海洋渔业是中国重要的经济产业，然而在发展渔业的同时，也带来了大量的能源消耗和环境破坏等问题。通过对渔船多工况的特点进行分析，研究出相对优化的船机桨匹配方案，有利于提高渔船的作业效益，同时也能顺应国家政策，低碳高效地解决现有的突出环境问题。
渔船动力装置被誉为渔船的“心脏”，推进系统是其中最主要的部分，它由船舶主机、传动装置、推进轴系和推进器组成，主机为船舶提供动力，主机输出的功通过齿轮箱和传动轴传递给螺旋桨，螺旋桨再将主机提供的扭矩转化为渔船航行的推力，船机桨之间形成了一定的能量传递关系。研究船机桨匹配问题十分重要，必须从三者间的配合出发，进行合理的匹配设计[1]。图1为渔船推进系统布置示意图。
由于船体、主机和螺旋桨都有其各自的运动规律和工作特性，渔船航行过程中工况发生变化时，各自运行的参数也会发生相应的改变，船机桨匹配就是指在某一工作条件下，船机桨三者的主要参数可以达到相对最优的状态，通常会选择主机的额定功率值作为船机桨匹配点进行设计。
船机桨匹配设计问题贯穿于船舶设计、建造和使用等全寿命管理过程。机桨匹配设计与能源效率设计指数、船舶的经济性及安全性等有着密切联系[2]。而船机桨不匹配是指船舶、柴油机和螺旋桨三者在运行过程中偏离了主机的设计工作点。船机桨不匹配通常有两种情况：一种是“轻桨”，另一种是“重桨”，即所谓主机功率发挥不足和主机超负荷运转问题，甚至出现敲缸和拉缸等严重故障。目前，渔船存在一定程度的“大机小标”现象，有的渔民为了追求经济效益和高航速，会对柴油机进行一系列的改装，私自更换大功率主机及发动机铭牌，破坏了船机桨原本的匹配状态[3]。渔船在作业过程中遭遇恶劣海况或拖网渔船进行大负荷拖曳等都有可能偏离额定工作点，造成渔船柴油机超负荷工作。柴油机超负荷工作时，螺旋桨受到的阻力增加，柴油机需要提高转速以提供更大的扭矩，这必将大幅增加油耗。同时柴油主机缸内的温度、压力都会增大，影响柴油的燃烧情况，从而进一步增大油耗。渔船的工况复杂，航行中经常有各种状况发生，此时船机桨难以做到各个工况下均匹配，因此，需要设计出一个相对多工况综合优化的船机桨匹配方案，以达到渔船在主要工况下均可良好运行，切实提高渔船的经济性，并进一步解决渔船匹配不佳带来的环境问题。
图1 渔船推进系统布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of propulsion system arrangement of a fishing vessel
1 渔船及其工况分布
渔船按作业水域分为海洋渔船和淡水渔船，海洋渔船又分沿岸、近海和远洋渔船[4]。为方便渔业捕捞的管理，在沿岸、近海捕捞的渔船被归为海洋捕捞渔船，远洋捕捞的渔船归为远洋捕捞渔船。根据《2020年中国渔业统计年鉴》[5]，中国渔业捕捞产品主要以海洋捕捞渔船和远洋捕捞渔船捕捞为主(表1)。
表1 2015—2019年全国捕捞产品产量及构成[5]
Tab.1 National catch production and composition from 2015 to 2019 [5] 104t
捕捞方式 fishing mode20152016201720182019海洋捕捞 marine fishing1 216.811 187.21 112.421 144.461 000.15远洋捕捞 distant fishing218.93198.75208.62225.75217.02淡水捕捞 freshwater fishing199.34200.33218.3196.39184.12
渔船按作业方式可分为刺网渔船(gill netter)、拖网渔船(trawler)、围网渔船(seine netter)、钓船(line fishing boat)、张网渔船(stow boat)和其他渔船(other fishing vessels)。截至2020年末，中国有刺网渔船81 924艘、拖网渔船26 889艘、围网渔船7 005艘、钓船9 570艘、张网渔船11 525艘和其他渔船10 020艘[5]。实际生产过程中，多数船舶的工况较为单一，在进行船机桨匹配的时候，只需针对主要工况进行相应的匹配工作，便可满足航行过程中的需求。但渔船的工况十分复杂，各种工况的比例分布较为分散，仅选用一种工况作为主要工况进行匹配工作明显不够科学，因此，研究不同工况下的机桨匹配显得尤为重要。拖网渔船常用工况可分为自由航行和拖网航行，特殊工况为齿轮箱合排和起网[6]。钓船存在投绳航行、自由航行和起绳航行3种主要工况，除此之外，还有巡航和停泊两种工况[7]。相比于前两者，围网渔船的工况更为复杂，存在单艇作业、双艇作业多种情况[8]。
2 渔船主机发展现状
2.1 中国渔船主机发展现状
20世纪50年代中期，中国不能自主设计渔船的柴油主机，通常只是对国外的机型进行相应的仿造[9]。1969年，中国开始自主设计研发柴油主机，并自行设计了增压式6260型257 kW渔船主机。20世纪70年代后，中国先后制造出6320ZC型735 kW和300系列柴油机[9]，进一步提高了柴油机的功率。从20世纪80年代开始，中国引进了一些国外的先进高速柴油机，如美国的康明斯系列、德国的MWM234系列柴油机等。这些柴油机的体积小、重量轻、强化指标高和大修期长，大大提高了中国制造中高速柴油机的水平，为中国渔船主机的性能提高和更新换代起到了积极作用。
近年来，中国柴油机发展较快，许多国产柴油机老机型都有了较大的改进，相关部门不仅对老旧机型优化了相关参数，增加了功率覆盖面，而且改善了性能，如对195型柴油机进行节能改造，与日本三井造船株式会社联合开发了CMD-MAN B&W系列柴油机，与瓦锡兰公司联合制造了W20、W26和W32中速船用柴油机等。同时，引进国外先进技术、先进机型供使用，如上海新中动力机厂引进德国MAN B&W公司专利技术生产的L21、L31系列柴油机，珠海玉柴船舶动力股份有限公司引进芬兰瓦锡兰公司生产许可证，生产出RT系列全电控共轨船用低速柴油机等。但国内对柴油机的自主研发和产品设计的重视程度还不够，亟须提高自主研发和创新能力[10]。现如今，中国船用柴油机关键零部件制造技艺和制造水平得到了提高，也打破了国外大型低速船用曲轴对中国制造业的长期垄断，中国的造船业发展也不再被“船等机、机等轴”所制约[11]。随着柴油机主体结构设计不断优化，整机装配与调试水平得到了大幅提升，配套产业也得到了协同发展，形成了良好的产业基础[10]。
近年来，中国柴油机行业蓬勃发展，自主开发的柴油机机型越来越多，覆盖的功率也越来越广，中国公布的柴油机型谱中，标定功率可覆盖44～4 640 kW区间，为中国渔船主机的功率选择提供了巨大的空间。应用于渔船的柴油机主要型号有潍柴的170系列、618系列、615系列柴油机，上柴的鑫龙系列、淄柴的Z170系列、L250系列柴油机等，中国柴油机的节能减排也初显成效。
2.2 国外渔船主机发展现状
日本是渔船主机应用较为发达的国家之一，早在20世纪60年代末期，日本便开始使用中冷器涡轮增压技术，如富士的W6M26H型柴油机、洋马6UV-EF型柴油机均在冷却方法和增压方法上有所改善，大大提高了日本国内渔船主机的平均有效压力和活塞平均速度，且有效减轻了机体质量、缩短了机体长度，提高了主机单位质量的功率[9,12]。除日本外，韩国、美国和德国等主要造船国家的政府对造船业都给予了相应的扶持，以推动该行业的发展。如韩国出台新政策补贴船厂青年员工，鼓励年轻人进入造船业，美国颁布了“造船能力维护协议”，德国加大了政府资金投入对船厂进行援助[13-15]。国外渔船柴油机的发展有着超大量的投入和资本的集中，个人专利对于柴油机升级的作用逐渐被科研集体研发所替代，其研发重点也开始放在质量和强化系数上，研发出如MTU4000型、MTU8000型和MAN28/33D型等大修期长、强化系数高的柴油机[16-17]。
2.3 国内外渔船主机对比
目前，中国渔船主机性能和国外相比还存在一定差距，国外的渔船主机普遍带有废气涡轮增压系统，能够在提高输出功率的同时改善燃油经济性，节约能源，同时也开始逐渐采用两级相继增压技术[18]，且普遍使用高压共轨燃油喷射系统[19]，实现了主机在全工况下的柔性喷射控制，中高速柴油机的强化系数大部分超过24 MPa/(m·s)，甚至有的超过30 MPa/(m·s)[16]。
中国目前还没有采用相继增压系统的主机，也尚无批量应用高压共轨燃油喷射系统的船用主机[16,20-21]；柴油机的强化系数约为20 MPa/(m·s),除此之外，在智能控制研究及节能减排控制研究等方面均滞后于欧洲和日本等国[22]。
综上所述，中国的渔船主机制造应加快开发先进的高压共轨燃油喷射技术和相继增压技术，加强渔船主机的智能控制技术研究，切实提高渔船主机的动力性、可靠性、经济性和节能性。
3 基于多工况的机桨匹配
船机桨匹配阶段可以分为初步匹配和终结匹配两个部分。初步匹配通过船体主尺寸、航速和有效功率曲线，分析计算得出主机功率、螺旋桨最佳转速与直径，以便选择相应的主机型号，主要解决船舶主机匹配问题。终结匹配是通过船体主尺寸、有效功率曲线，以及初步匹配中得到的主机功率与转速分析计算得到相匹配的螺旋桨要素，并校核其所能达到的航速，这也是传统的“桨配机”的机桨匹配方法，也是最常用的机桨匹配方法，这一阶段主要是解决主机螺旋桨的匹配问题[23]。
3.1 船机桨特性
船机桨匹配需要从船机桨的特性出发。船机桨特性主要指船体、船舶主机和螺旋桨推进装置的主要经济技术和相关性能指标随主机转速和船舶航速变化而变化的关系，船体特性、主机特性和螺旋桨的特性决定了这些关系。
1)船体特性。主要指船体阻力特性，船体的阻力系数取决于船体的排水量、线型等因素，不同的船型参数会导致阻力性能的变化。因此，船舶的航行阻力除了受外在环境的影响，也受船体的主尺度参数影响[24-25]。
2)船舶主机特性。主要包括速度特性(外特性)、负荷特性和推进特性。速度特性反映主机平均有效压力不变时，柴油主机随转速变化的规律。负荷特性反映主机以固定不变的转速运行时，主要性能参数随着负荷变化而变化的规律。推进特性反映主机按螺旋桨特性工作时，其性能随着转速和负荷变化而变化的规律。
3)螺旋桨特性。主要指螺旋桨的敞水性能，影响螺旋桨敞水性能的因素主要是螺旋桨结构及其水动力，其性能主要由推力和扭矩的大小来衡量，螺旋桨的推力和扭矩与其转速的平方成正比[23]，螺旋桨的几何参数不同时，其推力特性也不同。
任何船舶都需要根据船机桨特性来进行最基础的匹配计算，渔船也不例外，通常可采用图解法进行船机桨匹配的特性分析。由于船舶的阻力、阻功率和螺旋桨的推力、推功率间存在相互转换的关系，因此，船机桨匹配可以转化为机桨匹配来讨论。通过机桨匹配特性来表达机桨间的配合关系和工作特性，从而确定最佳工况点以达到船机桨的最佳匹配。渔船主机通过轴系带动螺旋桨工作，主机的功率与转速的三次方成正比，螺旋桨的吸收功率与转速的三次方成正比。图2为机桨匹配所需参照的推进特性曲线。
P—螺旋桨推进功率；Pe—螺旋桨额定功率；n—螺旋桨转速；ne—螺旋桨额定转速。
P—propeller propulsion power；Pe—propeller effective power；n—propeller rotation speed；ne—propeller effective rotation speed.
图2 船舶推进特性曲线
Fig.2 Fishing vessel propulsion characteristic curve
3.2 机桨匹配集成设计
对机桨匹配的研究历史悠久，随着计算机的发展，越来越多的技术人员开始进行船舶推进系统的集成化研究，各种集成化设计软件、程序系统的出现，推动了机桨匹配设计集成化平台的发展。表2所列为具有普适性的机桨匹配集成研究成果，适用于大多数船舶的机桨匹配设计。
中国渔船数量众多，但是针对渔船机桨匹配的研究还是很少，表2中所列均没有考虑到像渔船这样的多工况船舶。针对多工况船舶的机桨匹配，2019年，哈尔滨工程大学的王宸[1]提出了对于非设计工况下的船机桨匹配状况及其影响的研究方法，运用MTALAB/Simulink建立了船舶运行非设计工况的仿真模型，对非设计工况下的螺旋桨和主机性能进行了分析，研究了不同工况下的匹配结果是否处于安全区域内，为多工况机桨匹配的集成设计开辟了先河。除此之外，2015年，中国卫星海上测控部的黄振华等[25]针对船舶不同航行工况下的匹配进行了相应的研究，对于不同工况下机桨匹配出现的问题提出了3个处理方法，分别为将双机运行改为单机运行，改联控模式为分控模式，以及改变动力推进的形式。这些针对多工况船舶的方法，都对渔船的匹配设计有极大的借鉴作用，同时，渔船也可以在这些方法的基础上，结合应用传统机桨匹配继承设计的方法进行进一步设计。
表2 船舶机桨匹配集成设计方法
Tab.2 Design methodology of vessel machine pitch matching integration
研究者 researcher研究成果 research result应用情况 application situation文献来源(年份) literature resources(year)美国Sybase公司船舶静力学性能计算程序已应用王建政[26](2012)挪威AUTOKON公司AUTOKON软件已应用王建政[26](2012)波兰什切青研究所和什切青技术大学船舶动力装置设计系统ENGINE78已应用丁小强[27](2009)美国HydroOomp公司船舶计算机辅助设计软件已应用丁小强[27](2009)中国船舶工业总公司船舶设计建造系统CASIS已应用丁小强[27](2009)中国船舶科学研究中心自主研发的船舶设备选型及船机桨匹配CAD/CAM系统已应用丁小强[27](2009)中国船舶动力装置设备选型课题组动力装置设计程序MEDS已应用丁小强[27](2009)哈尔滨工业大学刘莹船机桨优化匹配模型试验中刘莹[28](2009)哈尔滨工业大学王建政基于MATLAB/GUI船机桨匹配设计软件试验中王建政[26](2012)上海海洋大学汪芳斌基于型谱数据的机桨匹配设计分析试验中汪芳斌[29](2019)
3.3 主机选型方法
主机是渔船的核心，船机的匹配问题即为主机的选型问题。船舶主机选型的方法有许多，国内外许多专家和学者都在这方面做了大量的研究，并且取得了显著的成效，其中也不乏可以运用在多工况船舶上的方法。表3为主机选型的主要方法及优缺点。而在渔船上，更多的是通过以往经验选择主机，或是采用母型船法和海军系数法估算主机功率来选择主机。
低碳是未来航运业发展的主要方向之一，国际海事组织(International Maritime Organization, IMO)在2011年便提出了船舶能效指数(Energy efficiency design index ,EEDI)和船舶能效管理计划(Ship energy efficiency management plan, SEEMP)两项标准，并于2013年开始执行生效[30]。中国政府已明确提出2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和，这是中国应对气候变化对世界作出的重要承诺和贡献[31]。但渔船的节能减排情况仍然存在政策落实不到位等问题。中国渔船数量多、耗能大，推广先进、适用低碳节能的渔船和渔机，降低化石能源消耗和二氧化碳排放迫在眉睫。在表3所列主机选型方法的基础上，国外和国内也开始研究基于减额输出和EEDI所进行的兼具低碳性和经济性的渔船主机选型方式[24,32-33]。曹向东等[34]以最能节约燃油和最大净现值作为最佳主机选型的两个标准，进行经济性分析和低碳性分析从而选出最佳机型。叶爱君[35]在主机选型论证中通过综合尺寸分析、经济性分析、动力学分析、辅助系统分析，匹配出与目标船相匹配的最佳机型。
但上述主机优化选型方法多针对商船，对于渔船的主机优化选型方法较少。商船的主机选型主要以单一工况进行匹配计算，而渔船的工况复杂，渔船的主机优化选型需要考虑渔船的综合工况，才能得到满足渔船复杂作业要求的匹配结果。随着科技的发展进步，经验法和母型船法均不能很好地满足渔船的主机选型，而船舶的主机选型具有共通性，因此，可以在商船选型方法的基础上，得出一套适合于渔船多工况多指标的选型方法。
表3 船舶主机选型方法对比
Tab.3 Comparison of vessel main engine selection methods
研究方法research method研究成果research result优点advantage缺陷defect应用情况application situation文献来源literature resource经验法通过以往经验选择主机方便快捷,无需计算具体指标主观性大,不能很好地兼顾渔船工况变化已应用宋秋红等[36]、游远新[37]、翁文耀[38]、刘作成[39]预估法通过母型船法估算主机功率选择主机基于母型船,具有一定的可靠性不能很好地兼顾渔船工况变化已应用汪芳斌[29]、宗君华[40]模糊数学方法实现散货船、集装箱船的主机优化简单、实用大多针对功率、经济问题,针对问题单一试验中曹向东等[34]模糊算法与分层处理法相结合通过建立ANP-ERA模型,实现主机优选数学模型简单,容易掌握,对多因素、多层次的复杂问题评判效果较好,所需数据量少,决策花费的时间短,充分考虑信息的不确定性和缺失情况隶属函数的确定还没有系统的方法,决策主观成分较大试验中杜立达[30]非线性多目标优化建立主机选型的优化模型,采用逐步逼近的筛选法,解决机桨匹配和主机效率、经济性不佳的难题可将非线性问题转化为线性问题限定了船舶的航速,加权目标函数的结构复杂,计算量大,多目标之间单位不一致试验中吕青[41]决策理论将主机选型问题定义为一个不确定多属性决策问题,实现主机优选计算简单,可解释性强,比较适合处理有部分属性缺失的样本,能够处理不相关的特征指标增多,错误增加较快,处理特征关联性比较强的指标数据时效果不好试验中于洪亮等[42]、樊红等[43]交互式赋权法采用偏差商模型来确定主管权重,通过匹配功率与航速、比较油耗,实现主机优选实现客观权重与主观权重的统一计算较为复杂试验中赵瑞嘉等[44]
3.4 螺旋桨设计方法
船机匹配中最重要的步骤是主机的选型，机桨匹配中的核心为螺旋桨的设计。螺旋桨的设计通常有两种方法，一为图谱设计，二为理论设计。图谱设计结果精度较好，应用广泛，但是图谱法不能考虑到尾流不均匀性的影响，同时受到系列桨型的限制，无法对大侧斜等特殊螺旋桨形式进行设计。螺旋桨的理论设计法主要为环流设计法，能够考虑到尾流不均匀性的影响，设计出不同半径处适宜的螺距和切面形状；也不受系列桨型的限制，可以对大侧斜等特殊螺旋桨形式进行设计，但是由于理论设计法基于环流理论，无法精确考虑黏性作用，故这种方法并不常用。
基于这两种设计方法，又出现了结合回归拟合和智能算法的螺旋桨优化设计研究法。基于回归拟合的方法就是将螺旋桨的图谱或敞水特性曲线转化成经验公式，更容易处理，也更容易找到最佳的螺旋桨参数[45-46]。也有许多学者将神经网络[47]、遗传算法[1]和模拟退火法[48]等智能算法引用到螺旋桨设计中。
对于渔船的复杂工况，一般会选用可调距螺旋桨来进行相应的调节，当船舶在不同状态下航行时，可根据实际航行需要对可调距螺旋桨的螺距进行调节，使主机的功率和转速得到充分发挥。船舶有效功率(P)与主机推进功率(Pe)二者间存在转换关系，即
=Pe。
其中： ηo为螺旋桨敞水效率；ηs为传递效率；ηr为相对旋转效率；ηh为船体效率。通常一艘船在航行过程中，ηs、ηr、ηh变化程度较小，可以忽略不计，因此，可认为螺旋桨敞水效率的变化直接影响柴油机的油耗。而影响敞水效率的因素主要有3个，分别为航速、桨转速和桨叶螺距，可调距螺旋桨可以通过设置在桨榖中的传动机构和外置液压系统改变桨叶的螺距，以利于船机桨匹配并适应各种工况的变化[49]。
然而，可调距螺旋桨桨毂内的调节机构和操纵系统较复杂，维修保养困难，且由于毂径比较大，为配合叶片转动需要，桨毂外形曲率变化较大，在设计工况下，其效率较低。此外，因叶片转动及强度需要，其根部的叶切面较厚，极易发生空泡腐蚀现象，造价也较为昂贵。因此，在考虑多工况渔船选用可调距螺旋桨时，应着重考虑经济性和低碳性。
4 存在问题及展望
4.1 渔船机桨匹配研究中存在的问题
船舶机桨匹配研究目前已经相对成熟，但多工况的渔船机桨匹配还存在多方面的问题。
1)低碳性和经济性成为渔业发展中的重点问题，中国对渔船节能减排工作开始较晚，且未有较好成效。
2)渔船工况复杂，在主机选型时不能较好地考虑到渔船工况的变化，亟待寻找一个适合于渔船的多指标选型方法。
3)螺旋桨匹配过程中，适应多工况的可调距螺旋桨易出现空泡腐蚀和经济性低的情况。
4)中国渔船的主机部分性能与国外渔船还存在一定的差距，缺乏自主创新能力。
5)虽然中国已经具有一些柴油机和螺旋桨方面的先进技术，但并未全面投入使用，也没有落实在渔船机桨匹配之中。
4.2 未来重点研究方向
未来渔船机桨匹配发展趋势会向着低碳性、经济性发展，会更加依靠基于智能算法的优化，匹配的结果也会更加适应不同的工况条件，主机的可靠性也会进一步增强。
1)选择低碳、经济的渔船主机。21世纪，低碳性和经济性是一个重要的主题，在渔船主机选型上，对选定机型和备选机型都要进行全寿命的经济性分析，通过研究螺旋桨性能来降低主机油耗的课题也受到关注，如今中国提出了碳达峰、碳中和的“双碳”经济理念，因此，选用经济环保的渔船机型十分重要。
2)基于智能算法优化机桨匹配方法。渔船的船机桨匹配问题是一个十分复杂的问题，涉及船、机、桨3个不同的方向，智能算法的引入为解决机桨匹配问题提供了十分有效的工具，优化了匹配流程，提高了匹配的效率，使得匹配更加精准化、智能化。
3)研究适应不同工况条件的机桨匹配方法。相较于其他船舶，渔船的工况更为复杂，拖网渔船有拖网和自由航行两个主要工况，延绳钓船有放网、拖网和收网3种主要工况，而围网渔船的工况更多更复杂。除此之外，捕鲸船等特殊船舶也是工况十分复杂的船舶，因此，研究适应不同工况的渔船机桨匹配方法十分必要。
4)选择高可靠性能的渔船主机。渔船的航行相较于其他船舶更加复杂，也更易引起事故，其匹配的柴油机需要频繁适应自航、拖网、巡航和风浪等不同工况，因此，对渔船动力装置的可靠性要求也日益增高。渔船柴油机的可靠性、渔船的使用寿命及维修的工作量等均值得高度关注，选择高可靠性的柴油机一直会是渔船机桨匹配中不可忽视的重要环节。
5)进一步优化螺旋桨。有些渔船会使用多个螺旋桨或者导管桨，这就需要考虑多个螺旋桨间的相互影响关系，而导管桨结构复杂，导管易产生振动和变形，因此，对于渔船螺旋桨的优化工作也值得深入研究。
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