟加剧，冒黑烟时间变长。
回顾该船出厂后的纪录，就能看出冒黑烟现象的增长基本上和吃水的增长同步。
同时因主机输出扭矩提升缓慢，造成主机加速时间过长，存在相应的安全隐患。
四
技术改造及可行性研究
主机改造有两种方案可供选择，即“更换现用主机”和“现用主机技改”。
其中技术风险最小的方案是更换脉冲增压系统的机型，经分析该方案最低费用为246万元，改造周期(包括论证、申报 、设计、订货、安装、调试等)耗时半年左右，详情见表4。
由于费用较高，除非无其他方法不宜采取此方案。
另一种方案是将原主机的单管增压系统更换为脉冲增压系统，通常实施这种方案可能存在的问题，
一是需进行相应的系统设计，
二是在实船条件下进行增压器与柴油机的匹配调整。
但据“蓝鲸”主机生产商苏尔寿(SULZER)公 司介绍，8ATL25柴油机的脉冲增压属于成熟技术，可免除从头设计而直接使用。
另一有利因素是“蓝鲸”此次整体改造后的航速要求与原航速比较降幅较大，此举一方面为扩大机桨匹配裕度提供了可能性，同时对增压器的匹配调整准确程度放宽，基本可以判断在线调整可以获得成功。
涉及扩大机桨匹配裕度的螺旋桨改造属常规设计，同时该设想与全船整体改造降低航速的方向是一致的。
通过上述分析可确定改造方案是主机增压系统和机桨匹配的改造，增压系统的改造要求是用脉冲增压系统取代原单管增压系统；
机桨匹配的改造要求是结合主机厂推荐的匹配方式和营运航速设计、换装螺旋桨；
在两方面的改造完成后进行增压系统的适应性调整。
五
改造过程及效果
2007年7月底增压系统更换工程完工，同时结合“蓝鲸”整体改造工程进行了螺旋桨设计，将主机额定转速时的航速下调至26km／h，同时适度扩大机桨匹配主机功率裕度。
按照上述设计更新了螺旋桨之后，开展增压系统的适应性调整，调整过程及效果见表5。
2008年9月，“蓝鲸”开始上线营运，在首航期间，上级机关组织了对“蓝鲸”总体改造工程的验收。
在验收过程中进行了该船主机改造的测试，测试结果显示该船冒黑烟问题得到根本解决，左主机完全不冒烟，右主机仅有短暂淡烟现象，其程度低于进口的脉冲增压同型 产品，改造费用控制在100万元以内。
六
结论
(1)主机由原SEPS增压换用脉冲增压方式后，低负荷加载冒黑烟问题得以化解，使 “蓝鲸”游船具备了在三峡库区水域上线营运条件。
(2)根据航道条件的改善，适度降低航速而减小了主机输出功率，达到了扩大了机桨匹配裕度的效果，使得在实船条件下更换主机增压方式的方案可行。
END
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