3 000 t級公務船主推進系統集成技術研究

陳觀富　姬換霞　莫臣兵

摘 要：隨著船舶主推進裝置系統化、高端化、復雜化發展，主推進系統集成化設計和供貨已逐漸為廣大船東所接收。本文結合3 000 t級公務船主推進系統集成項目，對主推進系統集成設計理念和技術特點進行論述。

關鍵詞：公務船；主推進系統；集成技術；雙機雙可調槳

中圖分類號：U661.34 文獻標識碼：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，中國周邊海上環境形勢錯綜復雜，海洋權益面臨嚴重的威脅和挑戰，大力建設性能優越的公務船舶勢在必行，3 000 t級公務船建造項目在此環境下應運而生。本船主推進系統選用國內外逐漸流行的集成設計與供貨方式，通過對各設備進行優化選型和系統匹配，在給定的約束條件下提供先進、適用的全系統解決方案，有效提高了匹配性能，優化了系統適用性。

2 主推進系統集成設計

2.1 系統配置和特點

主推進系統主要由柴油機、軸系及附件、傳動設備、推進器和控制系統組成，其設計的好壞直接影響到船舶的機動性、濟濟性、可靠性。采用系統集成，可以解決主機系統設計、制造、安裝和維修的關鍵技術，提高產品本土化率。

結合本船需要有較高的機動性運行要求，決定選用可靈活操作的雙中速機、雙可調槳主推進系統。本系統主要包含以下主要設備：主機2臺、齒輪箱2臺、軸系及附件2套、可調槳2套、油潤滑尾管及軸承2套、軸帶發電機2臺、高彈性聯軸器4只。圖1為本船主推進系統布置圖。

本系統配置具有如下優點：

（1）主機和齒輪箱可在不停機換向的基礎上，通過調節可調槳正倒車螺距，實現船舶快速前進和后退，操縱靈活；

（2）齒輪箱內置離合器，可實現主機不帶負載啟動，方便系統調試與檢查；

（3）主機自由端驅動軸帶發電機，在巡航過程通過軸帶發電機替代柴油發電機組為船舶供電，可提高主機運行負荷、降低排放、節約能耗；

（4）采用油潤滑型式尾管及軸承，可提高推進效率、降低軸系損傷風險；

（5）通過高彈性聯軸器，補償主機和受力設備（齒輪箱和軸帶發電機）的軸向和徑向位移，調節主推進系統扭振特性。

2.2系統設備選型

主推進系統集成選型，最為關鍵的是確定主推進柴油機的功率，它主要取決于設計航速及船模試驗數據，再根據柴油機功率和其它因素影響，進行其它設備的定型。

本船航速要求≮21 kn（主機95%MCR推進工況），巡航航速要求為16 kn。根據船模試驗數據對功率進行估算，見圖2。

從圖2可以得出主機額定功率至少需4 010 kW（3810 kW/95%），并從以下幾方面綜合考慮來進行主機選型：

（1）主機額定功率/轉速、外形尺寸、油耗、重量等；

（2）設備及主要零部件國產化情況；

（3）服務保障條件。

最終選用額定功率為4 500 kW的國產9L32/40柴油機作為本船主機。

主機選定后，考慮傳動裝置運行損耗，在保證效率的情況下，盡量避免螺旋槳產生空泡、減少誘導振動，確定設計槳徑、轉速等參數。再根據主機參數、螺旋槳參數和機艙布置要求，設計齒輪箱偏心距、減速比等。

2.3 主推進輔助系統設計

主推進輔助系統主要由以下部分組成：燃油系統、滑油系統、冷卻水系統、進排氣系統、啟動空氣系統、液壓系統等。本文以冷卻水系統為例闡述系統設計。

主推進系統設備運行時，會產生大量的熱量，如柴油機、齒輪箱、可調槳液壓站和中間軸承等。在運行過程中，因燃燒、摩擦等產生的熱量會使金屬產生疲勞，或使機械的過熱保護裝置啟動，如軸承會因過熱導致燒損、主機會因高溫水溫度過高導致啟動降負荷動作，所以需要設計合理的冷卻系統。

船舶冷卻系統分為開式冷卻系統和閉式冷卻水系統，閉式冷卻水系統又分為常規冷卻水系統、中央冷卻水系統和混合式冷卻水系統。本船主推進系統設計為利用海水作為冷卻介質進行熱交換的混合式冷卻水系統，每臺推進主機獨立成為一整體，可以互為備用，通過集成設計保證系統和設備在一個正常穩定的工況下工作。

2.4系統校核計算

通過主推進系統扭振計算、回旋振動計算和校中計算，校核系統設計合理性及船機槳匹配程度。

（1）利用解析法，分別針對主推進系統柴油機帶滿螺距螺旋槳和發電機、柴油機帶零螺距螺旋槳和發電機、單獨發電和脫排等4個工況，進行自由振動和強迫振動計算分析。結果表明：① 在柴油機正常發火情況及一缸熄火情況下，在柴油機工作轉速范圍內，柴油機曲軸、中間軸、螺旋槳軸和電機軸等軸段扭振應力均未超過許用值；② 高彈性聯軸器的振動轉矩和齒輪箱齒輪處的振動轉矩未超過允許值；③ 發電機轉子的電角及慣性力矩也未超過許用值。因此，本船可實現無禁區運行。

（2）通過軸系校中計算，結果表明：① 每個軸承的應力均為正反力，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傾角為5.7×10-4 rad，大于船檢規范要求的3.5×10-4 rad，因此對后尾管軸承內孔作了0.4 mm/m的斜鏜處理；④ 軸承比壓和軸系附件彎曲應力計算值，見表1和表2，均在規范要求范圍內。

3 主推進系統集成施工安裝

通過系統集成解決了多個設備的匹配和接口問題，船廠根據制定的《主推進系統安裝工藝》進行現場施工，主要內容如下：

（1）設備的入庫報驗，根據提供整套系統的供貨單進行設備清點，避免附件的遺漏；

（2）根據提供的圖紙進行整個軸線的初定位，焊裝設備的基座、美人架、尾管定位、焊接；

（3）軸線的精確定位后進行尾管鏜孔，安裝軸承；

（4）吊裝主機、推進器、軸系、齒輪箱和軸發；

（5）按照圖紙進行整個軸系的對中，確定相對位置以尾軸為基準開始向前進行對中，保證各個外圓和開口在允許的范圍內；

（6）下水后采用負荷稱重法來合理的校中，數據必須在設計范圍內；

（7）合格后進行螺孔鉆孔、墊片的灌注；連接各個螺栓；

（8）附件和系統的連接；

（9）控制系統的安裝和接線。

在施工過程中，嚴格控制各個數據在圖紙和工藝要求范圍內，安裝的各個參數和數據均在設計范圍內。

4 主推進系統集成試驗驗證

通過系統集成規范化進度、生產過程質量監控，并通過出廠試驗的設備到廠后，由船廠按照施工工藝完成設備安裝及檢驗。然后按照主推進系統系泊和航行試驗大綱進行實船檢驗，驗證本船主推進系統的可靠性和先進性。

通過系泊試驗，驗證設備安全報警和監測功能正常，低負荷碼頭帶載試驗時各設備運行正常。

通過航行試驗得出如下結論：雙主機95%負荷情況下，測得船舶航速為20.5 kn，超出設計要求；通過測試記錄，得出聯控模式下能有效節油；通過各工況下軸功率測試，主機功率得到有效輸出、推進效率較高。

5 結論

本船采用主推進系統集成設計與供貨，為用戶提供先進適用的系統解決方案和全壽命、專業、快捷的一門式服務，有效減輕了船廠、設計院和船東的工作量。

本船主推進系統，充分利用系統集成責任單位領先的專業優勢和豐富經驗，協助用戶對主推進系統各主要設備進行全面、客觀的論證，在滿足總體要求和用戶需求的基礎上，提供動力系統匹配及設備選型建議，使整個動力系統配置更合理、更優化，獲得性價比最高、最優化的動力系統整體解決方案。

主推進系統集成，不僅是集成供貨和優化，還可為用戶提供節能環保、低噪聲等特色設計，為用戶設計新型的先進系統。經過實際項目實施和實船運行驗證，主推進系統集成確實起到了優化設計、提高工程效率等作用，為后續船舶建造提供參考與指導。

參考文獻

[1] 船舶設計實用手冊[M].中國交通科技出版社，2007.

[2] 中國船級社.鋼制海船入級規范2012[M].人民交通出版社，2012.