3 000 t级公务船主推进系统集成技术研究

摘 要：随着船舶主推进装置系统化、高端化、复杂化发展，主推进系统集成化设计和供货已逐渐为广大船东所接收。本文结合3 000 t级公务船主推进系统集成项目，对主推进系统集成设计理念和技术特点进行论述。

关键词：公务船；主推进系统；集成技术；双机双可调桨

中图分类号：U661.34 文献标识码：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

近年恚中国周边海上环境形势错综复杂，海洋权益面临严重的威胁和挑战，大力建设性能优越的公务船舶势在必行，3 000 t级公务船建造项目在此环境下应运而生。本船主推进系统选用国内外逐渐流行的集成设计与供货方式，通过对各设备进行优化选型和系统匹配，在给定的约束条件下提供先进、适用的全系统解决方案，有效提高了匹配性能，优化了系统适用性。

2 主推进系统集成设计

2.1 系统配置和特点

主推进系统主要由柴油机、轴系及附件、传动设备、推进器和控制系统组成，其设计的好坏直接影响到船舶的机动性、济济性、可靠性。采用系统集成，可以解决主机系统设计、制造、安装和维修的关键技术，提高产品本土化率。

结合本船需要有较高的机动性运行要求，决定选用可灵活操作的双中速机、双可调桨主推进系统。本系统主要包含以下主要设备：主机2台、齿轮箱2台、轴系及附件2套、可调桨2套、油尾管及轴承2套、轴带发电机2台、高弹性联轴器4只。图1为本船主推进系统布置图。

本系统配置具有如下优点：

（1）主机和齿轮箱可在不停机换向的基础上，通过调节可调桨正倒车螺距，实现船舶快速前进和后退，操纵灵活；

（2）齿轮箱内置离合器，可实现主机不带负载启动，方便系统调试与检查；

（3）主机自由端驱动轴带发电机，在巡航过程通过轴带发电机替代柴油发电机组为船舶供电，可提高主机运行负荷、降低排放、节约能耗；

（4）采用油型式尾管及轴承，可提高推进效率、降低轴系损伤风险；

（5）通过高弹性联轴器，补偿主机和受力设备（齿轮箱和轴带发电机）的轴向和径向位移，调节主推进系统扭振特性。

2.2系统设备选型

主推进系统集成选型，最为关键的是确定主推进柴油机的功率，它主要取决于设计航速及船模试验数据，再根据柴油机功率和其它因素影响，进行其它设备的定型。

本船航速要求≮21 kn（主机95%MCR推进工况），巡航航速要求为16 kn。根据船模试验数据对功率进行估算，见图2。

从图2可以得出主机额定功率至少需4 010 kW（3810 kW/95%），并从以下几方面综合考虑来进行主机选型：

（1）主机额定功率/转速、外形尺寸、油耗、重量等；

（2）设备及主要零部件国产化情况；

（3）服务保障条件。

最终选用额定功率为4 500 kW的国产9L32/40柴油机作为本船主机。

主机选定后，考虑传动装置运行损耗，在保证效率的情况下，尽量避免螺旋桨产生空泡、减少诱导振动，确定设计桨径、转速等参数。再根据主机参数、螺旋桨参数和机舱布置要求，设计齿轮箱偏心距、减速比等。

2.3 主推进辅助系统设计

主推进辅助系统主要由以下部分组成：燃油系统、滑油系统、冷却水系统、进排气系统、启动空气系统、液压系统等。本文以冷却水系统为例阐述系统设计。

主推进系统设备运行时，会产生大量的热量，如柴油机、齿轮箱、可调桨液压站和中间轴承等。在运行过程中，因燃烧、摩擦等产生的热量会使金属产生疲劳，或使机械的过热保护装置启动，如轴承会因过热导致烧损、主机会因高温水温度过高导致启动降负荷动作，所以需要设计合理的冷却系统。

船舶冷却系统分为开式冷却系统和闭式冷却水系统，闭式冷却水系统又分为常规冷却水系统、中央冷却水系统和混合式冷却水系统。本船主推进系统设计为利用海水作为冷却介质进行热交换的混合式冷却水系统，每台推进主机独立成为一整体，可以互为备用，通过集成设计保证系统和设备在一个正常稳定的工况下工作。

2.4系统校核计算

通过主推进系统扭振计算、回旋振动计算和校中计算，校核系统设计合理性及船机桨匹配程度。

（1）利用解析法，分别针对主推进系统柴油机带满螺距螺旋桨和发电机、柴油机带零螺距螺旋桨和发电机、单独发电和脱排等4个工况，进行自由振动和强迫振动计算分析。结果表明：① 在柴油机正常发火情况及一缸熄火情况下，在柴油机工作转速范围内，柴油机曲轴、中间轴、螺旋桨轴和电机轴等轴段扭振应力均未超过许用值；② 高弹性联轴器的振动转矩和齿轮箱齿轮处的振动转矩未超过允许值；③ 发电机转子的电角及惯性力矩也未超过许用值。因此，本船可实现无运行。

（2）通过轴系校中计算，结果表明：① 每个轴承的应力均为正反力，且不小于相邻两跨轴重量的20%；②大齿轮前后轴承的反力差不大于两轴承之间轴端及大齿轮重量的20%； ③ 后尾管轴承与尾轴间相对倾角为5.7×10-4 rad，大于船检规范要求的3.5×10-4 rad，因此对后尾管轴承内孔作了0.4 mm/m的斜镗处理；④ 轴承比压和轴系附件弯曲应力计算值，见表1和表2，均在规范要求范围内。

3 主推进系统集成施工安装

通过系统集成解决了多个设备的匹配和接口问题，船厂根据制定的《主推进系统安装工艺》进行现场施工，主要内容如下：

（1）设备的入库报验，根据提供整套系统的供货单进行设备清点，避免附件的遗漏；

（2）根据提供的图纸进行整个轴线的初定位，焊装设备的基座、美人架、尾管定位、焊接；

（3）轴线的精确定位后进行尾管镗孔，安装轴承；

（4）吊装主机、推进器、轴系、齿轮箱和轴发；

（5）按照图纸进行整个轴系的对中，确定相对位置以尾轴为基准开始向前进行对中，保证各个外圆和开口在允许的范围内；

（6）下水后采用负荷称重法来合理的校中，数据必须在设计范围内；

（7）合格后进行螺孔钻孔、垫片的灌注；连接各个螺栓；

（8）附件和系统的连接；

（9）控制系统的安装和接线。

在施工过程中，严格控制各个数据在图纸和工艺要求范围内，安装的各个参数和数据均在设计范围内。

4 主推进系统集成试验验证

通过系统集成规范化进度、生产过程质量监控，并通过出厂试验的设备到厂后，由船厂按照施工工艺完成设备安装及检验。然后按照主推进系统系泊和航行试验大纲进行实船检验，验证本船主推进系统的可靠性和先进性。

通过系泊试验，验证设备安全报警和监测功能正常，低负荷码头带载试验时各设备运行正常。

通过航行试验得出如下结论：双主机95%负荷情况下，测得船舶航速为20.5 kn，超出设计要求；通过测试记录，得出联控模式下能有效节油；通过各工况下轴功率测试，主机功率得到有效输出、推进效率较高。

5 结论

本船采用主推进系统集成设计与供货，为用户提供先进适用的系统解决方案和全寿命、专业、快捷的一门式服务，有效减轻了船厂、设计院和船东的工作量。

本船主推进系统，充分利用系统集成责任单位领先的专业优势和丰富经验，协助用户对主推进系统各主要设备进行全面、客观的论证，在满足总体要求和用粜枨蟮幕础上，提供动力系统匹配及设备选型建议，使整个动力系统配置更合理、更优化，获得性价比最高、最优化的动力系统整体解决方案。

主推进系统集成，不仅是集成供货和优化，还可为用户提供节能环保、低噪声等特色设计，为用户设计新型的先进系统。经过实际项目实施和实船运行验证，主推进系统集成确实起到了优化设计、提高工程效率等作用，为后续船舶建造提供参考与指导。

参考文献

[1] 船舶设计实用手册[M].中国交通科技出版社，2007.

[2] 中国船级社.钢制海船入级规范2012[M].人民交通出版社，2012.