3 000 t級公務(wù)船主推進系統(tǒng)集成技術(shù)研究

陳觀富　姬換霞　莫臣兵

摘 要：隨著船舶主推進裝置系統(tǒng)化、高端化、復(fù)雜化發(fā)展，主推進系統(tǒng)集成化設(shè)計和供貨已逐漸為廣大船東所接收。本文結(jié)合3 000 t級公務(wù)船主推進系統(tǒng)集成項目，對主推進系統(tǒng)集成設(shè)計理念和技術(shù)特點進行論述。

關(guān)鍵詞：公務(wù)船；主推進系統(tǒng)；集成技術(shù)；雙機雙可調(diào)槳

中圖分類號：U661.34 文獻標(biāo)識碼：A

Research on The Integrated Design of 3 000 t Official Ship Main Propulsion System

CHEN GuanFu， JI Huanxia， MO Chenbing

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd. Guangzhou 510715 ）

Abstract： With the ship main propulsion device toward the systematic and sophisticated development， the integrated design and supply of the main propulsion system has been gradually accepted by majority of owners. This article combined with the 3000 ton official main propulsion system integration project， discusses the main propulsion system design concept and design features.

Key words： official ship； main propulsion system； integration design； double engine double controllable pitch propeller propulsion

1 前言

近年來，中國周邊海上環(huán)境形勢錯綜復(fù)雜，海洋權(quán)益面臨嚴重的威脅和挑戰(zhàn)，大力建設(shè)性能優(yōu)越的公務(wù)船舶勢在必行，3 000 t級公務(wù)船建造項目在此環(huán)境下應(yīng)運而生。本船主推進系統(tǒng)選用國內(nèi)外逐漸流行的集成設(shè)計與供貨方式，通過對各設(shè)備進行優(yōu)化選型和系統(tǒng)匹配，在給定的約束條件下提供先進、適用的全系統(tǒng)解決方案，有效提高了匹配性能，優(yōu)化了系統(tǒng)適用性。

2 主推進系統(tǒng)集成設(shè)計

2.1 系統(tǒng)配置和特點

主推進系統(tǒng)主要由柴油機、軸系及附件、傳動設(shè)備、推進器和控制系統(tǒng)組成，其設(shè)計的好壞直接影響到船舶的機動性、濟濟性、可靠性。采用系統(tǒng)集成，可以解決主機系統(tǒng)設(shè)計、制造、安裝和維修的關(guān)鍵技術(shù)，提高產(chǎn)品本土化率。

結(jié)合本船需要有較高的機動性運行要求，決定選用可靈活操作的雙中速機、雙可調(diào)槳主推進系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包含以下主要設(shè)備：主機2臺、齒輪箱2臺、軸系及附件2套、可調(diào)槳2套、油潤滑尾管及軸承2套、軸帶發(fā)電機2臺、高彈性聯(lián)軸器4只。圖1為本船主推進系統(tǒng)布置圖。

本系統(tǒng)配置具有如下優(yōu)點：

（1）主機和齒輪箱可在不停機換向的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)可調(diào)槳正倒車螺距，實現(xiàn)船舶快速前進和后退，操縱靈活；

（2）齒輪箱內(nèi)置離合器，可實現(xiàn)主機不帶負載啟動，方便系統(tǒng)調(diào)試與檢查；

（3）主機自由端驅(qū)動軸帶發(fā)電機，在巡航過程通過軸帶發(fā)電機替代柴油發(fā)電機組為船舶供電，可提高主機運行負荷、降低排放、節(jié)約能耗；

（4）采用油潤滑型式尾管及軸承，可提高推進效率、降低軸系損傷風(fēng)險；

（5）通過高彈性聯(lián)軸器，補償主機和受力設(shè)備（齒輪箱和軸帶發(fā)電機）的軸向和徑向位移，調(diào)節(jié)主推進系統(tǒng)扭振特性。

2.2系統(tǒng)設(shè)備選型

主推進系統(tǒng)集成選型，最為關(guān)鍵的是確定主推進柴油機的功率，它主要取決于設(shè)計航速及船模試驗數(shù)據(jù)，再根據(jù)柴油機功率和其它因素影響，進行其它設(shè)備的定型。

本船航速要求≮21 kn（主機95%MCR推進工況），巡航航速要求為16 kn。根據(jù)船模試驗數(shù)據(jù)對功率進行估算，見圖2。

從圖2可以得出主機額定功率至少需4 010 kW（3810 kW/95%），并從以下幾方面綜合考慮來進行主機選型：

（1）主機額定功率/轉(zhuǎn)速、外形尺寸、油耗、重量等；

（2）設(shè)備及主要零部件國產(chǎn)化情況；

（3）服務(wù)保障條件。

最終選用額定功率為4 500 kW的國產(chǎn)9L32/40柴油機作為本船主機。

主機選定后，考慮傳動裝置運行損耗，在保證效率的情況下，盡量避免螺旋槳產(chǎn)生空泡、減少誘導(dǎo)振動，確定設(shè)計槳徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。再根據(jù)主機參數(shù)、螺旋槳參數(shù)和機艙布置要求，設(shè)計齒輪箱偏心距、減速比等。

2.3 主推進輔助系統(tǒng)設(shè)計

主推進輔助系統(tǒng)主要由以下部分組成：燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、啟動空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等。本文以冷卻水系統(tǒng)為例闡述系統(tǒng)設(shè)計。

主推進系統(tǒng)設(shè)備運行時，會產(chǎn)生大量的熱量，如柴油機、齒輪箱、可調(diào)槳液壓站和中間軸承等。在運行過程中，因燃燒、摩擦等產(chǎn)生的熱量會使金屬產(chǎn)生疲勞，或使機械的過熱保護裝置啟動，如軸承會因過熱導(dǎo)致燒損、主機會因高溫水溫度過高導(dǎo)致啟動降負荷動作，所以需要設(shè)計合理的冷卻系統(tǒng)。

船舶冷卻系統(tǒng)分為開式冷卻系統(tǒng)和閉式冷卻水系統(tǒng)，閉式冷卻水系統(tǒng)又分為常規(guī)冷卻水系統(tǒng)、中央冷卻水系統(tǒng)和混合式冷卻水系統(tǒng)。本船主推進系統(tǒng)設(shè)計為利用海水作為冷卻介質(zhì)進行熱交換的混合式冷卻水系統(tǒng)，每臺推進主機獨立成為一整體，可以互為備用，通過集成設(shè)計保證系統(tǒng)和設(shè)備在一個正常穩(wěn)定的工況下工作。

2.4系統(tǒng)校核計算

通過主推進系統(tǒng)扭振計算、回旋振動計算和校中計算，校核系統(tǒng)設(shè)計合理性及船機槳匹配程度。

（1）利用解析法，分別針對主推進系統(tǒng)柴油機帶滿螺距螺旋槳和發(fā)電機、柴油機帶零螺距螺旋槳和發(fā)電機、單獨發(fā)電和脫排等4個工況，進行自由振動和強迫振動計算分析。結(jié)果表明：① 在柴油機正常發(fā)火情況及一缸熄火情況下，在柴油機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機曲軸、中間軸、螺旋槳軸和電機軸等軸段扭振應(yīng)力均未超過許用值；② 高彈性聯(lián)軸器的振動轉(zhuǎn)矩和齒輪箱齒輪處的振動轉(zhuǎn)矩未超過允許值；③ 發(fā)電機轉(zhuǎn)子的電角及慣性力矩也未超過許用值。因此，本船可實現(xiàn)無禁區(qū)運行。

（2）通過軸系校中計算，結(jié)果表明：① 每個軸承的應(yīng)力均為正反力，且不小于相鄰兩跨軸重量的20%；②大齒輪前后軸承的反力差不大于兩軸承之間軸端及大齒輪重量的20%； ③ 后尾管軸承與尾軸間相對傾角為5.7×10-4 rad，大于船檢規(guī)范要求的3.5×10-4 rad，因此對后尾管軸承內(nèi)孔作了0.4 mm/m的斜鏜處理；④ 軸承比壓和軸系附件彎曲應(yīng)力計算值，見表1和表2，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

3 主推進系統(tǒng)集成施工安裝

通過系統(tǒng)集成解決了多個設(shè)備的匹配和接口問題，船廠根據(jù)制定的《主推進系統(tǒng)安裝工藝》進行現(xiàn)場施工，主要內(nèi)容如下：

（1）設(shè)備的入庫報驗，根據(jù)提供整套系統(tǒng)的供貨單進行設(shè)備清點，避免附件的遺漏；

（2）根據(jù)提供的圖紙進行整個軸線的初定位，焊裝設(shè)備的基座、美人架、尾管定位、焊接；

（3）軸線的精確定位后進行尾管鏜孔，安裝軸承；

（4）吊裝主機、推進器、軸系、齒輪箱和軸發(fā)；

（5）按照圖紙進行整個軸系的對中，確定相對位置以尾軸為基準(zhǔn)開始向前進行對中，保證各個外圓和開口在允許的范圍內(nèi)；

（6）下水后采用負荷稱重法來合理的校中，數(shù)據(jù)必須在設(shè)計范圍內(nèi)；

（7）合格后進行螺孔鉆孔、墊片的灌注；連接各個螺栓；

（8）附件和系統(tǒng)的連接；

（9）控制系統(tǒng)的安裝和接線。

在施工過程中，嚴格控制各個數(shù)據(jù)在圖紙和工藝要求范圍內(nèi)，安裝的各個參數(shù)和數(shù)據(jù)均在設(shè)計范圍內(nèi)。

4 主推進系統(tǒng)集成試驗驗證

通過系統(tǒng)集成規(guī)范化進度、生產(chǎn)過程質(zhì)量監(jiān)控，并通過出廠試驗的設(shè)備到廠后，由船廠按照施工工藝完成設(shè)備安裝及檢驗。然后按照主推進系統(tǒng)系泊和航行試驗大綱進行實船檢驗，驗證本船主推進系統(tǒng)的可靠性和先進性。

通過系泊試驗，驗證設(shè)備安全報警和監(jiān)測功能正常，低負荷碼頭帶載試驗時各設(shè)備運行正常。

通過航行試驗得出如下結(jié)論：雙主機95%負荷情況下，測得船舶航速為20.5 kn，超出設(shè)計要求；通過測試記錄，得出聯(lián)控模式下能有效節(jié)油；通過各工況下軸功率測試，主機功率得到有效輸出、推進效率較高。

5 結(jié)論

本船采用主推進系統(tǒng)集成設(shè)計與供貨，為用戶提供先進適用的系統(tǒng)解決方案和全壽命、專業(yè)、快捷的一門式服務(wù)，有效減輕了船廠、設(shè)計院和船東的工作量。

本船主推進系統(tǒng)，充分利用系統(tǒng)集成責(zé)任單位領(lǐng)先的專業(yè)優(yōu)勢和豐富經(jīng)驗，協(xié)助用戶對主推進系統(tǒng)各主要設(shè)備進行全面、客觀的論證，在滿足總體要求和用戶需求的基礎(chǔ)上，提供動力系統(tǒng)匹配及設(shè)備選型建議，使整個動力系統(tǒng)配置更合理、更優(yōu)化，獲得性價比最高、最優(yōu)化的動力系統(tǒng)整體解決方案。

主推進系統(tǒng)集成，不僅是集成供貨和優(yōu)化，還可為用戶提供節(jié)能環(huán)保、低噪聲等特色設(shè)計，為用戶設(shè)計新型的先進系統(tǒng)。經(jīng)過實際項目實施和實船運行驗證，主推進系統(tǒng)集成確實起到了優(yōu)化設(shè)計、提高工程效率等作用，為后續(xù)船舶建造提供參考與指導(dǎo)。

參考文獻

[1] 船舶設(shè)計實用手冊[M].中國交通科技出版社，2007.

[2] 中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范2012[M].人民交通出版社，2012.