36000dwt多用途船動力系統集成方案設計研究

王建政，李善從，王 濤，付軍濤

（滬東重機有限公司，上海 200129）

輪機與輔機

36000dwt多用途船動力系統集成方案設計研究

王建政，李善從，王 濤，付軍濤

（滬東重機有限公司，上海 200129）

根據36000dwt多用途船主推進系統任務書和船級社要求，基于船型參數，分別運用HydroComp軟件和ShipPower軟件進行船舶阻力計算及對比分析，以獲取船舶阻力；基于船舶阻力，運用HydroComp軟件進行船機槳匹配初始設計，以獲取主機功率及螺旋槳最佳轉速；綜合考慮主機功率、螺旋槳最佳轉速、初始投資、油耗、質量及功率儲備等因素進行主機選型分析，以確定主機型號；基于主機型號及船舶阻力，運用HydroComp軟件進行船機槳匹配終結設計，以獲取螺旋槳槳徑、螺旋槳平均螺距、螺旋槳盤面比及螺旋槳效率等主要參數；基于船級社規范進行軸系初步設計，以確定軸系軸徑并最終完成該船方案設計研究。研究結果表明，該方案設計不僅滿足設計任務書要求，還可據此確定主機型號、軸系和螺旋槳的基本參數，完成動力系統的報價，進行主機、軸系毛坯及螺旋槳等長周期零部件的訂貨。

動力機械工程；動力系統；集成；方案設計；hydroComp

0 引 言

船舶動力系統涉及船舶營運過程中各種能量的產生、傳遞及消耗，是保證船舶安全、經濟航行的核心部件。現階段我國造船企業對船舶動力系統的配置普遍采用傳統的多方設計、多家供貨模式。據調研，該模式后期很容易招致試航達不到設計航速、槳重/槳輕、軸系振動達不到船級社要求、主機油耗高及主機異常噪聲等一系列問題。這些問題的產生固然有制造和安裝等方面的因素，更有船舶動力系統集成設計方面的原因，但因設計與供貨不統一，造船企業很難排查引發這些問題的真正原因，也就很難追究各配套商的相關責任，最后往往產生爭端。

鑒于此，對于船舶動力系統集成，由一個集成商來負責船舶動力系統的匹配設計、集成供貨、安裝指導及后期服務，同時承擔相應的責任。這種模式早年在國外率先興起，現已盛行；目前國內越來越多的船東/船企開始嘗試這種模式。基于集成商的船舶動力系統集成，擔保的不僅僅是供貨責任，更重要的是統一的匹配設計、集成供貨、安裝指導及后期服務，可促使船舶對環境更友好、營運更經濟、航行更安全。

1 項目簡介

項目主要是對36000dwt多用途船動力系統集成方案進行設計研究。該船采用單機單槳固定螺距推進器（Fixed Pitch Propeller，FPP）、單軸系，入級中國船級社（China Classification Society, CCS）。

設計任務書要求：船舶設計吃水11m時，主機CSR（Continuous Service Rating）為5081kW（89.1r/min），需達到服務航速14kn；主機CMCR（Contract Maximus Continuous Rating）為6960kW（89.1r/min）；主機MCR（Nominal Maximus Continuous Rating）為9960kW（124r/min）。

船級社冰區要求：Class B。

這里基于某船主推進系統設計任務書和CCS規范[1]要求，從船舶阻力計算、船機槳匹配初始設計、主機選型分析、船機槳匹配終結設計和軸系初步設計等5個方面進行船舶動力系統集成方案設計研究。

2 船舶動力系統集成方案設計

船舶動力系統集成方案設計的目標包括確定主機型號、螺旋槳主要參數、中間軸主要參數、螺旋槳軸主要參數和軸系布置圖。

2.1 船舶阻力計算

2.1.1 計算目標

正確預報船舶阻力是方案設計的第一個關鍵點。在概念設計階段，雖然船舶主尺度和船型系數已經確定，但是船舶線型尚未確定，故不適合運用最為精確的船模試驗方法來進行船舶阻力預報。對此，采用基于船模試驗及理論分析的專業軟件進行船舶阻力計算，主要目標是正確計算船舶阻力（船舶有效功率）隨航速的變化規律。

2.1.2 計算過程

根據船長、船寬、排水量、棱形系數、方形系數、水線面系數、中橫剖面系數、舭部形狀、浮心及漂心位置和服務航速等船型數據[2]，分別采用HydroComp及ShipPower等專業軟件進行船舶阻力計算，并進行對比分析[3]。船舶阻力HydroComp計算結果見表1，ShipPower計算結果見表2。

表1 船舶阻力HydroComp計算結果

表2 船舶阻力ShipPower計算結果

2.1.3 計算結果分析

為達到服務航速14kn，對船舶阻力及船舶有效功率HydroComp與ShipPower計算結果進行對比（見表3）。

表3 服務航速14kn時HydroComp與ShipPower計算結果對比

由表3可知，針對該項目，利用2款專業軟件得到的計算結果極為接近，因此基于HydroComp計算結果進行該方案的設計的下一步設計。

2.2 船機槳匹配初始設計

2.2.1 設計目標

基于船舶有效功率、設計任務書對航速的要求及容許的螺旋槳最大直徑初選槳型，最終確定主機功率和螺旋槳最佳轉速。

2.2.2 設計過程

1) 基于艉部線型及CCS規范算出容許的螺旋槳最大直徑為6.3m；

2) 采用HydroComp軟件，選用B型槳進行船機槳匹配初始設計，設計結果見表4[4]。

表4 船機槳匹配初始設計HydroComp計算結果

2.2.3 設計結果分析

船機槳匹配初始設計計算結果與設計任務書要求對比見表5。

表5 服務航速14kn時初始設計結果與任務書要求對比

表6 主機選型對比

由表5可知，針對該項目，初始設計結果滿足任務書要求，因此基于HydroComp計算結果進行該方案設計的下一步設計。

2.3 主機選型分析

2.3.1 分析目標

基于船機槳匹配初始設計計算結果，綜合考慮技術要求、初始投資、油耗、質量和功率儲備等多方面因素確定主機型號。

2.3.2 分析過程

結合船機槳匹配初始設計結果，基于設計任務書要求（船舶達到設計吃水為 11m，主機 CMCR為6960kW（89.1r/min）），從MAN和W?rtsil?主機庫中進行主機選型分析，選出6G50ME-B和6RT-Flex50B這2種候選機型。主機選型對比見表6。

2.3.3 選型結果分析

由表6中對候選機型的對比分析可知，由于6RT-Flex50B在初始投資、自重和油耗等方面較6G50ME-B占優，因此主機選用6RT-Flex50B。

2.4 船機槳匹配終結設計

2.4.1 設計目標

船機槳匹配終結設計的主要目標為：基于選定的主機（主機功率和轉速）和船舶有效功率曲線確定船舶所能達到的最大航速及螺旋槳參數（包括槳徑、螺距比、盤面比及螺旋槳效率等），同時保證所設計的螺旋槳滿足空泡要求[5]。

2.4.2 設計過程

采用HydroComp軟件進行船機槳匹配終結設計，設計結果見表7和表8[6]。

表7 終結設計計算結果——推進參數

表8 終結設計計算結果——螺旋槳參數

2.4.3 設計結果分析

服務航速為14kn時船機槳匹配終結設計結果與設計任務書要求對比見表9。

表9 服務航速為14kn時船機槳匹配終結設計結果與任務書要求對比

由表7～表9可知，在滿足空泡要求的前提下，所設計的螺旋槳（槳徑6.3m，盤面比0.44，螺距比0.6985，螺旋槳淌水效率0.6196）能保證在主機功率為5073.2kW（此時主機轉速為89r/min)時達到設計航速14kn，滿足設計要求。

2.5 軸系初步設計

2.5.1 設計目標

軸系初步設計的主要目標是確定軸系布置形式、各軸段連接方式和軸系軸徑。

2.5.2 設計過程

軸系軸徑計算采用CCS規范的推薦公式，即

式（1）中：d為軸的基本直徑，mm；F為推進裝置型式參數， 100F= 適用于柴油機推進裝置和所有螺旋槳軸；ep為軸傳遞的額定功率，kW；en為軸傳遞的額定轉速，r/min）；bσ為軸材料的抗拉強度，N/mm2；C為設計特性系數， 1.22C= 適用于法蘭連接的螺旋槳軸， 1C=適用于具有整體連接法蘭的中間軸。

通過計算得到螺旋槳軸基本直徑為475mm，中間軸基本直徑為389mm。考慮到該船的冰區要求為B級，適當考慮余量，螺旋槳軸基本直徑取490mm，中間軸基本直徑為410mm。設計的螺旋槳軸見圖1，中間軸見圖2[7]。

3 結 語

針對36000dwt多用途船動力系統集成方案設計進行了研究。基于該技術方案可以確定主機型號、軸系和螺旋槳的基本參數，完成動力系統的報價，進行主機、軸系毛坯及螺旋槳等長周期零部件的訂貨。同時，該方案設計的設計思路可為今后類似船舶的方案設計提供借鑒。

[1] 中國船級社. 船舶入級和建造規范[S]. 2010.

[2] 何廣韜. 船舶主尺度測量方法與精度控制[J]. 船舶與海洋工程，2013, 29 (3)： 54-58.

[3] 李云波. 船舶阻力[M]. .哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006.

[4] 王建政. 船機槳匹配設計軟件開發[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

[5] 吳小平，劉洋浩，張磊. 基于遺傳算法的船舶螺旋槳優化設計[J]. 船舶與海洋工程，2014, 30 (4)： 31-37.

[6] 王建政，王藝真，張文平，等. 船機槳匹配設計軟件研究開發[J]. 船舶與海洋工程，2014, 30 (1)： 45-49.

[7] 趙旭，李梓，劉旭明，等. 某船主推進系統集成方案設計[J]. 機電工程，2009 (5)： 5-8.

Study on the Power System Integration Design of a 36000dwt Multi-Purpose Vessel

WANG Jian-zheng，LI Shan-cong，WANG Tao，FU Jun-tao
（Hudong Heavy Machinery Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

According to the specifications of the main propulsion system and the rules of classification for the 36000dwt multi-purpose vessel, resistance computations are performed with HydroComp software and ShipPower software on the basis of hull parameters in order to obtain the resistance of the ship. Then, HydroComp software is used again for the preliminary design of hull-engine-propeller matching based on the resistance obtained to define the power of the main engine and the optimal rpm of the propeller. After that, main engine could be selected with a comprehensive consideration on engine power, propeller, optimal rpm, initial investment, fuel consumption, weight, sea margin and etc. HydroComp software is also used for the final design of hull-engine-propeller matching according to the main engine selected and the ship resistance in order to define the main parameters of the propeller such as diameter, average pitch, area ratio and efficiencies. Finally, shaft system preliminary design is performed in accordance with the classification rules to determine the shaft diameter and thus ship design is accomplished. The result shows that the design can meet the requirements of the specifications and the parameters can be used as the base of both the quotation of power system and the purchase of main engine, shaft system and propeller.

machinery engineering; power system; integration; project design; HydroComp

U664.1；U674.13+8

A

2095-4069 (2017) 01-0023-08

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.005

2015-10-22

王建政，男，工程師，1983年生。2012年畢業于哈爾濱工程大學動力工程專業，現從事船舶動力系統設計、集成、服務一體化研究工作。