淺析內河船舶主推進系統設計

馮懿

（池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000）

淺析內河船舶主推進系統設計

馮懿

（池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000）

內河船舶主推進系統一般由柴油機、齒輪箱、中間軸、尾軸、螺旋槳和前后密封組成。著重闡述柴油機、齒輪箱、螺旋槳的一般特性及其選型要求。

內河船舶；主推進；特性

1　柴油機的一般規定

1）額定功率指柴油機在基準環境條件下，輸出軸上測得的最大持續功率。額定功率時的相應轉速即為額定轉速。2）柴油機應具有110%額定功率運轉的能力。

1）主機應具有足夠的倒車能力，以確保在一切正常情況下能適當控制船舶。2）對于四沖程中高速柴油機，一般通過齒輪箱實現倒車功能。

柴油機要具備較好的低轉速工作能力：低速機（額定轉速≤300 r/min）不大于額定轉速的30%；中速機（300 r/min≤額定轉速≤1 000 r/min）不大于40%；高速機（額定轉速＞1 000 r/min）不大于45%。

1）可逆轉柴油機的換向時間要求小于等于15 s。2）主機操縱臺要求標明順車、倒車的操作方向。3）可逆轉主機的操縱臺上，應設有曲軸旋轉方向的指示器或雙向轉速表。4）采用可調螺距螺旋槳船舶和雙機并車的船舶，應有主機集中操縱臺。集中操縱臺應設有保證主機、離合器等有關機械在操縱時能協調工作的聯鎖裝置。5）在接近主機操縱臺的地方，要求有與駕駛室控制系統分開的快速切斷燃油裝置或其他可以緊急停車的設備［1］。

1）柴油機應設有能轉車的裝置。2）主機動力轉車裝置與起動裝置之間應有安全聯鎖裝置。

主機要求設有轉速表（轉速禁區在表上標紅）和其它必備的測量儀表。

2　船舶主機選型

在設計推進裝置時，通過初步匹配設計，得到船舶所需的主機功率及轉速。再根據匹配結果，在實際的主機系列中選取最適合的。在進行主機選擇時，應考慮的因素如下。

主機的質量對船舶的總重量會有影響：對于中小型船舶來說，若主機質量過大，則對經濟性不利。主機尺寸同時會對船舶艙室空間有較大影響：若主機尺寸大，則會減少艙室的使用空間。對目前的柴油機而言，高速機的質量和尺寸都是最小的，低速機最大，中速機則介于兩者之間。所以內河船、高速船可選用高速柴油機；長江或沿海的小型船舶、運木船、客渡船、滾裝船等特種船舶可選用中速機；沿海與遠洋的大型船舶最好選用低速機。

主機的功率能否達到要求是非常重要的。目前，常用的功率有三條：l）額定功率：在標定的環境條件和額定轉速下，發動機持續運轉所發出的最大有效功率。2）超負荷功率：發動機在較短時間內超負荷使用，能夠允許的最大功率。3）經濟功率：根據發動機的使用工況，考慮到油耗率和主機保養等方面，總體較為經濟的持續運轉功率。

不同的主機，使用的燃料也會不同，進而經濟效果也不一樣。若主機為使用價格較低的燃料來減少營運費用，就必須配備相關的設備，這樣初投資和管理維修費用都會增加，必然會抵消一部分經濟效益。使用劣質燃油也容易引起腐蝕與磨損，從而影響營運與經濟性。選取滑油時必須考慮到堿度、添加劑等，同樣會使成本提高。總之，要對使用油品綜合考慮，權衡處理［2］。

3　柴油機特性分析

速度特性是改變柴油機的外負荷使其改變轉速，保持噴油泵的油量調節桿固定，使柴油機在最高允許轉速和最低穩定轉速之間各不同的轉速下穩定運轉，在此情況下測得各轉速下的排氣溫度Tr、有效耗油率ge、扭矩Me和功率Ne等，得出的此參數隨轉速變化的關系繪成曲線就是柴油機的速度特性曲線。

船舶主機帶動螺旋槳工作時，二者能量總是保持平衡的。主機發出的功率Ne和轉矩Me等于螺旋槳的吸收功率Np和轉矩Mp。當主機的運行是按照螺旋槳特性來運轉時，這些參數隨轉速的變化，既是柴油機推進特性。柴油機在帶動螺旋槳后，其功率與轉速的三次方成比例。

根據上式（1），若已知主機的工況，可以算出其他工況下的功率與轉速的對應關系，見表1所示。

表1　主機轉速對應功率的百分數

表1可以看出，由于主機轉速與功率成立方關系，如果轉速超過標定轉速的3%情況下，主機功率就到達標定值的110%，主機運行超負荷。顯然繼續提高轉速是不允許的。另一方面，當轉速減少到標定轉速的6 3%時，功率下降到標定值的2 5%，會使得每工作循環噴油量降低，從而噴油壓力減小，霧化變差，燃燒不完全，各缸噴油量不均勻等問題的發生。

主機的性能參數隨負荷的變化而變化，在轉速不變的情況下，既是主機的負荷特性。當主機用作發電機組時，轉速一般是恒定的，所以是按負荷特性來工作的。

主機的調速特性是將調速器的轉速設定機構調整到某一位置，當調速器運轉時，功率、扭矩等隨轉速的變化規律，既是主機的調速特性［3］。

燃油消耗率是在主機出廠做臺架試驗時進行測定。主機有效耗油率是指發動機發出1 kW有效功率每小時所消耗的燃油量，用ge表示，單位是g/（kW·h）。

式（2）中：ge為主機燃油消耗率，g/（kW·h）；B為柴油機每小時耗油量，g/h；Ne為有效功率，kW。

1）齒輪傳動裝置的扭轉振動應符合本文6.2的有關規定。2）提交船級社批準的圖紙和資料有：齒輪傳動裝置說明書；總圖（縱、橫剖面圖）；齒輪（包括齒圈，若有時）零件圖（齒數、模數、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑等，包括齒輪承載能力計算所必需的參數）；齒輪軸圖；離合器和聯軸器圖；齒輪箱體圖；齒輪承載的能力計算書；齒輪軸強度計算書；離合器和聯軸器強度計算書；齒輪熱處理工藝資料；齒輪材料技術資料；齒輪或齒輪箱體焊接工藝資料（若有時）。

當設計時，減速齒輪的效率取0.97～0.99。

5　船用機槳匹配計算

主機選型和螺旋槳的設計相互關聯。在設計中必須考慮船、機、槳的匹配，來選定螺旋槳和主機。當主機選型與螺旋槳參數確定的機槳匹配計算時，一般將整個過程分為初步匹配設計和終結匹配設計兩個階段。

需要輸入的已知條件：船舶主尺度參數、船體在不同航速下的有效功率，設計航速、螺旋槳的轉速或限制直徑。初步匹配階段輸出的內容：主機功率、轉速，螺旋槳的直徑或轉速、效率和螺距比。

需要輸入的已知條件：主機功率及轉速、有效功率曲線。終結匹配階段輸出的內容：螺旋槳的直徑、效率和螺距比。船舶的機槳匹配設計內容一般都包括這兩個設計階段。初步匹配階段主要是通過分析計算，得到理論上最佳的主機功率和螺旋槳轉速，進而確定實際的主機型號。再以實際選擇主機的功率、轉速為基礎，匹配計算出效率最高的螺旋槳各要素，以達到設計航速。

槳葉數的確定通常要考慮到船型、性能、振動和空泡等多個方面。一般，螺旋槳葉數少則槳效率會高，對減少空泡影響有利；葉數多則振動會減輕。通常內河船多采用3葉或4葉槳，但要避免槳的葉數與主機氣缸數、沖程數成倍數關系，以減小振動。兩種設計階段的計算均可通過武漢理工大學機槳匹配軟件實現，具體過程可參見“第10章實例計算”［4］。

螺旋槳的特性主要反映推力，推力系數K1，扭矩，扭矩系數K2等隨航速、進程比的變化規律。進程比是在螺旋槳轉一圈后，船舶的位移和螺旋槳直徑的比值關系。

即

式（3）中：VP為船速（螺旋槳前進速度）；n為螺旋槳的轉速；hP為螺旋槳的進程：hP=VP/n；D為螺旋槳的直徑。

7　結語

內河船舶主推進系統的設計必須遵循柴油機、齒輪箱、螺旋槳的一般特性及其選型要求，采取有針對性的措施，完善其中的細節，才能滿足運行的安全性與實效性。

［1］蔣德明.高等內燃機原理［M］.西安：交通大學出版社，2002.

［2］張志華.船舶動力裝置概論［M］.哈爾濱：工程大學出版社，2002.

［3］708所.船舶設計實用手冊［M］.北京：國防工業出版社，2007.

［4］中國船級社.鋼質內河船舶建造規范［M］.北京：人民交通出版社，2009.

（編輯：劉楠）

Design of Main Propulsion System for Inland Waterway Vessels

Feng Yi
（Chizhou City Port Management（Local Maritime Bureau），Chizhou Anhui 247000）

The inland ship main propulsion system generally consists of a diesel engine， gearbox， intermediate shaft， the tail shaft，propeller and before and after sealing. This paper focuses on the diesel engine， gear box， the general characteristics of the propeller and its selection requirements.

inland waterway ship； main propulsion； characteristics

U664.3

A

2095-0748（2016）15-0034-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.14

2016-06-28

馮懿（1971—），男，安徽安慶人，本科，畢業于武漢交通科技大學，工程師，研究方向：船舶檢驗。