300噸級科考船推進系統改造方案及實現

陳生華

(南京高精船用設備有限公司，江蘇 南京 211103)

300噸級科考船推進系統改造方案及實現

陳生華

(南京高精船用設備有限公司，江蘇 南京 211103)

一些老舊船舶由于推進設備性能下降和使用工況的改變，已經無法滿足使用需要。本文分析了300噸級科考船推進系統目前的使用情況，為滿足最新的使用要求，將原定距槳更換成可調槳，并在后期海試中對改造后的推進系統性能進行了對比分析。推進系統改造后，不僅延長了船舶的使用壽命，而且滿足低航速下的作業需求。

主機；螺旋槳；改造；軸系；可調槳

0 引言

目前國內外營運的船舶中有大量的老齡船舶，包括一些上世紀建造的科考船和海洋工程船，雖然當時對船舶操縱性有較高的要求，但考慮到初期投資成本和設備復雜程度，以及當時船員的操作水平，依然采用常規的柴油機和定距槳推進系統。這些船只運營時間較長，推進設備性能下降，甚至已經無備件供應，已經無法實現正常的維護保養。此外，用戶對科考船操縱性能也提出了更高的要求，同時要滿足多種作業工況下航速、拖力和低振動等性能。基于以上原因，需對上述船舶的主推進系統進行改造，方可延長船舶的使用壽命。

1 原船動力系統基本情況及改造要求

1.1 原船動力系統基本情況

原船為300噸級科考船，原來的動力系統采用雙機雙槳布置形式，主機為低速柴油機，直接驅動的定距槳，柴油機輸出端設置氣胎離合器用于合脫排推進軸系。主機為兩臺陜柴生產的D390型低速柴油機，額定功率1800馬力，額定轉速500r/min，定距槳直徑1640mm，螺距比P/D=0.91。自從20世紀80年代交付使用后，設備經過幾次大修，目前原船在航行過程中出現主機功率下降和機槳不匹配的現象，只能降轉速運行。此外原船動力系統存在共振轉速區，主機降速運行后，非常接近共振轉速區，因此在某些轉速范圍內出現了主機和軸系共振現象。另外，該船柴油機和推進軸系之間配置一臺氣胎離合器，但該型號的離合器早已停止生產，其摩擦元件已經沒有備件更換，離合器多年失修導致傳遞扭矩下降，無法滿足正常使用。此外，主機在怠速合排氣胎離合器后，船舶航速已經達到7節以上，無法繼續降低船舶的航速。但是本船后續增加了一些科考設備，這些設備要求在進行科考作業時航速不能超過2節。基于以上情況，考慮將原船動力系統進行改造，使得改造后的船舶性能滿足使用要求。

1.2 改造后的性能要求

動力系統改造后，保證最高航速不降低的情況下，船舶可以在0～15節任意航速下航行。同時徹底解決原船軸系在360r/min轉速附件的共振現象，降低船舶在航行和科考作業時的振動噪聲。由于主機性能已經下降，在螺旋槳設計時以主機當前可以達到的輸出功率為設計點，通過機、槳、船匹配設計全新的可調槳，解決原船、機、槳不匹配現象。

1.3 改造風險分析及對應措施

本船自從20世紀80年代交付使用后，船東已經轉手多次，已經無法找到原船準確動力系統圖紙和資料，這對后續的改造工作增添了許多不確定因素。主機雖然經過多次大修，但畢竟使用年限較長，主機性能下降比較嚴重，輸出功率已經無法達到原先的設計值。由于主機實際輸出功率無法準確評估，后續可調槳設計時可能會出現機、槳不匹配的情況。在系統布置圖紙缺失的情況下，無法確定原船主要結構尺寸和接口，新設備裝船時會出現接口不一致的情況。針對以上改造風險，采取了一定預防措施，如在改造前，船舶滿航速航行，對螺旋槳軸系進行了功率測量，測得主機實際輸出功率在910kW。另外，現場測量了原設備的接口尺寸，用于后期軸系設計和接口設計。在設計過程中，軸系長度和接口進行了預留，對于沒有把握的尺寸進行現場配作。考慮到減小后續改造的工作量，原船的艉部結構和主機位置不作修改，這對后續軸系的安裝提出了較高的要求。在設計初期建立了軸系校中和回旋振動模型，計算出各軸承的負荷、軸系的安裝狀態，用于指導后續的安裝和調試。

2 改造方案和實際效果

2.1 改造總體方案

圖1 改造后的動力系統布置圖

表1 改造前后數據對照表

由于船舶需要低速科考作業，只有采用可調槳取代原先的定距槳才可以實現船舶的低速或超低速航行。可調槳可以大大提高船舶的機動性和經濟性，主機保持額定轉速運行，通過改變槳葉轉角實現船舶的前進和后退，其性能明顯優于定距槳。通過技術論證，最終方案確定保留原來的主機不變，主機保持400r/min轉速運行；由于氣胎離合器已停產，拆除氣胎離合器更換為新的液壓離合器齒輪箱，實現螺旋槳的合脫排功能；在主機和齒輪箱之間增加高彈聯軸器，減小主機振動對齒輪箱的影響，降低系統運行噪聲；拆除原定距槳及軸系更換為可調槳，船舶航速時只調整可調槳的螺距，實現船舶的前進、后退和停止；新增主推進控制系統，用于主機和可調槳的控制，同時監測主機和螺旋槳的當前狀態（圖1）。

2.2 液壓離合器齒輪箱設計

該齒輪箱采用輸入和輸出軸同軸布置，內置濕式多片液壓離合器和推力軸承，速比為1。該齒輪箱不僅具有離合功能，而且能夠承受螺旋槳的推力。齒輪箱采用剛性安裝，螺旋槳的推力通過推力軸承傳遞到齒輪箱，并通過齒輪箱剛性地腳傳遞到船體。

2.3 可調槳選型和航速預估

根據主機的實際輸出功率進行螺旋槳設計，螺旋槳收到功率Pd=0.9×MCR=820kW，其中MCR為主機實際輸出的額定功率。由于船體結構的限制，改造后可調槳直徑與原船的定距槳直徑保持一致，仍然為1640mm；考慮到原船在高轉速下同時存在共振現象，可調槳的設計轉速降低為400r/min，避開原先的共振轉速區。結合原船的主機功率、螺旋槳性能和航速等數據，反向推導了船體的阻力。采用面元法在設計功率下對航速進行了預報，最終計算結果顯示，改造后的船舶最大航速可以達到15節。

2.4 軸承負荷計算和回旋振動計算

更換為可調槳后，螺旋槳和軸系重量相應增加，需重新計算軸承的負荷。采用傳遞矩陣方法建立了軸系校中模型，計算出艉管軸承和中間軸承的負荷，各軸承中的最大負荷僅0.33MPa，滿足設計要求。通過計算，回旋振動葉片的次共振轉速為263r/ min，遠離額定轉速400r/mim，無回旋振動的風險。

2.5 改造后的實船性能

改造后船舶進入舟山海域進行試航測試。在航速試驗過程中不僅實現了船舶低航速航行，同時避開系統原先的共振轉速區。在各航速下，對系統進行測振，結果表明改造后的推進系統有效降低了船舶在高航速下的振動，其他各項性能數據也達到設計要求。在試航過程中，主機保持在恒轉速，再次測試了主機的輸出功率。主機在轉速400r/min情況下，輸出功率達到980kW。由此可見，主機轉速提高后，其輸出功率也相應提高（表1）。

3 老舊船舶改造總結

對于有近30年的船齡的科考船，通過改造前詳細的技術論證和理論計算，對船舶推進系統進行了比較大的改動，通過試航證明改造是成功的，通過此次改造得出以下結論：

（1）通過改造可以延長船舶的使用壽命。

（2）舊船改造通常缺乏原始資料，改造前需進行可行性分析和方案論證。

（3）對科考船來講，定距槳不能滿足作業航速的要求，配置可調槳實現多工況作業，這不僅對科考船，而且對于其他船型的改造也有一定借鑒意義。

[1]孫存樓，王永生，李堅波.基于CFD的調距槳調距過程槳葉水動力性能研究.哈爾濱工程大學學報， 2010,31(2),150～153.

[2]中國船級社鋼制海船入級規范，2012,3～255.

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1671-0711（2016）12（上）-0058-02