陳觀富　姬換霞　莫臣兵

摘 要：隨著船舶主推進(jìn)裝置系統(tǒng)化、高端化、復(fù)雜化發(fā)展，主推進(jìn)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)和供貨已逐漸為廣大船東所接收。本文結(jié)合3 000 t級(jí)公務(wù)船主推進(jìn)系統(tǒng)集成項(xiàng)目，對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)理念和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行論述。

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

中圖分類號(hào)：U661.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)，中國(guó)周邊海上環(huán)境形勢(shì)錯(cuò)綜復(fù)雜，海洋權(quán)益面臨嚴(yán)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(shì)在必行，3 000 t級(jí)公務(wù)船建造項(xiàng)目在此環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生。本船主推進(jìn)系統(tǒng)選用國(guó)內(nèi)外逐漸流行的集成設(shè)計(jì)與供貨方式，通過(guò)對(duì)各設(shè)備進(jìn)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(jìn)、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(jìn)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配置和特點(diǎn)

主推進(jìn)系統(tǒng)主要由柴油機(jī)、軸系及附件、傳動(dòng)設(shè)備、推進(jìn)器和控制系統(tǒng)組成，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到船舶的機(jī)動(dòng)性、濟(jì)濟(jì)性、可靠性。采用系統(tǒng)集成，可以解決主機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(jī)動(dòng)性運(yùn)行要求，決定選用可靈活操作的雙中速機(jī)、雙可調(diào)槳主推進(jìn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包含以下主要設(shè)備：主機(jī)2臺(tái)、齒輪箱2臺(tái)、軸系及附件2套、可調(diào)槳2套、油潤(rùn)滑尾管及軸承2套、軸帶發(fā)電機(jī)2臺(tái)、高彈性聯(lián)軸器4只。圖1為本船主推進(jìn)系統(tǒng)布置圖。

本系統(tǒng)配置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）主機(jī)和齒輪箱可在不停機(jī)換向的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)槳正倒車(chē)螺距，實(shí)現(xiàn)船舶快速前進(jìn)和后退，操縱靈活；

（2）齒輪箱內(nèi)置離合器，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)不帶負(fù)載啟動(dòng)，方便系統(tǒng)調(diào)試與檢查；

（3）主機(jī)自由端驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，在巡航過(guò)程通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)替代柴油發(fā)電機(jī)組為船舶供電，可提高主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷、降低排放、節(jié)約能耗；

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

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

2.2系統(tǒng)設(shè)備選型

主推進(jìn)系統(tǒng)集成選型，最為關(guān)鍵的是確定主推進(jìn)柴油機(jī)的功率，它主要取決于設(shè)計(jì)航速及船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再根據(jù)柴油機(jī)功率和其它因素影響，進(jìn)行其它設(shè)備的定型。

本船航速要求≮21 kn（主機(jī)95%MCR推進(jìn)工況），巡航航速要求為16 kn。根據(jù)船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)功率進(jìn)行估算，見(jiàn)圖2。

從圖2可以得出主機(jī)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(lái)進(jìn)行主機(jī)選型：

（1）主機(jī)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(guó)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(guó)產(chǎn)9L32/40柴油機(jī)作為本船主機(jī)。

主機(jī)選定后，考慮傳動(dòng)裝置運(yùn)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(dòng)，確定設(shè)計(jì)槳徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。再根據(jù)主機(jī)參數(shù)、螺旋槳參數(shù)和機(jī)艙布置要求，設(shè)計(jì)齒輪箱偏心距、減速比等。

2.3 主推進(jìn)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主推進(jìn)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(jìn)排氣系統(tǒng)、啟動(dòng)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(jì)。

主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如柴油機(jī)、齒輪箱、可調(diào)槳液壓站和中間軸承等。在運(yùn)行過(guò)程中，因燃燒、摩擦等產(chǎn)生的熱量會(huì)使金屬產(chǎn)生疲勞，或使機(jī)械的過(guò)熱保護(hù)裝置啟動(dòng)，如軸承會(huì)因過(guò)熱導(dǎo)致燒損、主機(jī)會(huì)因高溫水溫度過(guò)高導(dǎo)致啟動(dòng)降負(fù)荷動(dòng)作，所以需要設(shè)計(jì)合理的冷卻系統(tǒng)。

船舶冷卻系統(tǒng)分為開(kāi)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為利用海水作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱交換的混合式冷卻水系統(tǒng)，每臺(tái)推進(jìn)主機(jī)獨(dú)立成為一整體，可以互為備用，通過(guò)集成設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)和設(shè)備在一個(gè)正常穩(wěn)定的工況下工作。

2.4系統(tǒng)校核計(jì)算

通過(guò)主推進(jìn)系統(tǒng)扭振計(jì)算、回旋振動(dòng)計(jì)算和校中計(jì)算，校核系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性及船機(jī)槳匹配程度。

（1）利用解析法，分別針對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)柴油機(jī)帶滿螺距螺旋槳和發(fā)電機(jī)、柴油機(jī)帶零螺距螺旋槳和發(fā)電機(jī)、單獨(dú)發(fā)電和脫排等4個(gè)工況，進(jìn)行自由振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)計(jì)算分析。結(jié)果表明：① 在柴油機(jī)正常發(fā)火情況及一缸熄火情況下，在柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，柴油機(jī)曲軸、中間軸、螺旋槳軸和電機(jī)軸等軸段扭振應(yīng)力均未超過(guò)許用值；② 高彈性聯(lián)軸器的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩和齒輪箱齒輪處的振動(dòng)轉(zhuǎn)矩未超過(guò)允許值；③ 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角及慣性力矩也未超過(guò)許用值。因此，本船可實(shí)現(xiàn)無(wú)禁區(qū)運(yùn)行。

（2）通過(guò)軸系校中計(jì)算，結(jié)果表明：① 每個(gè)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(duì)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(duì)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(jì)算值，見(jiàn)表1和表2，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

3 主推進(jìn)系統(tǒng)集成施工安裝

通過(guò)系統(tǒng)集成解決了多個(gè)設(shè)備的匹配和接口問(wèn)題，船廠根據(jù)制定的《主推進(jìn)系統(tǒng)安裝工藝》進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，主要內(nèi)容如下：

（1）設(shè)備的入庫(kù)報(bào)驗(yàn)，根據(jù)提供整套系統(tǒng)的供貨單進(jìn)行設(shè)備清點(diǎn)，避免附件的遺漏；

（2）根據(jù)提供的圖紙進(jìn)行整個(gè)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(jìn)行尾管鏜孔，安裝軸承；

（4）吊裝主機(jī)、推進(jìn)器、軸系、齒輪箱和軸發(fā)；

（5）按照?qǐng)D紙進(jìn)行整個(gè)軸系的對(duì)中，確定相對(duì)位置以尾軸為基準(zhǔn)開(kāi)始向前進(jìn)行對(duì)中，保證各個(gè)外圓和開(kāi)口在允許的范圍內(nèi)；

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

（7）合格后進(jìn)行螺孔鉆孔、墊片的灌注；連接各個(gè)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(guò)程中，嚴(yán)格控制各個(gè)數(shù)據(jù)在圖紙和工藝要求范圍內(nèi)，安裝的各個(gè)參數(shù)和數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

4 主推進(jìn)系統(tǒng)集成試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)系統(tǒng)集成規(guī)范化進(jìn)度、生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控，并通過(guò)出廠試驗(yàn)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(yàn)。然后按照主推進(jìn)系統(tǒng)系泊和航行試驗(yàn)大綱進(jìn)行實(shí)船檢驗(yàn)，驗(yàn)證本船主推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性和先進(jìn)性。

通過(guò)系泊試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備安全報(bào)警和監(jiān)測(cè)功能正常，低負(fù)荷碼頭帶載試驗(yàn)時(shí)各設(shè)備運(yùn)行正常。

通過(guò)航行試驗(yàn)得出如下結(jié)論：雙主機(jī)95%負(fù)荷情況下，測(cè)得船舶航速為20.5 kn，超出設(shè)計(jì)要求；通過(guò)測(cè)試記錄，得出聯(lián)控模式下能有效節(jié)油；通過(guò)各工況下軸功率測(cè)試，主機(jī)功率得到有效輸出、推進(jìn)效率較高。

5 結(jié)論

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

本船主推進(jìn)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(shì)和豐富經(jīng)驗(yàn)，協(xié)助用戶對(duì)主推進(jìn)系統(tǒng)各主要設(shè)備進(jìn)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(dòng)力系統(tǒng)匹配及設(shè)備選型建議，使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)配置更合理、更優(yōu)化，獲得性價(jià)比最高、最優(yōu)化的動(dòng)力系統(tǒng)整體解決方案。

主推進(jìn)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(jì)，為用戶設(shè)計(jì)新型的先進(jìn)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施和實(shí)船運(yùn)行驗(yàn)證，主推進(jìn)系統(tǒng)集成確實(shí)起到了優(yōu)化設(shè)計(jì)、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)。

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