陳生華

(南京高精船用設備有限公司，江蘇 南京 211103)

300噸級科考船推進系統(tǒng)改造方案及實現(xiàn)

陳生華

(南京高精船用設備有限公司，江蘇 南京 211103)

一些老舊船舶由于推進設備性能下降和使用工況的改變，已經(jīng)無法滿足使用需要。本文分析了300噸級科考船推進系統(tǒng)目前的使用情況，為滿足最新的使用要求，將原定距槳更換成可調(diào)槳，并在后期海試中對改造后的推進系統(tǒng)性能進行了對比分析。推進系統(tǒng)改造后，不僅延長了船舶的使用壽命，而且滿足低航速下的作業(yè)需求。

主機；螺旋槳；改造；軸系；可調(diào)槳

0 引言

目前國內(nèi)外營運的船舶中有大量的老齡船舶，包括一些上世紀建造的科考船和海洋工程船，雖然當時對船舶操縱性有較高的要求，但考慮到初期投資成本和設備復雜程度，以及當時船員的操作水平，依然采用常規(guī)的柴油機和定距槳推進系統(tǒng)。這些船只運營時間較長，推進設備性能下降，甚至已經(jīng)無備件供應，已經(jīng)無法實現(xiàn)正常的維護保養(yǎng)。此外，用戶對科考船操縱性能也提出了更高的要求，同時要滿足多種作業(yè)工況下航速、拖力和低振動等性能?；谝陨显?，需對上述船舶的主推進系統(tǒng)進行改造，方可延長船舶的使用壽命。

1 原船動力系統(tǒng)基本情況及改造要求

1.1 原船動力系統(tǒng)基本情況

原船為300噸級科考船，原來的動力系統(tǒng)采用雙機雙槳布置形式，主機為低速柴油機，直接驅(qū)動的定距槳，柴油機輸出端設置氣胎離合器用于合脫排推進軸系。主機為兩臺陜柴生產(chǎn)的D390型低速柴油機，額定功率1800馬力，額定轉(zhuǎn)速500r/min，定距槳直徑1640mm，螺距比P/D=0.91。自從20世紀80年代交付使用后，設備經(jīng)過幾次大修，目前原船在航行過程中出現(xiàn)主機功率下降和機槳不匹配的現(xiàn)象，只能降轉(zhuǎn)速運行。此外原船動力系統(tǒng)存在共振轉(zhuǎn)速區(qū)，主機降速運行后，非常接近共振轉(zhuǎn)速區(qū)，因此在某些轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)了主機和軸系共振現(xiàn)象。另外，該船柴油機和推進軸系之間配置一臺氣胎離合器，但該型號的離合器早已停止生產(chǎn)，其摩擦元件已經(jīng)沒有備件更換，離合器多年失修導致傳遞扭矩下降，無法滿足正常使用。此外，主機在怠速合排氣胎離合器后，船舶航速已經(jīng)達到7節(jié)以上，無法繼續(xù)降低船舶的航速。但是本船后續(xù)增加了一些科考設備，這些設備要求在進行科考作業(yè)時航速不能超過2節(jié)?；谝陨锨闆r，考慮將原船動力系統(tǒng)進行改造，使得改造后的船舶性能滿足使用要求。

1.2 改造后的性能要求

動力系統(tǒng)改造后，保證最高航速不降低的情況下，船舶可以在0～15節(jié)任意航速下航行。同時徹底解決原船軸系在360r/min轉(zhuǎn)速附件的共振現(xiàn)象，降低船舶在航行和科考作業(yè)時的振動噪聲。由于主機性能已經(jīng)下降，在螺旋槳設計時以主機當前可以達到的輸出功率為設計點，通過機、槳、船匹配設計全新的可調(diào)槳，解決原船、機、槳不匹配現(xiàn)象。

1.3 改造風險分析及對應措施

本船自從20世紀80年代交付使用后，船東已經(jīng)轉(zhuǎn)手多次，已經(jīng)無法找到原船準確動力系統(tǒng)圖紙和資料，這對后續(xù)的改造工作增添了許多不確定因素。主機雖然經(jīng)過多次大修，但畢竟使用年限較長，主機性能下降比較嚴重，輸出功率已經(jīng)無法達到原先的設計值。由于主機實際輸出功率無法準確評估，后續(xù)可調(diào)槳設計時可能會出現(xiàn)機、槳不匹配的情況。在系統(tǒng)布置圖紙缺失的情況下，無法確定原船主要結(jié)構(gòu)尺寸和接口，新設備裝船時會出現(xiàn)接口不一致的情況。針對以上改造風險，采取了一定預防措施，如在改造前，船舶滿航速航行，對螺旋槳軸系進行了功率測量，測得主機實際輸出功率在910kW。另外，現(xiàn)場測量了原設備的接口尺寸，用于后期軸系設計和接口設計。在設計過程中，軸系長度和接口進行了預留，對于沒有把握的尺寸進行現(xiàn)場配作?？紤]到減小后續(xù)改造的工作量，原船的艉部結(jié)構(gòu)和主機位置不作修改，這對后續(xù)軸系的安裝提出了較高的要求。在設計初期建立了軸系校中和回旋振動模型，計算出各軸承的負荷、軸系的安裝狀態(tài)，用于指導后續(xù)的安裝和調(diào)試。

2 改造方案和實際效果

2.1 改造總體方案

圖1 改造后的動力系統(tǒng)布置圖

表1 改造前后數(shù)據(jù)對照表

由于船舶需要低速科考作業(yè)，只有采用可調(diào)槳取代原先的定距槳才可以實現(xiàn)船舶的低速或超低速航行?？烧{(diào)槳可以大大提高船舶的機動性和經(jīng)濟性，主機保持額定轉(zhuǎn)速運行，通過改變槳葉轉(zhuǎn)角實現(xiàn)船舶的前進和后退，其性能明顯優(yōu)于定距槳。通過技術(shù)論證，最終方案確定保留原來的主機不變，主機保持400r/min轉(zhuǎn)速運行；由于氣胎離合器已停產(chǎn)，拆除氣胎離合器更換為新的液壓離合器齒輪箱，實現(xiàn)螺旋槳的合脫排功能；在主機和齒輪箱之間增加高彈聯(lián)軸器，減小主機振動對齒輪箱的影響，降低系統(tǒng)運行噪聲；拆除原定距槳及軸系更換為可調(diào)槳，船舶航速時只調(diào)整可調(diào)槳的螺距，實現(xiàn)船舶的前進、后退和停止；新增主推進控制系統(tǒng)，用于主機和可調(diào)槳的控制，同時監(jiān)測主機和螺旋槳的當前狀態(tài)（圖1）。

2.2 液壓離合器齒輪箱設計

該齒輪箱采用輸入和輸出軸同軸布置，內(nèi)置濕式多片液壓離合器和推力軸承，速比為1。該齒輪箱不僅具有離合功能，而且能夠承受螺旋槳的推力。齒輪箱采用剛性安裝，螺旋槳的推力通過推力軸承傳遞到齒輪箱，并通過齒輪箱剛性地腳傳遞到船體。

2.3 可調(diào)槳選型和航速預估

根據(jù)主機的實際輸出功率進行螺旋槳設計，螺旋槳收到功率Pd=0.9×MCR=820kW，其中MCR為主機實際輸出的額定功率。由于船體結(jié)構(gòu)的限制，改造后可調(diào)槳直徑與原船的定距槳直徑保持一致，仍然為1640mm；考慮到原船在高轉(zhuǎn)速下同時存在共振現(xiàn)象，可調(diào)槳的設計轉(zhuǎn)速降低為400r/min，避開原先的共振轉(zhuǎn)速區(qū)。結(jié)合原船的主機功率、螺旋槳性能和航速等數(shù)據(jù)，反向推導了船體的阻力。采用面元法在設計功率下對航速進行了預報，最終計算結(jié)果顯示，改造后的船舶最大航速可以達到15節(jié)。

2.4 軸承負荷計算和回旋振動計算

更換為可調(diào)槳后，螺旋槳和軸系重量相應增加，需重新計算軸承的負荷。采用傳遞矩陣方法建立了軸系校中模型，計算出艉管軸承和中間軸承的負荷，各軸承中的最大負荷僅0.33MPa，滿足設計要求。通過計算，回旋振動葉片的次共振轉(zhuǎn)速為263r/ min，遠離額定轉(zhuǎn)速400r/mim，無回旋振動的風險。

2.5 改造后的實船性能

改造后船舶進入舟山海域進行試航測試。在航速試驗過程中不僅實現(xiàn)了船舶低航速航行，同時避開系統(tǒng)原先的共振轉(zhuǎn)速區(qū)。在各航速下，對系統(tǒng)進行測振，結(jié)果表明改造后的推進系統(tǒng)有效降低了船舶在高航速下的振動，其他各項性能數(shù)據(jù)也達到設計要求。在試航過程中，主機保持在恒轉(zhuǎn)速，再次測試了主機的輸出功率。主機在轉(zhuǎn)速400r/min情況下，輸出功率達到980kW。由此可見，主機轉(zhuǎn)速提高后，其輸出功率也相應提高（表1）。

3 老舊船舶改造總結(jié)

對于有近30年的船齡的科考船，通過改造前詳細的技術(shù)論證和理論計算，對船舶推進系統(tǒng)進行了比較大的改動，通過試航證明改造是成功的，通過此次改造得出以下結(jié)論：

（1）通過改造可以延長船舶的使用壽命。

（2）舊船改造通常缺乏原始資料，改造前需進行可行性分析和方案論證。

（3）對科考船來講，定距槳不能滿足作業(yè)航速的要求，配置可調(diào)槳實現(xiàn)多工況作業(yè)，這不僅對科考船，而且對于其他船型的改造也有一定借鑒意義。

[1]孫存樓，王永生，李堅波.基于CFD的調(diào)距槳調(diào)距過程槳葉水動力性能研究.哈爾濱工程大學學報， 2010,31(2),150～153.

[2]中國船級社鋼制海船入級規(guī)范，2012,3～255.

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