邱黎輝，張俊武

● （蘇州船用動力系統(tǒng)股份有限公司，江蘇蘇州 215126；2．中船重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

某型海監(jiān)船動力系統(tǒng)集成綜述

邱黎輝1，張俊武2

● （蘇州船用動力系統(tǒng)股份有限公司，江蘇蘇州 215126；2．中船重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

隨著我國造船業(yè)的發(fā)展，船舶動力系統(tǒng)的集成化設計和供貨已逐漸為廣大船東所接收。文章對某型海監(jiān)船動力系統(tǒng)的集成設計情況進行了介紹，重點介紹了動力系統(tǒng)的配置情況，對動力系統(tǒng)集成設計的特點進行分析。并對動力系統(tǒng)集成工作的前景進行了展望。

海監(jiān)船；動力系統(tǒng)；集成化設計

0 引言

動力系統(tǒng)集成是國外船舶制造企業(yè)通用的動力系統(tǒng)設計和供貨模式。2006年我國在出口德國的4000t多用途運輸船（GL）上首次采用了這種模式并取得了成功，之后幾年動力系統(tǒng)的集成化設計和供貨逐漸被國內(nèi)船東所接受。動力系統(tǒng)集成是指通過系統(tǒng)的設計和集成供貨，實現(xiàn)船舶動力系統(tǒng)的空間布置更趨合理、推進效率優(yōu)化、控制方式和邏輯優(yōu)化。動力系統(tǒng)的集成設計具有提高主推進效率、降低能耗等眾多優(yōu)點[1]，同時可以縮短船舶建造周期，節(jié)約運營成本。

1 某型海監(jiān)船及其動力系統(tǒng)集成及改裝情況

某型海監(jiān)船是一艘大型綜合遠洋科學考察船，該船于1981年7月建造完工出廠。在30余年的使用過程中，為我國海洋環(huán)境監(jiān)測、考察、研究做出了重要貢獻。該船原設計為兩臺可逆轉(zhuǎn)低速主機（功率 3310kW，轉(zhuǎn)速200r/min）驅(qū)動兩套固定槳推進。但由于年久失修，缺乏配件供應等原因，該船動力系統(tǒng)故障頻發(fā)，對船舶運營安全構(gòu)成威脅。故對其動力系統(tǒng)進行更換、技術改造。該船的改造入CCS船級社，保留原船的線型設計、軸包架、艉管等部件。

某型海監(jiān)船動力系統(tǒng)集成改裝采用雙機雙槳推進，不可逆轉(zhuǎn)中速機（型號：MAN7L27/38，功率：2555kW，轉(zhuǎn)速：800r/min）通過垂直異心齒輪箱（型號：GWK5259，減速比4.105:1）驅(qū)動調(diào)距槳裝置（79KS/4），調(diào)距槳采用軸系式配油器。螺旋槳軸采用海水潤滑軸承，暴露在海水中的部分包覆玻璃鋼防止海水腐蝕。結(jié)合動力系統(tǒng)特點，對遙控系統(tǒng)進行了改造。改造后的控制系統(tǒng)使動力系統(tǒng)的運行具有聯(lián)控、分控、恒轉(zhuǎn)速、應急控制等模式的運行功能。

本船對動力系統(tǒng)改裝的航速要求為：≥15kn（90%MCR主機功率時）。

改裝后的動力系統(tǒng)布置圖如圖1所示。

圖1 某型海監(jiān)船動力系統(tǒng)布置圖

2 動力系統(tǒng)集成設計

根據(jù)該船的船型數(shù)據(jù)和總布置情況，對主機、齒輪箱、調(diào)距槳、軸系等進行定位；通過航速計算、系柱拖力計算、軸系校中計算、軸系回旋振動計算、軸系強度計算等進行了動力系統(tǒng)的總體設計和設備選型；并且對主推進監(jiān)測、控制系統(tǒng)進行設計，實現(xiàn)了多種模式的控制功能。

2.1 主推進柴油機

主機發(fā)出的功率N經(jīng)過軸系傳送至螺旋槳,由于軸系的摩擦損失、船體效率及螺旋槳水動力損失等因素，真正有效的部分是克服船體阻力使船以額定航速 V前進的功率，亦即船的有效功率R0，本船主機功率計算考慮舊船改造時5%的增加阻力，實際有效功率取1.05R0。

設計航速15kn時的理論有效功率R0取2465kW，軸系效率ηS取0.96，相對旋轉(zhuǎn)效率ηR取0.98，螺旋槳敞水效率η0取0.65，船身效率ηH取1.0359，主機功率留10%功率裕量。計算得主機最小功率為4358kW，本船雙機雙槳，故單機功率最小應為2179kW。

根據(jù)功率計算，在現(xiàn)有成熟機型中選取MAN 7L27/38船用柴油機，其MCR功率為2555kW，額定轉(zhuǎn)速800r/min，該主機為7缸、四沖程、直列式、直接噴射、增壓中冷、濕式油底殼。該型柴油機的機體采用整體剛性化設計，選用MAN公司的渦輪增壓器，進氣過程采用兩級中冷。主機安全控制系統(tǒng)采用MAN公司的AT2000系統(tǒng)。

2.2 高彈性聯(lián)軸器

高彈性聯(lián)軸器具有減振降噪、抗沖擊、避免軸系發(fā)生扭振振動的功能，且其彈性元件的剛度變化為非線性，故必須由專業(yè)扭振計算人員進行分析和配置，根據(jù)動力系統(tǒng)扭振計算結(jié)果進行最終的選型。

本船采用VULKUN的CRS2920型高彈性聯(lián)軸器，用于連接主機飛輪和齒輪箱輸入法蘭。CRS型高彈性聯(lián)軸器是一種扭轉(zhuǎn)彈性橡膠減振聯(lián)軸器，它能夠補償聯(lián)接機構(gòu)的徑向、軸向和角向位移。聯(lián)軸器通過受剪切的橡膠元件來傳遞扭矩，可利用不同的扭轉(zhuǎn)剛度和阻尼系數(shù)，來充分調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)的扭振特性。

2.3 齒輪箱裝置

根據(jù)機艙布置情況、對齒輪箱的功能需求及螺旋槳的設計計算，在現(xiàn)有定型成熟的齒輪箱系列中進行選型。

本船齒輪箱選用GWK5259型齒輪箱（垂直偏心距為590mm）、帶推力軸承，帶主推進離合器，離合器可實現(xiàn)遙控、本地操縱。同時齒輪箱設置機帶泵來提供齒輪箱正常工作時的潤滑油和離合器工作油。齒輪箱減速比～4.105:1，該齒輪箱為1級減速，齒輪箱輸入軸前、后軸承采用滾動軸承，輸出軸前、后軸承采用滑動軸承，正、倒車推力軸承采用米歇爾軸承。考慮機艙冷卻水系統(tǒng)的總體設計，確定齒輪箱滑油采用主機低溫淡水進行冷卻。

2.4 調(diào)距槳及軸系裝置

1）調(diào)距槳及軸系的設計計算

在主機選型確定后，根據(jù)主機功率和轉(zhuǎn)速以及航速要求進行螺旋槳的設計計算、系柱拖力計算、槳葉強度計算，確定螺旋槳的直徑3.1m、轉(zhuǎn)速196r/min、盤面比0.591、螺距比1.08。

根據(jù)船級社要求進行軸系的設計計算，中國船級社對軸系最小直徑d(mm)的規(guī)定[2]為：

式中，F(xiàn)為柴油機推進裝置，取100；C為不同軸的設計特性系數(shù)（整體法蘭式中間軸取 1.0，法蘭聯(lián)接的螺旋槳軸取1.22，螺旋槳軸后軸承位以前部分取1.15）；Ne為軸系傳遞的額定功率，kW；ne為軸傳遞的額定轉(zhuǎn)速，r/min；Rm為軸材料的抗拉強度，對中間軸采用碳錳鋼，取760N/mm2，對螺旋槳軸，取600N/mm2。

根據(jù)計算結(jié)果選取合適的軸系直徑，并結(jié)合船體結(jié)構(gòu)情況布置軸承位置。對軸系進行強度計算、校中計算、回旋振動計算，最終確定軸系的尺寸和各支撐的位置。

2）調(diào)距槳及軸系的選型[3]

將原船的定距槳改為調(diào)距槳裝置，采用79KS/4型調(diào)距槳裝置。該裝置由槳轂、槳葉、螺旋槳軸、軸內(nèi)推拉桿、重力油配油環(huán)、夾殼式聯(lián)軸器、變距機構(gòu)、重力油箱、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。調(diào)距槳的運用可更好地發(fā)揮主機功率，提高動力系統(tǒng)的推進性能[4]。

選用該型調(diào)距槳裝置的特點是變距機構(gòu)（配油軸、變距油缸）作為軸系的一部分，安裝于螺旋槳軸和中間軸之間。中間軸部分可避免開內(nèi)孔，減少了對原船中間軸的檢修工作，而螺旋槳軸部分也無需提供液壓油，僅需提供槳轂重力油。此型調(diào)距槳裝置的液壓單元布置在該船艉部變距機構(gòu)附近，極好地適應了該船現(xiàn)有的艙室結(jié)構(gòu)，不占用主機艙空間，同時縮短了液壓系統(tǒng)油路。由于螺旋槳軸和變距機構(gòu)的回轉(zhuǎn)運動，重力油配油環(huán)、變距機構(gòu)的液壓油配油環(huán)均需設置支柱結(jié)構(gòu)，以避免跟隨軸系轉(zhuǎn)動。

2.5 軸系附件

軸系設計計算完成后，確定軸系附件的安裝位置和型號規(guī)格。本船軸系附件包括隔艙填料函、軸系制動裝置、中間軸承、艏密封裝置、賽龍軸承組件、艉管等。其中艏密封裝置采用水潤滑型式，密封帶充氣氣囊，在對密封裝置進行維護時，可利用充氣氣囊進行靜態(tài)密封。密封帶沖洗冷卻水接口，可對密封環(huán)和前水潤滑艉軸承進行潤滑和冷卻。水潤滑軸承采用賽龍SXL材料，并進行防跟轉(zhuǎn)設計，軸承的尺寸和結(jié)構(gòu)設計綜合考慮材料的熱脹、水脹性能及最小運行間隙要求。艉管裝置設計了防止泥沙沉積的沖洗孔，并考慮與船體線型的光順性。

2.6 監(jiān)測、控制系統(tǒng)

本船動力系統(tǒng)的監(jiān)測、控制系統(tǒng)包括主機AT2000系統(tǒng)、齒輪箱及其離合器控制系統(tǒng)、調(diào)距槳控制系統(tǒng)及軸系附件監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)實現(xiàn)按指令對動力系統(tǒng)進行自動控制、并有數(shù)據(jù)指示、安全保護功能，保障動力系統(tǒng)根據(jù)操作人員的操作指令安全可靠運行。

監(jiān)測系統(tǒng)具有信號采集功能，將采集到的信號進行處理，并通過RS485信號向機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)輸出螺距、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度及液位信號和報警信號，并配置VDR接口。

該船監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)調(diào)距槳的特點，具有聯(lián)控、分控、恒轉(zhuǎn)速、應急控制四種控制模式。

1）聯(lián)控模式：動力系統(tǒng)按照設定的控制曲線（手柄位置與螺距、主機轉(zhuǎn)速、航速之間的對應關系曲線）實行控制，根據(jù)這些曲線，復合操縱手柄每個位置對應一定的主機轉(zhuǎn)速和與之匹配的螺距，可使主機始終在最佳負荷范圍內(nèi)運行。

2）分控模式：調(diào)距槳螺距和主機轉(zhuǎn)速分別通過操縱面板上的螺距控制手柄和主機轉(zhuǎn)速加減按鈕來實現(xiàn)。

3）恒轉(zhuǎn)速模式：主機轉(zhuǎn)速保持恒定不變，僅調(diào)節(jié)調(diào)距槳螺距，實現(xiàn)不同船速航行的要求。

4）應急模式：主機轉(zhuǎn)速通過安裝于集控臺內(nèi)的應急控制模塊，限制主機轉(zhuǎn)速，并通過安裝在駕控臺和集控臺上的按鈕直接輸出開關量信號對可調(diào)槳螺距進行控制。

3 改裝動力系統(tǒng)的特點

本船動力系統(tǒng)的集成設計充分結(jié)合原船結(jié)構(gòu)，保留了原船的軸包支架、軸線布置、并保留了原船的3段中間軸，在設備與原船接口位置考慮檢修余量，根據(jù)檢修后的尺寸進行設備配合尺寸的最終加工。設備選型確保技術性能的同時，綜合考慮了主機、齒輪箱、調(diào)距槳裝置設備本身的結(jié)構(gòu)特點、機艙輔助系統(tǒng)的配套需求、動力系統(tǒng)設備與船體結(jié)構(gòu)的適應性、改裝工作工程量等因素，使設備與船體結(jié)構(gòu)、機艙環(huán)境得以良好地適應。

4 結(jié)束語

動力系統(tǒng)集成工作在我國尚處于發(fā)展階段，而我國動力系統(tǒng)設備商的配套能力相對比較薄弱。國外配套商利用設備、資金、品牌優(yōu)勢壟斷國外動力系統(tǒng)市場的同時，對國內(nèi)船東也具有很大的影響力。

國內(nèi)的動力系統(tǒng)集成商要在激烈的市場競爭中得到發(fā)展，就需要不斷提高設計、配套能力，提高設計和運營手段使動力系統(tǒng)集成產(chǎn)品系列化、市場規(guī)范化，要努力掌握動力系統(tǒng)集成的核心競爭力，在做好常規(guī)柴油機動力系統(tǒng)集成的同時，致力于電力推進、混合動力等高新技術的研究、發(fā)展和應用，逐漸形成自己的品牌優(yōu)勢。

動力系統(tǒng)集成工作包括設計、設備采購與監(jiān)造、集成配套、服務、融資墊資、長期維保服務等各方面，是一個長周期的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)集成商不僅對系統(tǒng)設計負責，還需對設備生產(chǎn)質(zhì)量、進度加強控制，使動力系統(tǒng)的設計、生產(chǎn)、試驗、供貨與船廠進度相適應，保證設備質(zhì)量、系統(tǒng)性能的同時縮短船舶建造周期。

最后，隨著我國海洋維權執(zhí)法力度的加大和公務用船量的增加，類似老船集成改造的工作也會大量出現(xiàn)，這無疑也為各集成商提供了發(fā)展的良機。

[1]徐筱欣. 船舶動力裝置[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2007.

[2]中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[3]詹志剛, 喻英. 船舶主推進系統(tǒng)機槳匹配設計工況的優(yōu)化選擇[J]. 江蘇船舶, 2000, 17(5): 12-14.

[4]楊創(chuàng)遠. NY2100主機減速齒輪箱調(diào)距槳動力裝置故障的排除[J]. 中國修船, 2002(1): 12-15.

河柴重工首制9L 21/31中速機曲軸下線

日前，河南柴油機重工有限責任公司首制9L 21/31曲軸成功下線。該曲軸長3890mm，凈重1402公斤，無論長度還是重量，在河柴曲軸加工史上前所未有。它的試制成功，不僅充分證明了河柴領先的工藝水平和生產(chǎn)制造能力，而且為批量生產(chǎn)、擴大銷售奠定了基礎。

在9L 21/31曲軸試制過程中，河柴人發(fā)揚善打硬仗、敢啃硬骨頭的作風，克難攻堅，確保一次成功。目前國內(nèi)生產(chǎn)大型曲軸的設備均是采用價值4000多萬元的進口隨動磨床，而河柴要在價值600萬元的5米普通磨床上加工超長曲軸，難度可想而知。

由于該曲軸是首次加工，精度、性能要求嚴格，制造工藝復雜，且受曲軸長度、重量及現(xiàn)有加工設備局限，要在兩個月的時間內(nèi)完成加工任務，難度很大。河柴重工成立9L 21/31曲軸試制小組，借鑒8L 21/31曲軸加工經(jīng)驗，對生產(chǎn)中可能預見的問題充分分析，制定解決方案。

由于是在普通磨床上加工，在精磨連桿頸時，因曲軸自重產(chǎn)生下墜而導致加工尺寸超差，河柴重工發(fā)揮在工藝上的優(yōu)勢，開展技術攻關，自行設計一套磨床偏心滾輪中心架，使加工后的軸頸橢圓度在0.015毫米，保證了加工精度，解決了曲軸加工難題。一道道工序緊鑼密鼓，一次次組織技術攻關，一個個問題迎刃而解，9L 21/31曲軸在完成40多道工序，經(jīng)檢驗合格后順利入庫。

21/31、16/24系列中速機是河柴重工2007年從德國MAN公司引進的國際領先產(chǎn)品。現(xiàn)已實現(xiàn)兩個系列6種機型的批量生產(chǎn)，使河柴產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得以重大調(diào)整，在船舶市場的地位更加牢固。尤其是在應對金融危機中，中速機在抵御市場風險、支撐企業(yè)發(fā)展的作用愈加顯現(xiàn)。此次研制成功9L 21/31曲軸，必將加快河柴中速機產(chǎn)品系列化步伐，拉長產(chǎn)品鏈條，拓寬市場領域。

江蘇兆勝輕油冷卻系統(tǒng)走進全球市場

據(jù)報道，江蘇兆勝空調(diào)有限公司是我國專業(yè)的船用空調(diào)、冷藏、通風設備制造商和系統(tǒng)供應商，是“世界級的先進特種空調(diào)制造基地”。2010年，江蘇兆勝僅用3個月就成功研制生產(chǎn)出國內(nèi)第一臺輕油冷卻系統(tǒng)，其性能指標達到了國際先進水平，填補了國內(nèi)空白，并順利通過了法國、韓國等國船級社的權威認證。

2011年7月，輕油冷卻系統(tǒng)成功申報為江蘇省高新技術產(chǎn)品。該系統(tǒng)裝置用于船舶燃油冷卻系統(tǒng)，能夠精確地控制出口燃油溫度在2℃以內(nèi)，同時能夠滿足不同出油溫度要求，彌補了以往海水直接冷卻、控制精度不高且在部分海域無法正常工作的缺陷。該冷卻系統(tǒng)開發(fā)進度與國際同步，據(jù)統(tǒng)計，目前生產(chǎn)輕油冷卻系統(tǒng)的企業(yè)全球僅有20多家。

江蘇兆勝生產(chǎn)的船用輕油冷卻系統(tǒng)價格只有國際同類產(chǎn)品的一半，因而迅速打開了全球市場。目前，江蘇兆勝已成為中海運、中遠、馬士基等國內(nèi)外知名遠洋運輸物流企業(yè)的配套企業(yè)，產(chǎn)品遠銷20多個國家和地區(qū)，企業(yè)的生產(chǎn)訂單已排至2013年上半年。

Summary of Propulsion Integration Design of Ocean Surveillance Vessel

QIU Li-hui1, ZHANG Jun-wu2
(1. SMMC Marine Drive Systems Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215126, China; 2. Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031, China)

With the development of China in marine industry, propulsion system integration design and supplement has been accepted by more and more ship owners. This paper introduces the integration design of the propulsion system for a ocean surveillance vessel, stressed the buildup and characteristics of the system, and stated the foreground of integration work. It is useful for ship designer, manufacturer and ship owner.

ocean surveillance vessel; propulsion system; integration design

U664.81

A

邱黎輝（1963-），女，高級工程師。研究方向：船船特種推進裝置。