現代高速艦船推進主機的選擇研究

陸威崙（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

現代高速艦船推進主機的選擇研究

陸威崙
（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

高速和中速柴油機都可作為高速艦船的動力，近年來高速機的應用在不斷增加。本文從尺寸、重量、集裝性、航速范圍、加速性和推進性能等方面對兩類機型進行討論，為高速艦船主機的選擇提供比較的視角。

高速艦船；高速機；中速機；加速性；推進性能

1　概 述

近年來我國海洋管理和海警部門的船舶正在不斷更新，具有先進性能的巡邏船、公務船也在不斷建造中。特別為保證抵達偏遠海域時自持力和續航力的要求，需要建造一些大噸位、高航速的船舶。

船舶總長在 60m以下的巡邏船通常只在沿海區域使用，其推進主機基本上都采用高速機，因此本文不予討論。典型的近海巡邏船其總長在 70～110m 之間，船舶排水量為 600～3 000 t。最高航速通常大于 22kn。近年來有大型化、高速化的趨勢，可以接近甚至超過 4 000 t，而最高航速可在 30kn以上。對近海巡邏船而言，主機的性能在很大程度上影響了船舶的先進性，因此其推進主機的合理選擇極其重要。就推進功能而言近海巡邏船可以采用中速機或高速機作主機。在整個國際范圍，無論在亞洲或歐美，現在高速柴油機在這類船舶上的應用越來越多。在我國，前些年對這類船舶采用中速機較多，近年來與國際趨勢相一致，高速機的應用也在不斷增加。

對于相近排水量范圍的公務船乃至軍用的護衛艦，在主機的選擇方面有著類似的情況。這些船舶都屬于高速艦船，對于這類船中速機和高速機究竟何者更適合于作為主機？究竟應該從哪些角度來分析其對于具體船舶的適用性？本文就此進行討論，希望能有助于船舶設計師和用戶對主機的選擇作出決策。

2　歷史回顧

眾所周知，船舶尺度越大，航速越高，所要求的主機推進功率就越高。一般地說，高速柴油機由于轉速較高，其尺度不能太大，因此單機功率受到限制。20世紀 80年代以前，船用高速柴油機的單機最大功率大多不超過 3 000 kW。最大功率在 3 000 kW以上的機型鳳毛麟角，例如，蘇聯的M504（56чH16/17）柴油機以其星型排列的缸徑為 160mm的56 只氣缸才達到了4 412 kW（2 200 r/min）的功率，MTU 20V956TB92則達到了4 900 kW（1 500 r/min。這2種機型，或結構復雜，或價格不菲，當時很少有被普遍采用的可能。

對于尺度較大的近海巡邏船，為保證一定的航速，要求比較高的功率。例如，對 1 000 t的船，即使僅有 22kn的航速卻也需要 7 000 kW以上的總功率。如果采用雙機，單機功率就要在 3 500 kW 左右。對于更大的排水量、更高的航速，要求的功率更大?？偟膩碚f，1 000 t以上的近海巡邏船所要求的總功率在7 000～35 000 kW 之間。所以在20世紀 80年代以前，是很難找到合適的高速機作為主機。因此當考慮到建造成本、設計和建造的方便性而要求采用柴油機動力時，往往只有采用中速機的可能。而中速機盡管其轉速低，由于其缸徑比高速機大得多，所以其功率覆蓋范圍也比高速機大得多，容易找到適合功率要求的主機。對于功率要求高的情況，還可采用雙機聯合的做法。因此，技術發展的現實決定了以前在近海巡邏船上中速機獲得了較多的采用。而對于大型民用船舶，考慮到大修期和經濟性方面的要求，中速機的應用則更為廣泛。

隨著柴油機技術的發展，高速機的單機功率逐漸提高。特別是德國的MTU 公司，它所開發的956 發動機在 70年代最大單機功率達到了4 900 kW，以后又作了進一步改造。在加長行程后，推出了新的1163 系列發動機，20 缸的20V1163TB92 機型在 1 220 r/min的轉速下功率達到了5 200 kW。20世紀 70年代末對該系列發動機進行了重大改進，采用了二級增壓，增壓壓力達到了4 bar，從而使最大功率在 1 300 r/min的轉速下達到 7 400 kW。1996年開始研發的8 000 系列發動機使高速機的單機功率達到 9 100 kW。21世紀初該機型正式上市，之后經過不斷改進，現在該機型的最大功率已經達到 10 000 kW。就功率而言，這種情況為現代大型高速艦船主機提供了更多的選擇可能。圖1表明了近數十年來高速機單機功率增長的情況。由于 MTU柴油機的功率總是處于高速機的最高端，因此數據主要基于MTU柴油機產品。由圖可以看到功率呈階梯型提高，且有較長的平臺期，這是一個市場需求發展和技術孕育的過程。

圖1　近數十年高速柴油機單機功率的增長Fig.1　Increase of the power of high speed engines within recent decades

3　高速機和中速機的比較

從動力源的角度考慮，高速機和中速機都可以用作船舶主機。但出于不同的設計思想，高速機和中速機在結構和性能方面又有很大的差異。在選擇現代高速艦船的主機時，必須根據船舶的具體運行要求，從合適的角度，對這些差異進行仔細的分析，從而做出正確的決定。

3.1主機的尺寸和重量

在同樣的功率下，高速機的尺寸和重量要比中速機小得多，這對于機艙空間有限的高速艦船很重要。

某型巡邏艦經計算需要 9 000 kW 左右的總功率，采用雙機，因此每機功率當在 4 500 kW 左右。在設計階段考慮了高、中速機2種方案，MTU 16V1163M74 （4 800 kW/1 250 r/min）和瓦錫蘭 9L32（4 500 kW/ 750 r/min）是其中的2種機型。表1給出了這 2 種機型的尺寸和重量。

表1　中、高速機尺寸重量比較Tab.1 Comparison of dimensions and weights of high speed engine and medium speed engines

比較這些數據可看出，中速機比高速機無論在長、寬、高方向都要大得多，占用的機艙空間（框內空間）幾乎要大出 1 倍。而重量則是高速機的2.28倍，每機重了26.41 t，2臺機則要重 52.82 t。如果船總重為 1 500 t，這就相當于增加了3.5％的重量，由此會使航速受到影響，同時也意味著燃油消耗的增加。在此雖然僅對 2 種具體機型進行比較，但其結論具有普遍性，即在同樣功率的情況下，中速機機艙需要更大的空間，會增加船舶的總重量，從而部分抵消燃油消耗率低的優點。

3.2主機附件的集裝程度

主機各系統所包括的主要附件有：淡水泵、海水泵、熱交換器、中冷器、膨脹水箱、滑油泵、各種濾器等。對高速機這些附件基本上都集裝在發動機上，僅對功率極大的高速機，熱交換器和膨脹水箱可能會散裝在機外。而對中速機這些附件有許多裝在機外，并且冷卻系統、燃油和滑油系統往往比較復雜，包含有更多的零部件，其中有不少零部件也要裝在機外。

很顯然，集裝程度高的發動機安裝施工要方便得多；而集裝程度差的發動機為了安裝這些附件還要提供更大的空間、敷設管路，并產生額外的附加重量。因此在這方面高速機的優越性不言而喻。

3.3對航速范圍的影響

表2給出國外典型近海巡邏船的航速-運行時間分布狀況［1］。船舶的最高航速為 23kn，其主要的工作狀況是以 11kn 左右的航速在轄區內巡航，而很長的時間是以 5～8kn的航速在轄區內慢速航行。

表2　典型近海巡邏船的航速-運行時間分布狀況Tab.2 Typical operating profile of an OPV

其最高航速和最低航速之比為 2.9～4.6。在采用定距槳的情況下，可以認為發動機轉速和航速之間存在著正比關系，所以要求發動機的最高、最低轉速之比也能接近這一數值。但中速機的轉速范圍較小，因此其最高、最低轉速之比數值也較小，其帶來的后果就是船舶的最低航速會較高，達不到理想的低速范圍，通常通過采用價格昂貴的調距槳等措施來解決這一問題，從而大大增加了船舶的復雜性和建造成本。

表3給出功率在 4 000 kW以上的幾種中、高速機的轉速范圍。由表可以看出在采用定距槳時，當要求的最高航速在 23kn 時中速機達到的最低航速都要超過 8kn，在現今近海巡邏船最高航速超過 30kn的趨勢下，最低航速會更高。而使用高速機作為主機時，30kn的最高航速和 8kn以下最低航速的要求則都可得到滿足。

表3　幾種中、高速機的轉速范圍Tab.3 Speed range of several types of engines

影響船舶低速航行的另一個因素是發動機的低負荷性能。低轉速時增壓器的不良性能是影響發動機低負荷性能的主要原因。大多數的增壓發動機會給出一個允許發動機長期運行的最低負荷極限，只有當發動機負荷高于這一極限時船舶才能長期運行；而當低于這一極限時，船舶的運行時間就要受到限制。這就意味著，船舶的最低航速運行時間往往有限制，而這種限制又是隨發動機產品而不同的。例如瓦錫蘭 32 機規定當燃用重油（HFO）時能長期運行的負荷極限是20％的標定功率值；當燃用船用燃料油（MDF）時負荷極限為 10％［2］。而對絕大多數的MTU發動機，由于順序增壓的采用，低負荷性能大大改善，可以在很低的負荷下長期運行，大部分機型并不存在低負荷的限制值。

3.4對船舶加速性的影響

船舶的加速性是指船舶從一低的航速迅速提高到高航速的能力，這一過程經歷的時間越短，則加速性越好。船舶的加速性取決于船舶的設計和發動機的性能，在船舶的結構設計已經確定的情況下則主要與發動機性能相關。此時，發動機從低速 n1加速到 n2所需的加速時間 T（s）可以簡要地用下式求出：

式中 J為作用于從發動機到螺旋槳的動力鏈上旋轉質量的慣性矩，它是發動機、聯軸器、齒輪箱、軸系和螺旋槳旋轉質量當量慣性矩的總和。所謂當量慣性矩是指所有的慣性矩都轉換到發動機的曲軸上的值，因此齒輪箱被動部分、軸系和螺旋槳的慣性矩都要除上齒輪箱的速比平均值。Ma為實現加速所能提供的發動機扭矩，它是相應轉速下發動機發出的扭矩扣除傳動損失和推進扭矩的差值。J的單位為 kgm2，Ma單位為 Nm。

一般來說在相同功率的情況下，中速機有較大零部件尺寸，慣量會較大；發動機轉速和軸系的速比也較小，因此當量慣性矩也較大，這些對船舶的加速都不利。有時它從最低轉速到最高轉速的加速時間短是由于加速的轉速區間小造成的，并不說明它的加速性好。表4給出幾種中、高速機到飛輪的傳動鏈慣性矩值。

Ma的大小實際上取決于發動機的特性曲線與推進曲線相隔距離的大小，因此發動機特性曲線越豐滿加速性就越好。

表4　幾種中、高速機的慣性矩Tab.4 Inertia torque of several types of engines

無論中速機還是高速機，其對船舶加速性能的影響應根據以上討論從制造商獲得相關數據，對具體發動機作出具體的分析計算才能確定。

對渦輪增壓發動機加速時增壓系統工作的遲滯性是影響船舶加速性的另一個因素。特別是在增壓比較高的情況下，當轉速、負荷增高時，由于葉輪推動氣流有很大的慣性，就產生了對發動機供氣的遲滯，從而影響了加速性。從怠速提高到最高轉速一般需要幾十秒的時間，具體數值隨增壓系統的設計而定。大尺寸的發動機為了減小增壓器加速的慣性，常采用多個增壓器的設計，使每個葉輪的尺寸減小，從而縮短加速時間。MTU 公司多個系列發動機的改進中采用了新的先進材料來制造渦輪，大大減小了旋轉質量的直徑，提高了發動機的加載性能。

但以上2個因素對發動機加速性的影響一般來說并不是疊加的，而是僅取決于其中更重要的一個因素，不同的發動機這2個因素的影響程度不同。對非增壓或低增壓發動機，就發動機本身而言加速性很好，從怠速加速到最高轉速非常迅速，在不到 1 s的時間里就可實現。帶上負載后，加速性就取決于系統的慣性矩 J和加速扭矩 Ma。對高增壓發動機則還要與增壓的遲滯作用影響相比較。

3.5推進性能

現代高速艦船為了降低對發動機功率的要求和提高艦船的生命力常采用多螺旋槳推進，其中采用最多的是雙機雙槳推進。本文以此為例來討論高、中速發動機在推進性能方面的差別。

圖2中 N2為雙機運行時船舶吸收的總功率曲線，A為雙機同時運行時的額定工作點，也即為螺旋槳的設計點，此時發動機獲得其標定功率，每臺發動機的工作點為 D，曲線 N1對應于 發動機的外特性曲線。雙機運行時每臺發動機按螺旋槳曲線 P1工作，這對應于 1 條三次方曲線。當單機運行時，為維持航速不變原由2臺機提供的功率需由單機承擔，即在相同的發動機轉速下，發動機要發出雙倍的功率，因此發動機要按雙三次方曲線運行，相對應的為曲線 P2。發動機的能力由其外特性曲線所限定，因此 N1和曲線 P2的交點 B為單機運行時發動機的最大能力工作點，由此限定了單機運行時能達到的最大航速。實際上由于單機航行時的拖槳作用，螺旋槳曲線 P 比 P2還要陡，最大工作點可能在 C，本文為方便討論忽略這種影響。

圖2　雙機雙槳裝置的單槳運行模式Fig.2　Operation modes of a two shaft arrangement

對于高速機，雙機配置時，單機航行可以達到60％左右的最高航速，視具體機型而有所不同。而對于中速機，由于其轉速范圍狹窄，其單機航行可獲得的航速通常較低。有些機型由于其功率曲線低于雙三次方曲線，即曲線 P2與 N1不能相交而無法實現單機航行。圖3給出了幾種中高、速機推進性能的比較［1］。由圖看出最高轉速為 2 100 r/min的MTU20V4000M93發動機單機航行時可以達到 62％ 左右的最高航速，而C280-12 發動機則只能達到 40％ 左右的航速，對于這種情況通常的解決辦法是采用調距槳。采用調距槳可以提高艦船的機動性、操縱性，可以充分吸收發動機的功率，并能改善艦船的續航力和經濟性，但其復雜的結構和昂貴的價格往往又致命。而對于中速機，在不能單機航行的情況下卻又是無奈之舉。由于主機的不當選型會在調距槳的優點不是很重要的情況下也不得不采用調距槳。我國某兩型 600 t的巡邏艇都采用了4臺 MTU16V4000 高速機和定距槳的配置；印度的500 t輕護采用了2臺 MTU16V1163TB93 發動機和定距槳的配置，這些都是成功的很經濟的設計。

圖3　幾種中、高速機的推進特性Fig.3　propulsion performance of several types of engines

3.6其他

除上述因素外，在選定主機時還有一些常規因素需要考慮。例如，噪聲和振動的水平，發動機的經濟性、可靠性和維修性、大修期等。

高速機盡管其轉速要比中速機高得多，在同等功率的情況下其進、排氣的噪聲并不一定比中速機高，因此對噪聲和振動的評價必須要獲取制造商的可靠數據。

一般地說中速機的大修期要比高速機長，現代中速機的大修期都在 20 000h以上，并且在中途大多安排有中修。中、大修都可以在機艙里進行。現代高速機由于設計水平的提高，工藝和材質的改進，大修期有了極大的延長。例如，功率為 7 400 kW的MTU20V1163-TB94 發動機其大修期可達到 24 000h；而標定功率為6 000 kW的MTU20V1163TB74 發動機的大修期為30 000h［3］，已完全可以與中速機媲美。并且這類高速機在執行計劃維修的情況下，無需進行中修，但需把整機吊出，送工廠進行大修。

現代高速機與中速機燃油消耗率的差距也在縮小，表5給出幾種中、高速柴油機在不同載荷下的燃油消耗率。大部分輪機工程師或用戶在比較燃油經濟性時往往僅集注于發動機制造商所給出的標定功率下的油耗值，這是遠遠不夠的。必須要了解性能曲線圖上船舶最經常工作的螺旋槳曲線區域的油耗值，同時還要注意隨轉速變化的油耗曲線的平坦性，因此從制造商處獲得劃有等油耗線的通用特性曲線圖將會很有幫助，對此文獻［4］有較詳細的討論。

表5　幾種中、高速機的燃油消耗率Tab.5 Fuel consumption of several types of engines

4　結 語

對于海域遼闊的中國，設計建造適合中國國情的具有現代先進水平的高速艦船有著重要的意義，而選擇合適的主機又是其中一項關鍵性的工作。當今國際上，技術先進的高速機在這類船舶上獲得了越來越多的應用。只有從恰當的視角，根據具體項目的需求，對高、中速機各種具體機型進行正確的評估，才能最終作出適當的選擇。希望本文所進行的討論對于這種評估能有所幫助。

致謝：本文撰寫過程中，701 研究所李德智、蔡關濤2位專家提出了寶貴的意見，對本文作出了重要貢獻，謹此致謝。

［1］Series 4000 in Offshore Patrol Vessel Applications［Z］.MTU GmbH，2007.

［2］W?rtsil?32 Product Guide［Z］.W?rtsil? Corporation，4/2012.

［3］Maintenance Schedule Diesel Engine V1163Mx4［Z］.MTU M550111/00E，2012-12.

［4］陸威崙.現代船用柴油機特性曲線的研討［J］.柴油機，2005，27（4）：15-20.LU Wei-lun.Studies and analysis of performance diagram of modern marine diesel Engines［J］.Diesel engine，2005，27（4）：15-20.

Selection of propulsion engines of modern-high speed military and governmental ships

LU Wei-lun
（Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China）

Either high speed engine or medium speed engine can be used for main engine of high speed military and governmental ships.In recent years the adoption of the high speedengine for these applications has been continuously increased.In this paper the way to make a comparison between various engines is put forward.These two kinds of engines are discussed，focusing on dimensions，weight，integrity，ship speed range，acceleration behavior，propulsion performance，etc.

high speed military and governmental ships； high speed diesel engine； medium speed diesel engine；acceleration behavior； propulsion performance

U661.31+3

A

1672-7619（2016）07-0030-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.007

2016-03-02；

2016-03-18

陸威崙（1943-），男，碩士，研究員，主要從事發動機應用工程研究。