船用柴油機與燃氣輪機動力裝置的可靠性對比分析

胡以懷，汪 猛，闞曉旭，方云虎，張 陳，芮曉松

(1.上海海事大學 商船學院，上海 201306；2.招商局金陵鼎衡船舶(揚州)有限公司，江蘇 揚州 225217)

0 引 言

1776年瓦特改進并制造具有實用價值的蒸汽機，船舶動力裝置功率提高較大。1807年蒸汽動力船克萊蒙特號問世，至19世紀末蒸汽機在船舶上得到廣泛應用[1]。1897年迪賽爾成功制造可安全運行的熱機，1903年柴油機安裝在俄國萬達爾號油船和法國佩迪特·皮埃爾號平底駁船上，從此柴油機作為一種效率更高的動力裝置在船舶上得到廣泛應用，并在商船上逐漸取代汽輪機而成為船舶的主要動力裝置[2]。1920年德國人霍爾茨瓦特研制實用的燃氣輪機，此后燃氣輪機開始在航空、機車、汽車、船舶和發(fā)電廠得到廣泛應用。1947年船用燃氣輪機加特里克在英國誕生，裝備在高速炮艇上，在20世紀50年代后船用燃氣輪機得到快速發(fā)展和應用，全球近30個國家的海軍艦船使用燃氣輪機[3]。除蒸汽輪機由于效率較低、結構過于龐大外，柴油機和燃氣輪機動力裝置已成為各種船舶的推進動力，95%以上的船舶均采用這2種動力裝置。

船用柴油機和燃氣輪機動力裝置各有特點。船用柴油機以其熱效率高、功率范圍廣、啟動迅速、維修簡易、運行安全、使用壽命長等優(yōu)勢而得以廣泛應用[4]。燃氣輪機與柴油機相比，優(yōu)點在于體積小、質量輕、功率密度高、振動小、啟動快、低溫啟動性能好等[5]。一般而言，民用船舶大多采用柴油機動力裝置，部分艦船采用燃氣輪機或燃-柴聯(lián)動裝置，有些高速渡船、游船和快速貨船采用燃氣輪機作為動力裝置。通過可靠性的定量計算分析比較這2種船舶動力裝置的可靠性特點，為船舶動力裝置的選型和可靠性設計提供參考。

1 可靠性分析模型

船用柴油機和燃氣輪機動力裝置是較復雜的機械系統(tǒng)，零部件組成多，工作條件惡劣，且多因素影響裝置運行的可靠性。為此，提出部件不可靠度參數(shù)U，從關鍵零部件數(shù)量、零部件制造材料、零部件工作條件和部件冗余數(shù)量等角度綜合考慮設備不可靠度，為可靠性評價提供依據(jù)。U主要由部件冗余數(shù)量r、關鍵部件數(shù)量m、部件材料不可靠度u1、運行條件不可靠度u2、運行速度不可靠度u3確定[6]，即

U=∑m(u1+u2+u3)/r

(1)

u1的確定方式為：0(結構鋼)，0.25(工具鋼)，0.50(合金鋼)，0.75(鑄鐵)，1.00(塑料)；u2的確定方式為：0(常溫、常壓)，0.50(工作溫度<400 ℃且工作壓力<2.000 0 MPa)，1.00(工作溫度>400 ℃或工作壓力>2.000 0 MPa)；u3的確定方式為：0(運行速度較低的旋轉機械)，0.50(運行速度較高的旋轉機械或運行速度較低的往復機械)，1.00(運行速度很高的旋轉機械或運行速度較高的往復機械)。不可靠度越大，說明該設備的可靠性越低；不可靠度越小，說明該設備的可靠性越高。這樣即可定量分析和比較設備的運行可靠性。

1.1 船用柴油機的不可靠度計算

以多缸二沖程柴油機為例，其主要由配氣機構、曲柄連桿機構、機體、增壓系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)組成。由于二沖程低速機不可獨立運行，需要其他輔助設備為其提供燃油、滑油、冷卻水和壓縮空氣，因此船用柴油機動力裝置的不可靠度計算必須考慮這些輔助設備。在不考慮柴油機和輔助設備部件冗余數(shù)量的情況下，不可靠度計算如表1所示，不可靠度計算結果為393.05。

表1 船用柴油機不可靠度計算

續(xù)表1 船用柴油機不可靠度計算

1.2 船用燃氣輪機的不可靠度計算

典型的船用燃氣輪機主要由燃氣發(fā)生器(包括壓氣機、燃燒室和燃氣渦輪)、動力渦輪、支撐軸承及燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、空氣渦輪啟動機等組成。燃氣輪機是高速旋轉機械，需要增加1套減速齒輪箱將推進軸系轉速降低，整個裝置的部件組成及不可靠度計算如表2所示，不可靠度計算結果為281.57。

表2 船用燃氣輪機不可靠度計算

2 可靠性對比分析

由第1節(jié)的計算可知：燃氣輪機動力裝置的結構可靠性明顯高于柴油機動力裝置，這主要是由于柴油機是往復式運動機械，包含的部件數(shù)量大，而燃氣輪機動力裝置結構相對簡單，振動較小，質量較輕。以6缸二沖程柴油機為例，其關鍵部件數(shù)量達620多件，而典型燃氣輪機的關鍵部件僅420多件，這就大幅影響柴油機動力裝置的結構可靠性。根據(jù)以往的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，燃氣輪機動力裝置的故障率僅為柴油機動力裝置的1/3[7]。

續(xù)表2 船用燃氣輪機不可靠度計算

但從另一個角度看，對于多缸柴油機來說，即使1缸或2缸的活塞-連桿組件由于故障無法工作，仍可通過封缸運行的方式保持柴油機的降速運行，不會引起后續(xù)重大的船舶事故。其輔助設備一般是成組配套，即使一套失靈，備用的一套會自動投入運行，這樣就大幅提高裝置的運行可靠性?？紤]柴油機部件的冗余數(shù)量，在3缸以上不能正常發(fā)火時即認為無法正常工作，因此柴油機配氣機構、曲柄連桿機構的冗余數(shù)量取3，而燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和啟動系統(tǒng)的冗余數(shù)量取2，得到的船用柴油機動力裝置的工作不可靠度計算結果為215.28，與燃氣輪機動力裝置相差不大。盡管柴油機動力裝置的結構可靠性低于燃氣輪機動力裝置，但由于冗余部件和冗余輔機設備的存在，其整體運行可靠性比燃氣輪機動力裝置高23.54%，即

(281.57-215.28)/281.57=23.54%

(2)

在船舶3種主要的動力裝置中，汽輪機單機功率最大，但機動性能差，經(jīng)濟性最差，目前在船舶上已很少使用。柴油機經(jīng)濟性最好，操作簡單，但噪聲、振動比較大，主要在商船上得到廣泛應用。燃氣輪機單位功率的質量尺寸最小，機動性好，但高溫部件的壽命相對較短，目前主要在一些水翼船和艦船上使用。在進行船舶動力裝置選型時，應根據(jù)船舶具體的技術要求而定。對于具有足夠的機艙空間，且對船舶經(jīng)濟性要求較高的船舶，宜選擇柴油機動力裝置。對于機艙空間有限，或更注重船舶操縱性和隱蔽性的船舶，宜選擇燃氣輪機動力裝置。為提高燃氣輪機動力裝置的整體運行可靠性，可考慮增加備用機組或設備，以彌補其工作可靠性的不足。

3 結 語

船用柴油機和燃氣輪機動力裝置各有特點。船用柴油機冗余性好，即使1缸或2缸發(fā)生故障仍可運行，其整體運行可靠性比燃氣輪機動力裝置高，經(jīng)濟性較高，適合于大型遠洋運輸船舶。船用燃氣輪機動力裝置結構緊湊、體積小、質量輕，動力性更好，更適合中小型的高速船和艦艇。燃氣輪機動力裝置可通過增加冗余設備，如增加備用機組或采用多機驅動方式，提高其整體的運行可靠性。