動力系統(tǒng)集成方案設(shè)計研究

陸 鵬，孫 偉，張博倫，王金亭

(中國船舶重工集團有限公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

某外貿(mào)船主推進系統(tǒng)采用雙機雙槳型式，主要包含2臺主機、2臺齒輪箱、2套軸系及調(diào)距槳裝置（含軸系附件）、2套中間傳動部件、1套主推進系統(tǒng)控制和監(jiān)測裝置。這里動力系統(tǒng)集成方案設(shè)計[1]需滿足設(shè)計任務(wù)書和CCS規(guī)范[2]要求，系統(tǒng)簡圖見圖1。

主機采用高速機，每臺通過高彈性聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱相連；為了減少齒輪箱的復(fù)雜度，2臺主機設(shè)置相反2種不同轉(zhuǎn)向。

中間傳動部件包括高彈性聯(lián)軸器、萬向聯(lián)軸器和推力軸承。柴油機與齒輪箱之間通過高彈性聯(lián)軸器聯(lián)接。齒輪箱通過萬向聯(lián)軸器和推力軸承與配油軸聯(lián)接，這樣保證了齒輪箱與軸系的非直線傳動。降低變動扭矩、改善了齒輪箱工作條件，補償了設(shè)備軸向和徑向位移，并調(diào)節(jié)扭振特性。

根據(jù)總體布置要求，齒輪箱為一進一出型式；軸系將推力傳遞給推力軸承以隔離螺旋槳的軸向推力向主機傳遞。齒輪箱的前端配置摩擦片離合器。

螺旋槳采用調(diào)距槳，俯視內(nèi)旋，不帶導(dǎo)管；按照計算獲得的船體阻力進行船機槳匹配后，確定最佳的螺旋槳參數(shù)。軸系包括配油軸、尾軸、推進器軸、調(diào)距槳裝置及軸系附件。主推進系統(tǒng)設(shè)駕駛室、機艙集控室和機旁3個固定控制站，控制站間可相互轉(zhuǎn)換，控制優(yōu)先級機旁高于機艙集控室，機艙集控室高于駕駛室。各控制站采用手柄、旋鈕、按鈕及轉(zhuǎn)換開關(guān)等操作終端對柴油機、齒輪箱、調(diào)距槳等設(shè)備進行操縱控制，實現(xiàn)對設(shè)備在機旁、集控室、駕駛室的監(jiān)測操控。

通常，在已知少量設(shè)計輸入條件的情況下，對動力系統(tǒng)[3]集成方案進行設(shè)計研究比較困難。應(yīng)首先確定該船的阻力以獲得船體有效功率曲線；再對該船進行機槳匹配設(shè)計計算，初步匹配獲取主機推薦裝機功率；然后進行終結(jié)匹來確定螺旋槳最佳效率和最大航速等數(shù)據(jù)；最后通過設(shè)備選型和軸系計算，可最終確定推進動力系統(tǒng)配置及設(shè)計方案。

應(yīng)用自主開發(fā)的動力模塊設(shè)計平臺軟件，集成螺旋槳圖譜法，可進行機槳匹配[4]設(shè)計計算。再通過方案評估和設(shè)備選型，確定動力系統(tǒng)方案。軟件結(jié)構(gòu)為樹狀，主要功能模塊見圖2。設(shè)計平臺軟件主要包含方案設(shè)計、多方案評估、設(shè)備選型及軸系相關(guān)計算等功能模塊。

該動力模塊設(shè)計平臺軟件是一個綜合軟件，在VB.net環(huán)境下編制完成，軟件涵蓋了人機交互、文件處理、數(shù)據(jù)庫調(diào)用、動力系統(tǒng)方案設(shè)計、軸系校核計算、多方案評估、設(shè)計報告輸出等。對該外貿(mào)船在已知條件不充分的情況，進行機槳初步匹配計算、終結(jié)匹配計算、設(shè)備選型、方案評估等設(shè)計研究，實現(xiàn)動力系統(tǒng)集成方案設(shè)計過程。

1 有效功率曲線的獲取

有效功率與船體阻力息息相關(guān)，應(yīng)用成熟的Ship-Power和NavCad商業(yè)軟件對該外貿(mào)船進行阻力-航速計算，從而可獲得其阻力及有效功率值，一般該值由船模試驗[5]給出。已知的船型數(shù)據(jù)[6]見表1和表2。

表 1 船體參數(shù)Tab. 1 Parameters of hull

表 2 螺旋槳參數(shù)Tab. 2 Propeller parameters

由于已知參數(shù)相對較少，以及為方便2種設(shè)計軟件的結(jié)果比較，對ShipPower和NavCad軟件均采用其各自內(nèi)置的Holtrop算法，而兩者的輸入條件不盡相同。Holtrop算法對船型適用范圍廣，要求輸入?yún)?shù)量較少，對于傅汝德系數(shù)Fn（ ）范圍為0.00～0.45；棱形系數(shù)Cp（）范圍為0.55～0.85；尺度比Lwl/B范圍為3.90～9.50；尺度比B/T在2.10～4.00的船型可廣泛適用。經(jīng)過輸入ShipPower和NavCad軟件計算獲得表3的不同航速下的船體阻力；同時也可以獲得船體有效功率值(見圖3)。通過簡單對比，兩者的計算結(jié)果相對誤差均小于5%，本文采用的有效功率數(shù)據(jù)為ShipPower獲得。

表 3 船體航速-阻力計算結(jié)果表Tab. 3 Hull speed - resistance calculation results table

2 設(shè)計平臺軟件實現(xiàn)初步匹配計算

初步匹配需已知船體主尺度、船體的有效功率曲線Pe（見圖3）、船舶要求的設(shè)計航速Vs，螺旋槳的直徑D（或轉(zhuǎn)速n），通過已知螺旋槳槳譜，這里選用B型槳，從而初步確定所需主機的功率，最為主機選型的依據(jù)。

初步匹配設(shè)計的設(shè)計思想為：在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，令機槳功率匹配，求得各轉(zhuǎn)速對應(yīng)的槳參數(shù)，從中找到效率最大點，該點對應(yīng)的槳及主機即為所求。本設(shè)計已知螺旋槳直徑D，則初步匹配計算依照表4所列步驟進行，計算機自動設(shè)計計算流程如圖4所示，而最終結(jié)果由圖5確定。

設(shè)計平臺軟件按照表4的設(shè)計步驟和圖4的迭代循環(huán)計算流程自動進行計算，可以最終獲得初步匹配的設(shè)計結(jié)果(見圖5)。獲得主機功率的參考值5 063.96 kW，并據(jù)此進行設(shè)備選型，選擇一定型號的主機后（這里暫定16PA6V-280STC），系統(tǒng)會從設(shè)備數(shù)據(jù)庫中調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)自動填入選型結(jié)果中，具體選型步驟后續(xù)說明。

3 設(shè)計平臺軟件實現(xiàn)終結(jié)匹配計算

通常，按所需主機的功率與轉(zhuǎn)速選用現(xiàn)成的、標準型的主機與傳動設(shè)備，故最后選定的主機其功率和轉(zhuǎn)速與初步匹配設(shè)計時可能不相同。根據(jù)選定主機的功率與轉(zhuǎn)速，傳動設(shè)備與軸系的傳送效率ηs，算得槳的收到功率Pd、槳的效率η0、船身效率ηh等，計算船舶所能達到的航速和螺旋槳的最佳效率。該外貿(mào)船的終結(jié)匹配計算是已知主機功率Ps、轉(zhuǎn)速n和船舶的有效功率曲線，從而確定該船所能達到的最高航速V、螺旋槳直徑D、螺距比及螺旋槳效率η。

表 4 初步匹配計算（直徑D給定）Tab. 4 Preliminary match calculation （diameter D given）

終結(jié)匹配設(shè)計的設(shè)計流程見圖6，其計算結(jié)果如圖7所示。

設(shè)計平臺軟件按照上述設(shè)計步驟和迭代循環(huán)計算流程自動進行計算，可以獲得終結(jié)匹配的設(shè)計結(jié)果。對于暫定主機為：16PA6V -280STC，額定功率 5 184 kW，額定轉(zhuǎn)速 1 050 r/min以及按照已知螺旋槳直徑 D=2.85 m，但盤面比未知以及轉(zhuǎn)速一定范圍的情況進行設(shè)計計算，在滿足空泡校核的要求下，尋找合適的傳動比對應(yīng)的最大航速和敞水效率(見圖8)。

此外，本外貿(mào)船的設(shè)計要求為：在規(guī)定的測速試驗條件下，軸轉(zhuǎn)速約300 r/min，主機最大功率留有不少于5%的儲備條件下，船的最大航速不小于25.0 kn，螺旋槳效率不小于0.68。分別對減速比為3～3.6的情況進行終結(jié)匹配計算分析，如表5所示。

從表5計算的結(jié)果可知：在轉(zhuǎn)速比為3.4時，獲得最大航速25.957 kn（大于設(shè)計要求的25 kn），此時的螺旋槳的敞水效率也最大0.705（大于設(shè)計要求的0.68），轉(zhuǎn)速比為3.4時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速308 r/min（滿足軸轉(zhuǎn)速約在300 r/min的條件）。上述終結(jié)匹配的計算結(jié)果均滿足設(shè)計要求，從而轉(zhuǎn)速比可以確認，選擇一款相應(yīng)的減速齒輪箱的重要條件就確定了。

表 5 終結(jié)匹配計算結(jié)果Tab. 5 End matching results

4 主機選型分析及軸系強度計算

4.1 主機選型

首先根據(jù)船舶用途選擇主機[7]的種類，該類型船舶采用高速機。再根據(jù)初步匹配的設(shè)計計算結(jié)果：主機功率的參考值5 063.96 kW作為數(shù)據(jù)庫選型依據(jù)，在高速機的大類中設(shè)定單機額定功率大于5 100 kW為條件，篩選出符合條件的23款機型?？紤]功率冗余，進一步縮小主機選型范圍，再在這23款機型中選擇額定功率上限10%裕度（即小于5 600 kW）為篩選條件，數(shù)據(jù)庫中符合條件的有4款機型如表6所示。

利用設(shè)計平臺軟件的方案評估模塊，對主機的價格、現(xiàn)貨周期、排放、油耗等指標進行基于專家打分的方案評估，最終確定主機的選型。

該設(shè)計平臺軟件內(nèi)置AHP算法，可將定性指標（如供貨周期、價格等）轉(zhuǎn)換成定量指標，連同定量指標（如功率、油耗等）進行歸一化轉(zhuǎn)換，即量化評價指標，并結(jié)合專家打分進行計算，獲得各自方案的分值，高分者為優(yōu)。

表 6 主機選型評價指標表Tab. 6 Host selection evaluation index table

日本新瀉NIIGATE在此類型船舶上應(yīng)用很少，恐日后維修配套不便，且功率冗余過大，造成浪費，首先排除；國產(chǎn)16PA6V-280STC相比進口16V1163-TB73L不論在價格、供貨周期上具有很大優(yōu)勢，而且在排放和油耗上也領(lǐng)先；對于MAN的12V28/33D STC-ICN這一機型，優(yōu)點和缺點并存，其技術(shù)成熟、油耗較低，但是價格昂貴，功率冗余較大，體積和重量也大于國產(chǎn)的16PA6V-280STC。最后，綜合各方因素，將定性指標和定量指標輸入設(shè)計平臺軟件并進行評估，選定該外貿(mào)船用主機為16PA6V-280STC。

軸系軸徑計算采用CCS規(guī)范公式，見式（1）。

其中：d為軸的基本直徑；F為推進形式參數(shù)；Pe為軸傳遞的額定功率；ne為軸的額定轉(zhuǎn)速；σb為軸材料的抗拉強度；C為設(shè)計特性參數(shù)。

由于主機允許超負荷（10%）運行，必須考慮超負荷工況的軸系強度。通過計算確定螺旋槳軸基本直徑大于298 mm，內(nèi)徑已知130 mm，螺旋槳軸基本直徑修正后需大于301.88 mm左右，考慮到可靠性及強度指標，適當放大到推進器軸和尾軸直徑310 mm。其他中間軸等軸徑尺寸按規(guī)范確定。

設(shè)計平臺軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫中選出設(shè)備的CAD圖，指定插入點和相對位置就可以實現(xiàn)方案簡圖和方案CAD系統(tǒng)圖的繪制，分別如圖9和圖10所示，過簡圖和系統(tǒng)圖的直觀顯示可以從系統(tǒng)層面檢視該動力系統(tǒng)集成方案的合理性。

4.2 軸系強度校核及設(shè)計

通過以上主機選型、齒輪箱轉(zhuǎn)速比參數(shù)的獲取和基本軸徑計算等設(shè)計計算步驟，可基本確定該外貿(mào)船的動力系統(tǒng)集成方案。常規(guī)推進的動力系統(tǒng)，主機約占整個動力系統(tǒng)價格的一半甚至更高，所以對整個動力系統(tǒng)的設(shè)備選型重中之重是主機選型。其他設(shè)備，如齒輪箱、槳軸、隔振設(shè)備等需根據(jù)設(shè)計的不斷深入逐一確定。設(shè)計平臺軟件從設(shè)計上已經(jīng)實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的設(shè)備選型和整體的方案設(shè)計，從而為相關(guān)設(shè)計人員提供一種有價值的設(shè)計途徑。

5 結(jié) 語

本文對某外貿(mào)船的動力系統(tǒng)集成方案進行了設(shè)計研究。在已知設(shè)計條件不足的不利條件下，利用Ship-Power和NavCad兩種成熟的商業(yè)軟件軟件進行阻力和有效功率計算，兩者的計算結(jié)果吻合度較高，從而確定了有效功率值；再進一步利用自主開發(fā)的設(shè)計平臺軟件進行初步匹配，獲得主機功率的參考值；該參考值經(jīng)過設(shè)計軟件的方案評估和數(shù)據(jù)庫選型，確定主機參數(shù)和齒輪箱減速比參數(shù)，再進行終結(jié)匹配，確定最大航速和最優(yōu)的螺旋槳效率[8]，結(jié)果均能滿足設(shè)計要求。需要強調(diào)的是，不論ShipPower或NavCad的阻力求解均為基于現(xiàn)有船型的理想狀態(tài)，實際阻力[9]要復(fù)雜的多，上述方法對此進行簡化，不可避免的帶來誤差。

總之，該設(shè)計平臺軟件結(jié)合了總體方案設(shè)計、傳動選型、機槳匹配計算、設(shè)備選型、多方案評估、軸系強度計算等方法或算法，使動力系統(tǒng)集成方案設(shè)計從經(jīng)驗設(shè)計初步轉(zhuǎn)化成自主設(shè)計，提高了設(shè)計精度、減輕了工作強度、界面美觀、人機交互性強，方便相關(guān)設(shè)計人員使用，具有很好的推廣價值?？紤]到該設(shè)計軟件對功率和航速的分析依賴螺旋槳圖譜法，故從提高該設(shè)計軟件的應(yīng)用范圍和計算精度的目的來看，下一步的研究重點是搜集整理其他各型螺旋槳的槳譜，以充實螺旋槳槳譜數(shù)據(jù)庫。

[1] 王建政, 李善從, 王濤, 等. 36 000 dwt多用途船動力系統(tǒng)集成方案設(shè)計研究[J]. 船舶與海洋工程, 2017, 33(1): 23–30.

[2] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船規(guī)范[S]. 人民交通出版社股份有限公司, 2015.

[3] 杜劍維, 湯建華, 李南. 國外艦船動力裝置技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2010, 32(8): 13–19

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

[5] 劉祥珺, 孫存樓. 數(shù)值水池船模自航試驗方法研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(2): 28–31

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

[7] 張南林. 艦船柴油機技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2010, 32(1): 17–21

[8] 黃勝, 郭春雨. 船舶推進節(jié)能技術(shù)研究與進展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2007, 29(1): 27–32

[9] 方先進, 朱仁傳, 徐文珊, 等. 某中高速漁政船附體阻力性能分析[J]. 船海工程, 2016, 6: 1–6.