40米高速巡邏艇動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)

吳大榮++陳建++黃海彬

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了40米高速巡邏艇動(dòng)力裝置選型、布置設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高速艇；動(dòng)力裝置；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U664.121 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Power Plant Design of 40m Fast Patrol Boat

WU Darong1， CHEN Jian2， HUANG Haibin2，

（1.Guangzhou Shipyard International Company Limited， Guangzhou 510382； 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）

Abstract： This paper introduces the type selection， arrangement and design of the power plant for t40m fast patrol boat.

Key words： Fast Patrol boat； Power plant； Design

1 前言

由中船605院設(shè)計(jì)的40米高速巡邏艇，具有海上巡航、警示、追擊、搜救、救援等功能，可用于近海巡航、警戒、漁業(yè)檢查、維護(hù)領(lǐng)海安全、打擊海盜和違法船只等。該艇適用于亞熱帶地區(qū)，具有航速高、操作性好，、可靠性高等特點(diǎn)，其動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)與常規(guī)民船設(shè)計(jì)有所不同，本文對(duì)其設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2 主要設(shè)計(jì)條件

2.1規(guī)范、規(guī)則

該型艇按照CCS《水面艦艇入級(jí)規(guī)范（2011）》及修改通報(bào)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 環(huán)境要求

該艇適用于亞熱帶地區(qū)，其使用環(huán)境溫度高、濕度大；環(huán)境溫度高達(dá)45℃，最大濕度98%。

2.3 使用要求

該型艇航速高，排水量對(duì)推進(jìn)功率的影響大，設(shè)計(jì)時(shí)需嚴(yán)格控制空船重量；此外，該型艇船型瘦小，布置空間有限，需選用重量輕、體積小的設(shè)備。

根據(jù)該型艇的使用范圍和功能，要求其操作靈活、加速性能好、安全性和可靠性高，且可在全惡劣天氣和海況下全天候工作，其動(dòng)力設(shè)備需儲(chǔ)備25%以上的功率。

2.4 主要相關(guān)參數(shù)

3 動(dòng)力設(shè)備選型

經(jīng)過對(duì)主機(jī)總功率需求、使用工況、布置空間和現(xiàn)有主要柴油機(jī)型尺寸等相關(guān)因素的綜合分析，決定該型艇采用雙機(jī)雙槳形式。其配套設(shè)備的配置按照中國(guó)船級(jí)社《水面艦艇入級(jí)規(guī)范（2011）》相關(guān)要求并取得船級(jí)社認(rèn)可。

3.1主機(jī)選型

主機(jī)是船舶動(dòng)力裝置的核心，在船舶配置中占有極其重要的地位，主機(jī)的自身重量、體積、性能對(duì)船舶設(shè)計(jì)具有重大影響。該型艇具有航速高、空間狹窄、排水量小、主機(jī)功率大的特點(diǎn)，為此必須選用體積小、重量輕的高性能柴油機(jī)才能滿足總體設(shè)計(jì)要求。

目前可供選擇的機(jī)型有CAT、CUMMINS、MTU和MWM等品牌。經(jīng)過對(duì)其使用性能、使用工況、成本、售后服務(wù)、用戶意向等因素綜合比較，該型艇選用TBD620V16型船用高速四沖程柴油機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)。該型柴油機(jī)為德國(guó)引進(jìn)技術(shù)，具有功率大、重量較輕、體積較小、機(jī)身高度低等特點(diǎn)，且其售后服務(wù)也能滿足用戶需求。該型柴油機(jī)最大持續(xù)功率（MCR）為2032KW x 1800r/min；最大功率（SMCR）為2240KW x 1860r/min。

3.2 齒輪箱

齒輪箱選型需根據(jù)主機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和螺旋槳轉(zhuǎn)速及年平均使用時(shí)間等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行，選型時(shí)還應(yīng)注意其重量、外型尺寸等因素。其主要參數(shù)確定和選型方法為：

（1） 額定輸入轉(zhuǎn)速：齒輪箱的額定輸入轉(zhuǎn)速根據(jù)主機(jī)額定轉(zhuǎn)速確定，其應(yīng)不小于主機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；

（2） 額定傳遞能力：齒輪箱的額定傳遞能力，根據(jù)主機(jī)額定功率與主機(jī)額定轉(zhuǎn)速的比值確定其實(shí)際值應(yīng)不小于計(jì)算值；

（3） 傳動(dòng)比：齒輪箱的傳動(dòng)比根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)速及主機(jī)轉(zhuǎn)速確定；

（4） 年使用時(shí)間：由用戶提供其年平均使用時(shí)間，以確定齒輪箱的負(fù)荷等級(jí)；

（5） 型號(hào)：根據(jù)負(fù)荷等級(jí)和額定傳遞能力需求，確定齒輪箱型號(hào)。

此外，根據(jù)該型艇為固定螺距槳推進(jìn)，選用具有離合、倒順功能的齒輪箱，兩個(gè)齒輪箱分別為左/右型。

根據(jù)上述因素，該型艇齒輪箱選定如下：

型號(hào) ZF7600

最大輸入轉(zhuǎn)速 2300rpm

負(fù)荷等級(jí) 中載（年平均使用時(shí)間不超過4000h）

傳遞能力 1.2356kW/rpm

傳動(dòng)比 2.565：1

4 機(jī)艙布置

機(jī)艙布置設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下要點(diǎn)：

（1）艇的重心位置和浮態(tài)

該型艇艉部線型收縮較快、外型瘦小。如機(jī)艙設(shè)在艉部，則艇尾傾會(huì)比較嚴(yán)重；如機(jī)艙設(shè)在中部，則艇重心比較靠前，會(huì)對(duì)最大航速產(chǎn)生不利影響，并且其軸系也較長(zhǎng)，施工難度大、軸系效率降低。經(jīng)綜合評(píng)估，本艇機(jī)艙設(shè)在舯部靠后位置，位于16#～36#之間，總長(zhǎng)約10米。

（2）左右力矩平衡

對(duì)于配有兩套重量較大的設(shè)備，應(yīng)盡量左右對(duì)稱布置；而對(duì)于單件大型設(shè)備，則應(yīng)盡量靠縱中布置，或以其它設(shè)備來平衡其產(chǎn)生的橫向力矩，減少靜橫傾角。例如：雙主機(jī)采用對(duì)稱布置；兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組采用左右對(duì)稱布置；海水箱布置在機(jī)艙前端左右舷；機(jī)艙前壁左右兩舷對(duì)稱布置淡水壓力柜和海水壓力柜；主輔機(jī)的排煙管、消音器左右對(duì)稱布置；兩臺(tái)機(jī)艙風(fēng)機(jī)左右對(duì)稱布置；生活污水處理裝置布置在機(jī)艙后部左舷，而空調(diào)冷水機(jī)組布置在機(jī)艙后部右舷，以使兩者力矩基本平衡。

5 軸系設(shè)計(jì)

5.1軸系布置endprint

對(duì)于雙機(jī)、雙槳、雙軸系船舶，軸系應(yīng)采用對(duì)稱布置方式：在水平面上兩條軸線與艇體縱中剖面應(yīng)盡量平行，在垂直面上軸線也應(yīng)盡量與艇體基線平行，以使船舶在前進(jìn)方向上的合力達(dá)到最佳值。但由于艇吃水很淺，當(dāng)保證軸線與艇體基線平行時(shí)，其輕載工況螺旋槳不能完全浸沒于水中。此外，因艇的型深低且艇體艉部線型瘦小，主機(jī)/齒輪箱的底部布置空間往往不足，為此通常需要抬高主機(jī)/齒輪箱軸心線，因此在垂直面上該型快艇的軸中心線往往設(shè)計(jì)成與基線成一夾角，即主機(jī)中心抬高而螺旋槳中心下降。但為了減少其推力損失，并保證主機(jī)/齒輪箱工作正常，軸線傾斜角度通常不大于5°為宜。

本艇支承軸承跨距參照《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》的推薦設(shè)定，每條軸系分別設(shè)置3個(gè)支承軸承，并按CB/Z208標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軸系回旋振動(dòng)頻率校核。

5.2 軸系材料

船舶軸系鍛件材料可參照CB/T1159標(biāo)準(zhǔn)所推薦的材質(zhì)選取，其機(jī)械性能和化學(xué)成分均需滿足《材料與焊接規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。根據(jù)本艇規(guī)格書要求，其軸系應(yīng)為不銹鋼材質(zhì)。但CB/T1159標(biāo)準(zhǔn)和《材料與焊接規(guī)范》兩個(gè)文件對(duì)推進(jìn)軸用材質(zhì)只明確了碳鋼、碳錳鋼和合金鋼幾種材料的機(jī)械性能，而對(duì)不銹鋼材料未有詳細(xì)的描述，且國(guó)際上各船級(jí)社除NK規(guī)范對(duì)采用316不銹鋼材料做了的一些規(guī)定外，其余規(guī)范未詳細(xì)提及不銹鋼材料的相關(guān)規(guī)定。經(jīng)研究，發(fā)現(xiàn)一些不銹鋼材料的柔性較好，其屈服強(qiáng)度比較小，而其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度比較大，其機(jī)械性能不滿足CCS《材料與焊接規(guī)范》的規(guī)定。為此，選用不銹鋼材料時(shí)，建議按CB/Z208標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行屈服安全系數(shù)校核。但有些不銹鋼材料的剛性較好，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均較高，且其抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的比值較小，如 S51740， 其最低抗拉強(qiáng)度約為800MPa，而屈服強(qiáng)度達(dá)725MPa以上，雖然其機(jī)械性能符合《材料與焊接規(guī)范》的規(guī)定，但抗拉強(qiáng)度太高，對(duì)軸表面缺陷的敏感性較強(qiáng)， CCS也不推薦使用。而雙相不銹鋼的機(jī)械性能符合《材料與焊接規(guī)范》的規(guī)定，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均符合規(guī)范要求，且抗海水腐蝕能力較強(qiáng)，因此本艇軸材料采用雙相不銹鋼，并得到船檢認(rèn)可，但該種材料成本相對(duì)較高。

5.3 軸系組成

本型艇動(dòng)力裝置設(shè)置兩套軸系，每套軸系包括以下部件：中間軸一根；螺旋槳軸一根；尾軸管前軸承一個(gè)；尾軸管中間軸承一個(gè)；尾軸管后軸承一個(gè)；五葉固定螺距螺旋槳一個(gè)。螺旋槳與螺旋槳軸采用鍵聯(lián)接，軸系布置圖，見圖1。

5.4 聯(lián)軸器

該型艇尾軸與調(diào)節(jié)軸采用可拆式液壓聯(lián)軸器聯(lián)接，軸系上設(shè)有軸系制動(dòng)裝置。液壓聯(lián)軸器安裝及檢修方便，節(jié)省空間，同時(shí)又減輕了軸系的重量。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于不銹鋼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度較低，且其耐海水腐蝕的能力有限，對(duì)于大功率的船艇軸系通常不推薦采用。為此，建議船舶軸系盡量采用碳鋼或合金鋼材料，而對(duì)采用水潤(rùn)滑的尾軸，可采用外包玻璃鋼的措施防腐。

本文以40米高速巡邏艇為例，簡(jiǎn)要總結(jié)了高速艇動(dòng)力裝置的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)，但愿為設(shè)計(jì)類似船艇提供一點(diǎn)有益的參考。endprint