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        船用柴油機與燃氣輪機動力裝置的可靠性對比分析

        2022-08-09 11:27:38胡以懷闞曉旭方云虎芮曉松
        造船技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:動力裝置船用燃氣輪機

        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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用[4]。燃氣輪機與柴油機相比,優(yōu)點在于體積小、質(zhì)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(shè)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(guān)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(shè)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(guān)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)機械),0.50(運行速度較高的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機械或運行速度較高的往復機械)。不可靠度越大,說明該設(shè)備的可靠性越低;不可靠度越小,說明該設(shè)備的可靠性越高。這樣即可定量分析和比較設(shè)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(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)、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(shè)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(shè)備。在不考慮柴油機和輔助設(shè)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(jié)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(zhuǎn)機械,需要增加1套減速齒輪箱將推進軸系轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相對簡單,振動較小,質(zhì)量較輕。以6缸二沖程柴油機為例,其關(guān)鍵部件數(shù)量達620多件,而典型燃氣輪機的關(guān)鍵部件僅420多件,這就大幅影響柴油機動力裝置的結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)用。燃氣輪機單位功率的質(zhì)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(yīng)根據(jù)船舶具體的技術(shù)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(shè)備,以彌補其工作可靠性的不足。

        3 結(jié) 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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)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(shè)備,如增加備用機組或采用多機驅(qū)動方式,提高其整體的運行可靠性。

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