趙自奇 林 江 黃 煌

（1.廣船國(guó)際技術(shù)中心；2.廣船國(guó)際公司辦公室）

高速艇輪機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化

趙自奇1林 江1黃 煌2

（1.廣船國(guó)際技術(shù)中心；2.廣船國(guó)際公司辦公室）

本文圍繞高速艇的特點(diǎn)，從主要設(shè)備選型、布置、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)闡述了一種敞開(kāi)型高速艇輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

高速艇 輪機(jī) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 前言

高速艇主要特點(diǎn)：航速高、操縱靈活、短距離航行；可用作工作艇、救助艇、巡邏艇、執(zhí)法艇等；適用于完成：緝私、救助、執(zhí)法、快速運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。由于高速艇使用目的單一明確，為之配備的設(shè)施應(yīng)盡量精簡(jiǎn)，以便快速完成任務(wù)。

為了實(shí)現(xiàn)高航速，高速艇需要配備大功率主機(jī)，同時(shí)嚴(yán)格控制空艇重量。因?yàn)楦咚偻Тw的尺寸通常較小，航行安全平穩(wěn)性能要求高，對(duì)輪機(jī)設(shè)備的布置造成困難，同時(shí)對(duì)輪機(jī)設(shè)備安裝精度要求更高，需要從多方面對(duì)高速艇進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

1 某高速艇主要參數(shù)

某高速艇航行區(qū)域?yàn)檠睾＃ㄩ_(kāi)式，載員4人，采用單機(jī)單推進(jìn)系統(tǒng)。其主要參數(shù)如下：

總長(zhǎng)： ～7m

總寬： ～3m

總高： ～3m

玻璃鋼艇體型深： ～1.5m

額定成員：4人

空艇重量： ～2000kg

滿載重量： ～2500kg

航速： ≥35節(jié)

2 主要設(shè)備選優(yōu)設(shè)計(jì)

高速艇設(shè)備配置的設(shè)計(jì)原則是：推進(jìn)設(shè)備以外的設(shè)備一律從簡(jiǎn)，推進(jìn)系統(tǒng)配置優(yōu)中選優(yōu)。

3.1 主機(jī)選優(yōu)

根據(jù)高速艇的特點(diǎn)需要選擇尺寸小、重量輕、功率大的柴油機(jī)作為主機(jī)。初步估算主機(jī)功率在200～250kw之間，重量需控制在500 kg以下。將幾種功率相當(dāng)?shù)牟裼蜋C(jī)相關(guān)參數(shù)列于表1中，從中選優(yōu)。

從表1中可看出，Volvo D4-300I和Yanmar 6LPA-STP2滿足要求，是比較理想的機(jī)型。其中Volvo D4-300I比Yanmar6LPA-STP2稍重55kg，但尺寸更小，更便于布置和安裝。且D4-300I采用高壓共軌技術(shù)，振動(dòng)和噪音小，相比Yanmar的直噴式具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。所以該艇選用Volvo D4-300I柴油機(jī)作為主機(jī)。

表1 多款高速柴油機(jī)主要參數(shù)對(duì)比

3.2 發(fā)電機(jī)選優(yōu)

該艇主要用電設(shè)備有：主機(jī)控制器、儀表盤(pán)、甚高頻、艙底水泵、電笛、各類(lèi)燈等。根據(jù)電力負(fù)荷估算，該艇的用電量約為340 w。如果單獨(dú)配置一臺(tái)發(fā)電機(jī)，勢(shì)必占用一定的空間，需要配置必要的動(dòng)力管線，增加成本，給輪機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)更多的困難。而采用軸帶發(fā)電機(jī)，既可以滿足電力負(fù)荷要求，又可以省去發(fā)電機(jī)的動(dòng)力機(jī)部分，簡(jiǎn)化動(dòng)力系統(tǒng)，節(jié)省空間和成本。所以該船選用軸帶發(fā)電機(jī)，規(guī)格為12V 115A。

3.3 推進(jìn)器選優(yōu)

常見(jiàn)的推進(jìn)器通常有三種型式：螺旋槳、噴水推進(jìn)器、表面槳。這些推進(jìn)器各有千秋，將它們的主要性能列于表2，從中選優(yōu)。

從表2看出：螺旋槳受吃水條件限制，空泡效應(yīng)嚴(yán)重，不適用于淺吃水大功率高速艇，通常適用于25節(jié)以下的排水型船舶。表面槳重量大、振動(dòng)噪聲大、成本較高，適用于航速在50節(jié)以上的滑行艇，也不是本高速艇的最佳選擇。

噴水推進(jìn)器具有螺旋槳和表面槳無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：水泵從船底部吸水，又從船尾噴出，船艇可以不動(dòng)聲色就能開(kāi)動(dòng)；噴水推進(jìn)器葉輪位于導(dǎo)管內(nèi)，導(dǎo)管吸口配有格柵，具有良好的保護(hù)性，可在淺水水域航行；噴射器振動(dòng)和噪聲??；操縱液壓泵可以轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴及倒車(chē)斗從而改變噴水方向，不需要舵機(jī)就能讓高速艇迅速改變方向和倒車(chē)。操縱液壓泵方便且船艇轉(zhuǎn)向不受舵角限制，船艇回旋半徑縮小，所以噴水推進(jìn)器具有良好的操縱性，可實(shí)現(xiàn)艇在原地回轉(zhuǎn)，風(fēng)浪中零速，急轉(zhuǎn)彎，緊急制動(dòng)等動(dòng)作。綜合以上分析，該艇選用噴水推進(jìn)器。

表2 推進(jìn)器主要性能對(duì)比

圖1 典型噴水推進(jìn)系統(tǒng)

噴水推進(jìn)器主要由水泵、吸水管道、格柵、噴嘴、倒車(chē)斗、液壓泵所組成。液壓泵可以控制噴水推進(jìn)器的噴嘴方向，從而實(shí)現(xiàn)高速艇轉(zhuǎn)向，同時(shí)液壓泵還可以操縱倒車(chē)斗，從而實(shí)現(xiàn)高速艇緊急制動(dòng)。典型的噴水推進(jìn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

4 主機(jī)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

重心對(duì)高速艇平穩(wěn)航行影響很大，如果高速艇的重心靠前，則阻力增大，艇起滑困難；反之如果重心靠太后，船頭翹起，則容易引起縱向失穩(wěn)。由于主機(jī)是高速艇最大最重的設(shè)備，其重量約占空船重量的20%～30%，所以主機(jī)的位置對(duì)于高速艇的重心起到舉足輕重的作用。主機(jī)布置時(shí)應(yīng)充分考慮對(duì)高速艇重心及穩(wěn)心位置的影響，必須將主機(jī)布置在最合理的位置。只有先將主機(jī)布置妥當(dāng)，才能進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)。

5 推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化

主機(jī)、齒輪箱、連接軸、推進(jìn)器共同組成高速艇推進(jìn)系統(tǒng)。主機(jī)與推進(jìn)器之間有多種匹配關(guān)系，需要進(jìn)行優(yōu)化。

5.1 推進(jìn)系統(tǒng)配置選優(yōu)

推進(jìn)系統(tǒng)有多種配置型式，列于表3中進(jìn)行比較，從中選優(yōu)。

從表3中看出，方案一最優(yōu)，尺寸小能節(jié)省不少空間，設(shè)備重量輕，有利于控制空船重量，而且能夠降低設(shè)備采購(gòu)成本，可以降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，此方案是本高速艇的首選。

5.2 軸系型式選優(yōu)

噴水推進(jìn)器一般有三種軸系連接方式，一一分析，從中選優(yōu)。

5.2.1 剛性軸連接

當(dāng)主機(jī)或者齒輪箱與噴泵的軸線在同一直線上，且距離在0.2m到2m之間時(shí)，可以選用普通聯(lián)接軸，見(jiàn)圖2。

5.2.2 萬(wàn)向節(jié)連接

當(dāng)主機(jī)或者齒輪箱與噴泵的軸線不在同一直線上，并且角度在0.5°～3°之間時(shí)，可使用萬(wàn)向節(jié)。主機(jī)或者齒輪箱末端通過(guò)一個(gè)高彈聯(lián)軸器和萬(wàn)向節(jié)相連，見(jiàn)圖3。

表3 推進(jìn)系統(tǒng)配置型式

圖2 Centa聯(lián)軸節(jié)的連接形式圖

圖3 萬(wàn)向節(jié)連接形式圖

5.2.3 彈性器連接

彈性軸適用于噴泵與主機(jī)或者齒輪箱在同一直線上，長(zhǎng)度在0.5m～3m之間。彈性軸系主要作用就是在航行時(shí)，補(bǔ)償或消除主機(jī)和噴泵的震動(dòng)，使設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)中，見(jiàn)圖4。

圖4 彈性軸連接形式圖

5.3 推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)論

該艇采用單機(jī)單噴水推進(jìn)器，主機(jī)選用Volvo D4-300I柴油機(jī)，噴水推進(jìn)器采用HamiltoNHJ241。所選主機(jī)的推力曲線與噴水推進(jìn)器的吸收功率曲線相匹配，不需要設(shè)置齒輪箱，可采用直接驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了部分成本。

由于該艇采用復(fù)合材料制作，其安裝基座剛性不及鋼質(zhì)船，且主機(jī)與噴水推進(jìn)器的軸系中心線不在同一線上，為此，軸系選用萬(wàn)向節(jié)形式，分別與主機(jī)和噴水推進(jìn)器連接。此結(jié)果設(shè)備配置簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性最好，成本最低，是較優(yōu)的設(shè)計(jì)。

6 系統(tǒng)優(yōu)化

整艇的管路系統(tǒng)按照《沿海小船入級(jí)與建造規(guī)范》第四章的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：簡(jiǎn)單高效，節(jié)能環(huán)保。在保證機(jī)器設(shè)備工作穩(wěn)定性的前提下，將管系設(shè)備及管路附件降到最低，實(shí)現(xiàn)管系最優(yōu)化。

6.1 燃油系統(tǒng)

該高速艇以輕柴油為燃料，不需要加熱和熱伴行，可直接使用。燃油供給泵為柴油機(jī)自帶，只需按照航行距離要求及柴油機(jī)油耗，計(jì)算并配置油柜，設(shè)置基本管路及必要的管附件，系統(tǒng)便能安全穩(wěn)定運(yùn)行。此系統(tǒng)既簡(jiǎn)單又實(shí)用，是較優(yōu)的設(shè)計(jì)。

6.2 滑油系統(tǒng)

D4-300I柴油機(jī)為濕式油底殼式，按柴油機(jī)滑油的要求，直接向機(jī)內(nèi)注入適量SAE15W/40滑油，定期更換滑油及濾芯即可滿足柴油機(jī)滑油系統(tǒng)的要求，艇上不必設(shè)置滑油貯存艙和滑油泵。

6.3 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)。

內(nèi)循環(huán)為淡水冷卻系統(tǒng)，主機(jī)內(nèi)部淡水閉式循環(huán)，直接加注主機(jī)專(zhuān)用冷卻液即可。機(jī)外沒(méi)淡水管路，是最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。

外循環(huán)為海水冷卻系統(tǒng)，機(jī)帶海水泵從舷外吸水，經(jīng)過(guò)海水濾器，進(jìn)入主機(jī)中冷器、熱交換器、冷卻主機(jī)滑油和冷卻液，最后排入排煙管，與廢氣一起排出舷外。這樣設(shè)計(jì)既冷卻主機(jī)，又清洗排氣中的SOX和粉塵，凈化排氣，達(dá)到環(huán)保目的。

該系統(tǒng)在機(jī)內(nèi)設(shè)有節(jié)溫器，可調(diào)節(jié)海水通過(guò)主機(jī)熱交換器的流量，保證主機(jī)運(yùn)行時(shí)，各組件和滑油保持在最佳的溫度，從而延長(zhǎng)主機(jī)的壽命。

冷卻水系統(tǒng)是全艇最大的動(dòng)力系統(tǒng)，以上設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單又高效還節(jié)能環(huán)保，是較優(yōu)的設(shè)計(jì)。

6.4 柴油機(jī)啟動(dòng)

Volvo D4-300自帶啟動(dòng)機(jī)，由蓄電池供電，電量不足時(shí)可由另一組總用蓄電池一同供電啟動(dòng)柴油機(jī)。

6.5 柴油機(jī)排氣

柴油機(jī)排氣為濕式排氣，海水冷卻主機(jī)后，通過(guò)排煙管與高溫廢氣混合冷卻，從艇尾排出。排出口設(shè)置海水防倒灌裝置，保證艇在倒車(chē)及風(fēng)浪中航行時(shí)海水不會(huì)進(jìn)入排煙管。

6.6 機(jī)艙通風(fēng)

該艇機(jī)艙采用自然通風(fēng)，通風(fēng)格柵口面向艇首布置，以保證高航速下，進(jìn)風(fēng)量滿足主機(jī)燃燒和機(jī)艙冷卻用新鮮空氣。此系統(tǒng)沒(méi)有風(fēng)機(jī)只有風(fēng)管，系統(tǒng)最簡(jiǎn)單，效果有保障，是較優(yōu)的設(shè)計(jì)。

6.7 艙底壓載系統(tǒng)

按規(guī)范要求，艇上機(jī)艙、空艙應(yīng)配置艙底水泵。該艇配備了兩臺(tái)電動(dòng)艙底泵，分別用于船頭和船尾艙底水排舷外，另外配置一臺(tái)手搖艙底泵，用于緊急情況下的艙底水排舷外。

為了減輕重量，高速艇一般不設(shè)置壓載艙和壓載泵，通過(guò)縱傾調(diào)節(jié)裝置調(diào)整航行姿態(tài)。

6.8 消防滅火系統(tǒng)

為了滿足消防要求設(shè)置了機(jī)艙自動(dòng)滅火器和甲板干粉滅火器用于整艇，配置了一個(gè)消防水桶。

7 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于滑行高速艇而言，整艇的重量重心對(duì)航行姿態(tài)和航速的影響極大，設(shè)備的重量重心成為核心設(shè)計(jì)要素，這兩個(gè)要素成為解決一系列的技術(shù)難題的關(guān)鍵，在設(shè)備選型、機(jī)艙布置時(shí)，需要反復(fù)論證，甚至還需要根據(jù)船?；驑哟脑囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行重新調(diào)整。因此，對(duì)高速艇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

[1] Rolls-Royce ApplicatioNGuide (Drive Shaft Guidelines), 2000.

[2] 朱珉虎.高速艇與游艇設(shè)計(jì)手冊(cè). 2008.

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.003

2016-5-13）

趙自奇（1982--），男，工程師，船舶輪機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)。

林 江（1985--），男，助理工程師，船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)。

黃 煌（1987--），男，助理工程師，能源動(dòng)力系統(tǒng)及自動(dòng)化。