36000dwt多用途船動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)研究

王建政，李善從，王 濤，付軍濤

（滬東重機(jī)有限公司，上海 200129）

輪機(jī)與輔機(jī)

36000dwt多用途船動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)研究

王建政，李善從，王 濤，付軍濤

（滬東重機(jī)有限公司，上海 200129）

根據(jù)36000dwt多用途船主推進(jìn)系統(tǒng)任務(wù)書和船級(jí)社要求，基于船型參數(shù)，分別運(yùn)用HydroComp軟件和ShipPower軟件進(jìn)行船舶阻力計(jì)算及對(duì)比分析，以獲取船舶阻力；基于船舶阻力，運(yùn)用HydroComp軟件進(jìn)行船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)，以獲取主機(jī)功率及螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速；綜合考慮主機(jī)功率、螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速、初始投資、油耗、質(zhì)量及功率儲(chǔ)備等因素進(jìn)行主機(jī)選型分析，以確定主機(jī)型號(hào)；基于主機(jī)型號(hào)及船舶阻力，運(yùn)用HydroComp軟件進(jìn)行船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)，以獲取螺旋槳槳徑、螺旋槳平均螺距、螺旋槳盤面比及螺旋槳效率等主要參數(shù)；基于船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行軸系初步設(shè)計(jì)，以確定軸系軸徑并最終完成該船方案設(shè)計(jì)研究。研究結(jié)果表明，該方案設(shè)計(jì)不僅滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，還可據(jù)此確定主機(jī)型號(hào)、軸系和螺旋槳的基本參數(shù)，完成動(dòng)力系統(tǒng)的報(bào)價(jià)，進(jìn)行主機(jī)、軸系毛坯及螺旋槳等長(zhǎng)周期零部件的訂貨。

動(dòng)力機(jī)械工程；動(dòng)力系統(tǒng)；集成；方案設(shè)計(jì)；hydroComp

0 引 言

船舶動(dòng)力系統(tǒng)涉及船舶營(yíng)運(yùn)過程中各種能量的產(chǎn)生、傳遞及消耗，是保證船舶安全、經(jīng)濟(jì)航行的核心部件?，F(xiàn)階段我國(guó)造船企業(yè)對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的配置普遍采用傳統(tǒng)的多方設(shè)計(jì)、多家供貨模式。據(jù)調(diào)研，該模式后期很容易招致試航達(dá)不到設(shè)計(jì)航速、槳重/槳輕、軸系振動(dòng)達(dá)不到船級(jí)社要求、主機(jī)油耗高及主機(jī)異常噪聲等一系列問題。這些問題的產(chǎn)生固然有制造和安裝等方面的因素，更有船舶動(dòng)力系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方面的原因，但因設(shè)計(jì)與供貨不統(tǒng)一，造船企業(yè)很難排查引發(fā)這些問題的真正原因，也就很難追究各配套商的相關(guān)責(zé)任，最后往往產(chǎn)生爭(zhēng)端。

鑒于此，對(duì)于船舶動(dòng)力系統(tǒng)集成，由一個(gè)集成商來負(fù)責(zé)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)、集成供貨、安裝指導(dǎo)及后期服務(wù)，同時(shí)承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。這種模式早年在國(guó)外率先興起，現(xiàn)已盛行；目前國(guó)內(nèi)越來越多的船東/船企開始嘗試這種模式?；诩缮痰拇皠?dòng)力系統(tǒng)集成，擔(dān)保的不僅僅是供貨責(zé)任，更重要的是統(tǒng)一的匹配設(shè)計(jì)、集成供貨、安裝指導(dǎo)及后期服務(wù)，可促使船舶對(duì)環(huán)境更友好、營(yíng)運(yùn)更經(jīng)濟(jì)、航行更安全。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目主要是對(duì)36000dwt多用途船動(dòng)力系統(tǒng)集成方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。該船采用單機(jī)單槳固定螺距推進(jìn)器（Fixed Pitch Propeller，F(xiàn)PP）、單軸系，入級(jí)中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society, CCS）。

設(shè)計(jì)任務(wù)書要求：船舶設(shè)計(jì)吃水11m時(shí)，主機(jī)CSR（Continuous Service Rating）為5081kW（89.1r/min），需達(dá)到服務(wù)航速14kn；主機(jī)CMCR（Contract Maximus Continuous Rating）為6960kW（89.1r/min）；主機(jī)MCR（Nominal Maximus Continuous Rating）為9960kW（124r/min）。

船級(jí)社冰區(qū)要求：Class B。

這里基于某船主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書和CCS規(guī)范[1]要求，從船舶阻力計(jì)算、船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)、主機(jī)選型分析、船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)和軸系初步設(shè)計(jì)等5個(gè)方面進(jìn)行船舶動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)研究。

2 船舶動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)

船舶動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)包括確定主機(jī)型號(hào)、螺旋槳主要參數(shù)、中間軸主要參數(shù)、螺旋槳軸主要參數(shù)和軸系布置圖。

2.1 船舶阻力計(jì)算

2.1.1 計(jì)算目標(biāo)

正確預(yù)報(bào)船舶阻力是方案設(shè)計(jì)的第一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在概念設(shè)計(jì)階段，雖然船舶主尺度和船型系數(shù)已經(jīng)確定，但是船舶線型尚未確定，故不適合運(yùn)用最為精確的船模試驗(yàn)方法來進(jìn)行船舶阻力預(yù)報(bào)。對(duì)此，采用基于船模試驗(yàn)及理論分析的專業(yè)軟件進(jìn)行船舶阻力計(jì)算，主要目標(biāo)是正確計(jì)算船舶阻力（船舶有效功率）隨航速的變化規(guī)律。

2.1.2 計(jì)算過程

根據(jù)船長(zhǎng)、船寬、排水量、棱形系數(shù)、方形系數(shù)、水線面系數(shù)、中橫剖面系數(shù)、舭部形狀、浮心及漂心位置和服務(wù)航速等船型數(shù)據(jù)[2]，分別采用HydroComp及ShipPower等專業(yè)軟件進(jìn)行船舶阻力計(jì)算，并進(jìn)行對(duì)比分析[3]。船舶阻力HydroComp計(jì)算結(jié)果見表1，ShipPower計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 船舶阻力HydroComp計(jì)算結(jié)果

表2 船舶阻力ShipPower計(jì)算結(jié)果

2.1.3 計(jì)算結(jié)果分析

為達(dá)到服務(wù)航速14kn，對(duì)船舶阻力及船舶有效功率HydroComp與ShipPower計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見表3）。

表3 服務(wù)航速14kn時(shí)HydroComp與ShipPower計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表3可知，針對(duì)該項(xiàng)目，利用2款專業(yè)軟件得到的計(jì)算結(jié)果極為接近，因此基于HydroComp計(jì)算結(jié)果進(jìn)行該方案的設(shè)計(jì)的下一步設(shè)計(jì)。

2.2 船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于船舶有效功率、設(shè)計(jì)任務(wù)書對(duì)航速的要求及容許的螺旋槳最大直徑初選槳型，最終確定主機(jī)功率和螺旋槳最佳轉(zhuǎn)速。

2.2.2 設(shè)計(jì)過程

1) 基于艉部線型及CCS規(guī)范算出容許的螺旋槳最大直徑為6.3m；

2) 采用HydroComp軟件，選用B型槳進(jìn)行船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見表4[4]。

表4 船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)HydroComp計(jì)算結(jié)果

2.2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)任務(wù)書要求對(duì)比見表5。

表5 服務(wù)航速14kn時(shí)初始設(shè)計(jì)結(jié)果與任務(wù)書要求對(duì)比

表6 主機(jī)選型對(duì)比

由表5可知，針對(duì)該項(xiàng)目，初始設(shè)計(jì)結(jié)果滿足任務(wù)書要求，因此基于HydroComp計(jì)算結(jié)果進(jìn)行該方案設(shè)計(jì)的下一步設(shè)計(jì)。

2.3 主機(jī)選型分析

2.3.1 分析目標(biāo)

基于船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮技術(shù)要求、初始投資、油耗、質(zhì)量和功率儲(chǔ)備等多方面因素確定主機(jī)型號(hào)。

2.3.2 分析過程

結(jié)合船機(jī)槳匹配初始設(shè)計(jì)結(jié)果，基于設(shè)計(jì)任務(wù)書要求（船舶達(dá)到設(shè)計(jì)吃水為 11m，主機(jī) CMCR為6960kW（89.1r/min）），從MAN和W?rtsil?主機(jī)庫中進(jìn)行主機(jī)選型分析，選出6G50ME-B和6RT-Flex50B這2種候選機(jī)型。主機(jī)選型對(duì)比見表6。

2.3.3 選型結(jié)果分析

由表6中對(duì)候選機(jī)型的對(duì)比分析可知，由于6RT-Flex50B在初始投資、自重和油耗等方面較6G50ME-B占優(yōu)，因此主機(jī)選用6RT-Flex50B。

2.4 船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)

2.4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)為：基于選定的主機(jī)（主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速）和船舶有效功率曲線確定船舶所能達(dá)到的最大航速及螺旋槳參數(shù)（包括槳徑、螺距比、盤面比及螺旋槳效率等），同時(shí)保證所設(shè)計(jì)的螺旋槳滿足空泡要求[5]。

2.4.2 設(shè)計(jì)過程

采用HydroComp軟件進(jìn)行船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果見表7和表8[6]。

表7 終結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果——推進(jìn)參數(shù)

表8 終結(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果——螺旋槳參數(shù)

2.4.3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

服務(wù)航速為14kn時(shí)船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)任務(wù)書要求對(duì)比見表9。

表9 服務(wù)航速為14kn時(shí)船機(jī)槳匹配終結(jié)設(shè)計(jì)結(jié)果與任務(wù)書要求對(duì)比

由表7～表9可知，在滿足空泡要求的前提下，所設(shè)計(jì)的螺旋槳（槳徑6.3m，盤面比0.44，螺距比0.6985，螺旋槳淌水效率0.6196）能保證在主機(jī)功率為5073.2kW（此時(shí)主機(jī)轉(zhuǎn)速為89r/min)時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)航速14kn，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 軸系初步設(shè)計(jì)

2.5.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

軸系初步設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是確定軸系布置形式、各軸段連接方式和軸系軸徑。

2.5.2 設(shè)計(jì)過程

軸系軸徑計(jì)算采用CCS規(guī)范的推薦公式，即

式（1）中：d為軸的基本直徑，mm；F為推進(jìn)裝置型式參數(shù)， 100F= 適用于柴油機(jī)推進(jìn)裝置和所有螺旋槳軸；ep為軸傳遞的額定功率，kW；en為軸傳遞的額定轉(zhuǎn)速，r/min）；bσ為軸材料的抗拉強(qiáng)度，N/mm2；C為設(shè)計(jì)特性系數(shù)， 1.22C= 適用于法蘭連接的螺旋槳軸， 1C=適用于具有整體連接法蘭的中間軸。

通過計(jì)算得到螺旋槳軸基本直徑為475mm，中間軸基本直徑為389mm?？紤]到該船的冰區(qū)要求為B級(jí)，適當(dāng)考慮余量，螺旋槳軸基本直徑取490mm，中間軸基本直徑為410mm。設(shè)計(jì)的螺旋槳軸見圖1，中間軸見圖2[7]。

3 結(jié) 語

針對(duì)36000dwt多用途船動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究?；谠摷夹g(shù)方案可以確定主機(jī)型號(hào)、軸系和螺旋槳的基本參數(shù)，完成動(dòng)力系統(tǒng)的報(bào)價(jià)，進(jìn)行主機(jī)、軸系毛坯及螺旋槳等長(zhǎng)周期零部件的訂貨。同時(shí)，該方案設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路可為今后類似船舶的方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 船舶入級(jí)和建造規(guī)范[S]. 2010.

[2] 何廣韜. 船舶主尺度測(cè)量方法與精度控制[J]. 船舶與海洋工程，2013, 29 (3)： 54-58.

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[4] 王建政. 船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件開發(fā)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

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[6] 王建政，王藝真，張文平，等. 船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件研究開發(fā)[J]. 船舶與海洋工程，2014, 30 (1)： 45-49.

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Study on the Power System Integration Design of a 36000dwt Multi-Purpose Vessel

WANG Jian-zheng，LI Shan-cong，WANG Tao，F(xiàn)U Jun-tao
（Hudong Heavy Machinery Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

According to the specifications of the main propulsion system and the rules of classification for the 36000dwt multi-purpose vessel, resistance computations are performed with HydroComp software and ShipPower software on the basis of hull parameters in order to obtain the resistance of the ship. Then, HydroComp software is used again for the preliminary design of hull-engine-propeller matching based on the resistance obtained to define the power of the main engine and the optimal rpm of the propeller. After that, main engine could be selected with a comprehensive consideration on engine power, propeller, optimal rpm, initial investment, fuel consumption, weight, sea margin and etc. HydroComp software is also used for the final design of hull-engine-propeller matching according to the main engine selected and the ship resistance in order to define the main parameters of the propeller such as diameter, average pitch, area ratio and efficiencies. Finally, shaft system preliminary design is performed in accordance with the classification rules to determine the shaft diameter and thus ship design is accomplished. The result shows that the design can meet the requirements of the specifications and the parameters can be used as the base of both the quotation of power system and the purchase of main engine, shaft system and propeller.

machinery engineering; power system; integration; project design; HydroComp

U664.1；U674.13+8

A

2095-4069 (2017) 01-0023-08

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.005

2015-10-22

王建政，男，工程師，1983年生。2012年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、服務(wù)一體化研究工作。