邱黎輝,張俊武
● (蘇州船用動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司,江蘇蘇州 215126;2.中船重工集團(tuán)公司第七〇四研究所,上海 200031)
某型海監(jiān)船動(dòng)力系統(tǒng)集成綜述
邱黎輝1,張俊武2
● (蘇州船用動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司,江蘇蘇州 215126;2.中船重工集團(tuán)公司第七〇四研究所,上海 200031)
隨著我國(guó)造船業(yè)的發(fā)展,船舶動(dòng)力系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)和供貨已逐漸為廣大船東所接收。文章對(duì)某型海監(jiān)船動(dòng)力系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)情況進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)介紹了動(dòng)力系統(tǒng)的配置情況,對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)集成工作的前景進(jìn)行了展望。
海監(jiān)船;動(dòng)力系統(tǒng);集成化設(shè)計(jì)
動(dòng)力系統(tǒng)集成是國(guó)外船舶制造企業(yè)通用的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和供貨模式。2006年我國(guó)在出口德國(guó)的4000t多用途運(yùn)輸船(GL)上首次采用了這種模式并取得了成功,之后幾年動(dòng)力系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)和供貨逐漸被國(guó)內(nèi)船東所接受。動(dòng)力系統(tǒng)集成是指通過系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成供貨,實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的空間布置更趨合理、推進(jìn)效率優(yōu)化、控制方式和邏輯優(yōu)化。動(dòng)力系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)具有提高主推進(jìn)效率、降低能耗等眾多優(yōu)點(diǎn)[1],同時(shí)可以縮短船舶建造周期,節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。
某型海監(jiān)船是一艘大型綜合遠(yuǎn)洋科學(xué)考察船,該船于1981年7月建造完工出廠。在30余年的使用過程中,為我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、考察、研究做出了重要貢獻(xiàn)。該船原設(shè)計(jì)為兩臺(tái)可逆轉(zhuǎn)低速主機(jī)(功率 3310kW,轉(zhuǎn)速200r/min)驅(qū)動(dòng)兩套固定槳推進(jìn)。但由于年久失修,缺乏配件供應(yīng)等原因,該船動(dòng)力系統(tǒng)故障頻發(fā),對(duì)船舶運(yùn)營(yíng)安全構(gòu)成威脅。故對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行更換、技術(shù)改造。該船的改造入CCS船級(jí)社,保留原船的線型設(shè)計(jì)、軸包架、艉管等部件。
某型海監(jiān)船動(dòng)力系統(tǒng)集成改裝采用雙機(jī)雙槳推進(jìn),不可逆轉(zhuǎn)中速機(jī)(型號(hào):MAN7L27/38,功率:2555kW,轉(zhuǎn)速:800r/min)通過垂直異心齒輪箱(型號(hào):GWK5259,減速比4.105:1)驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳裝置(79KS/4),調(diào)距槳采用軸系式配油器。螺旋槳軸采用海水潤(rùn)滑軸承,暴露在海水中的部分包覆玻璃鋼防止海水腐蝕。結(jié)合動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn),對(duì)遙控系統(tǒng)進(jìn)行了改造。改造后的控制系統(tǒng)使動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行具有聯(lián)控、分控、恒轉(zhuǎn)速、應(yīng)急控制等模式的運(yùn)行功能。
本船對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)改裝的航速要求為:≥15kn(90%MCR主機(jī)功率時(shí))。
改裝后的動(dòng)力系統(tǒng)布置圖如圖1所示。
圖1 某型海監(jiān)船動(dòng)力系統(tǒng)布置圖
根據(jù)該船的船型數(shù)據(jù)和總布置情況,對(duì)主機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳、軸系等進(jìn)行定位;通過航速計(jì)算、系柱拖力計(jì)算、軸系校中計(jì)算、軸系回旋振動(dòng)計(jì)算、軸系強(qiáng)度計(jì)算等進(jìn)行了動(dòng)力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和設(shè)備選型;并且對(duì)主推進(jìn)監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了多種模式的控制功能。
主機(jī)發(fā)出的功率N經(jīng)過軸系傳送至螺旋槳,由于軸系的摩擦損失、船體效率及螺旋槳水動(dòng)力損失等因素,真正有效的部分是克服船體阻力使船以額定航速 V前進(jìn)的功率,亦即船的有效功率R0,本船主機(jī)功率計(jì)算考慮舊船改造時(shí)5%的增加阻力,實(shí)際有效功率取1.05R0。
設(shè)計(jì)航速15kn時(shí)的理論有效功率R0取2465kW,軸系效率ηS取0.96,相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηR取0.98,螺旋槳敞水效率η0取0.65,船身效率ηH取1.0359,主機(jī)功率留10%功率裕量。計(jì)算得主機(jī)最小功率為4358kW,本船雙機(jī)雙槳,故單機(jī)功率最小應(yīng)為2179kW。
根據(jù)功率計(jì)算,在現(xiàn)有成熟機(jī)型中選取MAN 7L27/38船用柴油機(jī),其MCR功率為2555kW,額定轉(zhuǎn)速800r/min,該主機(jī)為7缸、四沖程、直列式、直接噴射、增壓中冷、濕式油底殼。該型柴油機(jī)的機(jī)體采用整體剛性化設(shè)計(jì),選用MAN公司的渦輪增壓器,進(jìn)氣過程采用兩級(jí)中冷。主機(jī)安全控制系統(tǒng)采用MAN公司的AT2000系統(tǒng)。
高彈性聯(lián)軸器具有減振降噪、抗沖擊、避免軸系發(fā)生扭振振動(dòng)的功能,且其彈性元件的剛度變化為非線性,故必須由專業(yè)扭振計(jì)算人員進(jìn)行分析和配置,根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)扭振計(jì)算結(jié)果進(jìn)行最終的選型。
本船采用VULKUN的CRS2920型高彈性聯(lián)軸器,用于連接主機(jī)飛輪和齒輪箱輸入法蘭。CRS型高彈性聯(lián)軸器是一種扭轉(zhuǎn)彈性橡膠減振聯(lián)軸器,它能夠補(bǔ)償聯(lián)接機(jī)構(gòu)的徑向、軸向和角向位移。聯(lián)軸器通過受剪切的橡膠元件來傳遞扭矩,可利用不同的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù),來充分調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振特性。
根據(jù)機(jī)艙布置情況、對(duì)齒輪箱的功能需求及螺旋槳的設(shè)計(jì)計(jì)算,在現(xiàn)有定型成熟的齒輪箱系列中進(jìn)行選型。
本船齒輪箱選用GWK5259型齒輪箱(垂直偏心距為590mm)、帶推力軸承,帶主推進(jìn)離合器,離合器可實(shí)現(xiàn)遙控、本地操縱。同時(shí)齒輪箱設(shè)置機(jī)帶泵來提供齒輪箱正常工作時(shí)的潤(rùn)滑油和離合器工作油。齒輪箱減速比~4.105:1,該齒輪箱為1級(jí)減速,齒輪箱輸入軸前、后軸承采用滾動(dòng)軸承,輸出軸前、后軸承采用滑動(dòng)軸承,正、倒車推力軸承采用米歇爾軸承??紤]機(jī)艙冷卻水系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),確定齒輪箱滑油采用主機(jī)低溫淡水進(jìn)行冷卻。
1)調(diào)距槳及軸系的設(shè)計(jì)計(jì)算
在主機(jī)選型確定后,根據(jù)主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速以及航速要求進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計(jì)計(jì)算、系柱拖力計(jì)算、槳葉強(qiáng)度計(jì)算,確定螺旋槳的直徑3.1m、轉(zhuǎn)速196r/min、盤面比0.591、螺距比1.08。
根據(jù)船級(jí)社要求進(jìn)行軸系的設(shè)計(jì)計(jì)算,中國(guó)船級(jí)社對(duì)軸系最小直徑d(mm)的規(guī)定[2]為:
式中,F(xiàn)為柴油機(jī)推進(jìn)裝置,取100;C為不同軸的設(shè)計(jì)特性系數(shù)(整體法蘭式中間軸取 1.0,法蘭聯(lián)接的螺旋槳軸取1.22,螺旋槳軸后軸承位以前部分取1.15);Ne為軸系傳遞的額定功率,kW;ne為軸傳遞的額定轉(zhuǎn)速,r/min;Rm為軸材料的抗拉強(qiáng)度,對(duì)中間軸采用碳錳鋼,取760N/mm2,對(duì)螺旋槳軸,取600N/mm2。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取合適的軸系直徑,并結(jié)合船體結(jié)構(gòu)情況布置軸承位置。對(duì)軸系進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、校中計(jì)算、回旋振動(dòng)計(jì)算,最終確定軸系的尺寸和各支撐的位置。
2)調(diào)距槳及軸系的選型[3]
將原船的定距槳改為調(diào)距槳裝置,采用79KS/4型調(diào)距槳裝置。該裝置由槳轂、槳葉、螺旋槳軸、軸內(nèi)推拉桿、重力油配油環(huán)、夾殼式聯(lián)軸器、變距機(jī)構(gòu)、重力油箱、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。調(diào)距槳的運(yùn)用可更好地發(fā)揮主機(jī)功率,提高動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)性能[4]。
選用該型調(diào)距槳裝置的特點(diǎn)是變距機(jī)構(gòu)(配油軸、變距油缸)作為軸系的一部分,安裝于螺旋槳軸和中間軸之間。中間軸部分可避免開內(nèi)孔,減少了對(duì)原船中間軸的檢修工作,而螺旋槳軸部分也無需提供液壓油,僅需提供槳轂重力油。此型調(diào)距槳裝置的液壓?jiǎn)卧贾迷谠摯翰孔兙鄼C(jī)構(gòu)附近,極好地適應(yīng)了該船現(xiàn)有的艙室結(jié)構(gòu),不占用主機(jī)艙空間,同時(shí)縮短了液壓系統(tǒng)油路。由于螺旋槳軸和變距機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),重力油配油環(huán)、變距機(jī)構(gòu)的液壓油配油環(huán)均需設(shè)置支柱結(jié)構(gòu),以避免跟隨軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。
軸系設(shè)計(jì)計(jì)算完成后,確定軸系附件的安裝位置和型號(hào)規(guī)格。本船軸系附件包括隔艙填料函、軸系制動(dòng)裝置、中間軸承、艏密封裝置、賽龍軸承組件、艉管等。其中艏密封裝置采用水潤(rùn)滑型式,密封帶充氣氣囊,在對(duì)密封裝置進(jìn)行維護(hù)時(shí),可利用充氣氣囊進(jìn)行靜態(tài)密封。密封帶沖洗冷卻水接口,可對(duì)密封環(huán)和前水潤(rùn)滑艉軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。水潤(rùn)滑軸承采用賽龍SXL材料,并進(jìn)行防跟轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),軸承的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮材料的熱脹、水脹性能及最小運(yùn)行間隙要求。艉管裝置設(shè)計(jì)了防止泥沙沉積的沖洗孔,并考慮與船體線型的光順性。
本船動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)包括主機(jī)AT2000系統(tǒng)、齒輪箱及其離合器控制系統(tǒng)、調(diào)距槳控制系統(tǒng)及軸系附件監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)按指令對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制、并有數(shù)據(jù)指示、安全保護(hù)功能,保障動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)操作人員的操作指令安全可靠運(yùn)行。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有信號(hào)采集功能,將采集到的信號(hào)進(jìn)行處理,并通過RS485信號(hào)向機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)輸出螺距、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度及液位信號(hào)和報(bào)警信號(hào),并配置VDR接口。
該船監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)調(diào)距槳的特點(diǎn),具有聯(lián)控、分控、恒轉(zhuǎn)速、應(yīng)急控制四種控制模式。
1)聯(lián)控模式:動(dòng)力系統(tǒng)按照設(shè)定的控制曲線(手柄位置與螺距、主機(jī)轉(zhuǎn)速、航速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線)實(shí)行控制,根據(jù)這些曲線,復(fù)合操縱手柄每個(gè)位置對(duì)應(yīng)一定的主機(jī)轉(zhuǎn)速和與之匹配的螺距,可使主機(jī)始終在最佳負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行。
2)分控模式:調(diào)距槳螺距和主機(jī)轉(zhuǎn)速分別通過操縱面板上的螺距控制手柄和主機(jī)轉(zhuǎn)速加減按鈕來實(shí)現(xiàn)。
3)恒轉(zhuǎn)速模式:主機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定不變,僅調(diào)節(jié)調(diào)距槳螺距,實(shí)現(xiàn)不同船速航行的要求。
4)應(yīng)急模式:主機(jī)轉(zhuǎn)速通過安裝于集控臺(tái)內(nèi)的應(yīng)急控制模塊,限制主機(jī)轉(zhuǎn)速,并通過安裝在駕控臺(tái)和集控臺(tái)上的按鈕直接輸出開關(guān)量信號(hào)對(duì)可調(diào)槳螺距進(jìn)行控制。
本船動(dòng)力系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)充分結(jié)合原船結(jié)構(gòu),保留了原船的軸包支架、軸線布置、并保留了原船的3段中間軸,在設(shè)備與原船接口位置考慮檢修余量,根據(jù)檢修后的尺寸進(jìn)行設(shè)備配合尺寸的最終加工。設(shè)備選型確保技術(shù)性能的同時(shí),綜合考慮了主機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳裝置設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)艙輔助系統(tǒng)的配套需求、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、改裝工作工程量等因素,使設(shè)備與船體結(jié)構(gòu)、機(jī)艙環(huán)境得以良好地適應(yīng)。
動(dòng)力系統(tǒng)集成工作在我國(guó)尚處于發(fā)展階段,而我國(guó)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備商的配套能力相對(duì)比較薄弱。國(guó)外配套商利用設(shè)備、資金、品牌優(yōu)勢(shì)壟斷國(guó)外動(dòng)力系統(tǒng)市場(chǎng)的同時(shí),對(duì)國(guó)內(nèi)船東也具有很大的影響力。
國(guó)內(nèi)的動(dòng)力系統(tǒng)集成商要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中得到發(fā)展,就需要不斷提高設(shè)計(jì)、配套能力,提高設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)手段使動(dòng)力系統(tǒng)集成產(chǎn)品系列化、市場(chǎng)規(guī)范化,要努力掌握動(dòng)力系統(tǒng)集成的核心競(jìng)爭(zhēng)力,在做好常規(guī)柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)集成的同時(shí),致力于電力推進(jìn)、混合動(dòng)力等高新技術(shù)的研究、發(fā)展和應(yīng)用,逐漸形成自己的品牌優(yōu)勢(shì)。
動(dòng)力系統(tǒng)集成工作包括設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)與監(jiān)造、集成配套、服務(wù)、融資墊資、長(zhǎng)期維保服務(wù)等各方面,是一個(gè)長(zhǎng)周期的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)集成商不僅對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé),還需對(duì)設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量、進(jìn)度加強(qiáng)控制,使動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、供貨與船廠進(jìn)度相適應(yīng),保證設(shè)備質(zhì)量、系統(tǒng)性能的同時(shí)縮短船舶建造周期。
最后,隨著我國(guó)海洋維權(quán)執(zhí)法力度的加大和公務(wù)用船量的增加,類似老船集成改造的工作也會(huì)大量出現(xiàn),這無疑也為各集成商提供了發(fā)展的良機(jī)。
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河柴重工首制9L 21/31中速機(jī)曲軸下線
日前,河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司首制9L 21/31曲軸成功下線。該曲軸長(zhǎng)3890mm,凈重1402公斤,無論長(zhǎng)度還是重量,在河柴曲軸加工史上前所未有。它的試制成功,不僅充分證明了河柴領(lǐng)先的工藝水平和生產(chǎn)制造能力,而且為批量生產(chǎn)、擴(kuò)大銷售奠定了基礎(chǔ)。
在9L 21/31曲軸試制過程中,河柴人發(fā)揚(yáng)善打硬仗、敢啃硬骨頭的作風(fēng),克難攻堅(jiān),確保一次成功。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)大型曲軸的設(shè)備均是采用價(jià)值4000多萬元的進(jìn)口隨動(dòng)磨床,而河柴要在價(jià)值600萬元的5米普通磨床上加工超長(zhǎng)曲軸,難度可想而知。
由于該曲軸是首次加工,精度、性能要求嚴(yán)格,制造工藝復(fù)雜,且受曲軸長(zhǎng)度、重量及現(xiàn)有加工設(shè)備局限,要在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成加工任務(wù),難度很大。河柴重工成立9L 21/31曲軸試制小組,借鑒8L 21/31曲軸加工經(jīng)驗(yàn),對(duì)生產(chǎn)中可能預(yù)見的問題充分分析,制定解決方案。
由于是在普通磨床上加工,在精磨連桿頸時(shí),因曲軸自重產(chǎn)生下墜而導(dǎo)致加工尺寸超差,河柴重工發(fā)揮在工藝上的優(yōu)勢(shì),開展技術(shù)攻關(guān),自行設(shè)計(jì)一套磨床偏心滾輪中心架,使加工后的軸頸橢圓度在0.015毫米,保證了加工精度,解決了曲軸加工難題。一道道工序緊鑼密鼓,一次次組織技術(shù)攻關(guān),一個(gè)個(gè)問題迎刃而解,9L 21/31曲軸在完成40多道工序,經(jīng)檢驗(yàn)合格后順利入庫(kù)。
21/31、16/24系列中速機(jī)是河柴重工2007年從德國(guó)MAN公司引進(jìn)的國(guó)際領(lǐng)先產(chǎn)品。現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系列6種機(jī)型的批量生產(chǎn),使河柴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得以重大調(diào)整,在船舶市場(chǎng)的地位更加牢固。尤其是在應(yīng)對(duì)金融危機(jī)中,中速機(jī)在抵御市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)、支撐企業(yè)發(fā)展的作用愈加顯現(xiàn)。此次研制成功9L 21/31曲軸,必將加快河柴中速機(jī)產(chǎn)品系列化步伐,拉長(zhǎng)產(chǎn)品鏈條,拓寬市場(chǎng)領(lǐng)域。
江蘇兆勝輕油冷卻系統(tǒng)走進(jìn)全球市場(chǎng)
據(jù)報(bào)道,江蘇兆勝空調(diào)有限公司是我國(guó)專業(yè)的船用空調(diào)、冷藏、通風(fēng)設(shè)備制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商,是“世界級(jí)的先進(jìn)特種空調(diào)制造基地”。2010年,江蘇兆勝僅用3個(gè)月就成功研制生產(chǎn)出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)輕油冷卻系統(tǒng),其性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,并順利通過了法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)船級(jí)社的權(quán)威認(rèn)證。
2011年7月,輕油冷卻系統(tǒng)成功申報(bào)為江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)裝置用于船舶燃油冷卻系統(tǒng),能夠精確地控制出口燃油溫度在2℃以內(nèi),同時(shí)能夠滿足不同出油溫度要求,彌補(bǔ)了以往海水直接冷卻、控制精度不高且在部分海域無法正常工作的缺陷。該冷卻系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)度與國(guó)際同步,據(jù)統(tǒng)計(jì),目前生產(chǎn)輕油冷卻系統(tǒng)的企業(yè)全球僅有20多家。
江蘇兆勝生產(chǎn)的船用輕油冷卻系統(tǒng)價(jià)格只有國(guó)際同類產(chǎn)品的一半,因而迅速打開了全球市場(chǎng)。目前,江蘇兆勝已成為中海運(yùn)、中遠(yuǎn)、馬士基等國(guó)內(nèi)外知名遠(yuǎn)洋運(yùn)輸物流企業(yè)的配套企業(yè),產(chǎn)品遠(yuǎn)銷20多個(gè)國(guó)家和地區(qū),企業(yè)的生產(chǎn)訂單已排至2013年上半年。
Summary of Propulsion Integration Design of Ocean Surveillance Vessel
QIU Li-hui1, ZHANG Jun-wu2
(1. SMMC Marine Drive Systems Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215126, China; 2. Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031, China)
With the development of China in marine industry, propulsion system integration design and supplement has been accepted by more and more ship owners. This paper introduces the integration design of the propulsion system for a ocean surveillance vessel, stressed the buildup and characteristics of the system, and stated the foreground of integration work. It is useful for ship designer, manufacturer and ship owner.
ocean surveillance vessel; propulsion system; integration design
U664.81
A
邱黎輝(1963-),女,高級(jí)工程師。研究方向:船船特種推進(jìn)裝置。