淺析內(nèi)河船舶主推進系統(tǒng)設(shè)計

馮懿

（池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000）

淺析內(nèi)河船舶主推進系統(tǒng)設(shè)計

馮懿

（池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000）

內(nèi)河船舶主推進系統(tǒng)一般由柴油機、齒輪箱、中間軸、尾軸、螺旋槳和前后密封組成。著重闡述柴油機、齒輪箱、螺旋槳的一般特性及其選型要求。

內(nèi)河船舶；主推進；特性

1　柴油機的一般規(guī)定

1）額定功率指柴油機在基準(zhǔn)環(huán)境條件下，輸出軸上測得的最大持續(xù)功率。額定功率時的相應(yīng)轉(zhuǎn)速即為額定轉(zhuǎn)速。2）柴油機應(yīng)具有110%額定功率運轉(zhuǎn)的能力。

1）主機應(yīng)具有足夠的倒車能力，以確保在一切正常情況下能適當(dāng)控制船舶。2）對于四沖程中高速柴油機，一般通過齒輪箱實現(xiàn)倒車功能。

柴油機要具備較好的低轉(zhuǎn)速工作能力：低速機（額定轉(zhuǎn)速≤300 r/min）不大于額定轉(zhuǎn)速的30%；中速機（300 r/min≤額定轉(zhuǎn)速≤1 000 r/min）不大于40%；高速機（額定轉(zhuǎn)速＞1 000 r/min）不大于45%。

1）可逆轉(zhuǎn)柴油機的換向時間要求小于等于15 s。2）主機操縱臺要求標(biāo)明順車、倒車的操作方向。3）可逆轉(zhuǎn)主機的操縱臺上，應(yīng)設(shè)有曲軸旋轉(zhuǎn)方向的指示器或雙向轉(zhuǎn)速表。4）采用可調(diào)螺距螺旋槳船舶和雙機并車的船舶，應(yīng)有主機集中操縱臺。集中操縱臺應(yīng)設(shè)有保證主機、離合器等有關(guān)機械在操縱時能協(xié)調(diào)工作的聯(lián)鎖裝置。5）在接近主機操縱臺的地方，要求有與駕駛室控制系統(tǒng)分開的快速切斷燃油裝置或其他可以緊急停車的設(shè)備［1］。

1）柴油機應(yīng)設(shè)有能轉(zhuǎn)車的裝置。2）主機動力轉(zhuǎn)車裝置與起動裝置之間應(yīng)有安全聯(lián)鎖裝置。

主機要求設(shè)有轉(zhuǎn)速表（轉(zhuǎn)速禁區(qū)在表上標(biāo)紅）和其它必備的測量儀表。

2　船舶主機選型

在設(shè)計推進裝置時，通過初步匹配設(shè)計，得到船舶所需的主機功率及轉(zhuǎn)速。再根據(jù)匹配結(jié)果，在實際的主機系列中選取最適合的。在進行主機選擇時，應(yīng)考慮的因素如下。

主機的質(zhì)量對船舶的總重量會有影響：對于中小型船舶來說，若主機質(zhì)量過大，則對經(jīng)濟性不利。主機尺寸同時會對船舶艙室空間有較大影響：若主機尺寸大，則會減少艙室的使用空間。對目前的柴油機而言，高速機的質(zhì)量和尺寸都是最小的，低速機最大，中速機則介于兩者之間。所以內(nèi)河船、高速船可選用高速柴油機；長江或沿海的小型船舶、運木船、客渡船、滾裝船等特種船舶可選用中速機；沿海與遠(yuǎn)洋的大型船舶最好選用低速機。

主機的功率能否達(dá)到要求是非常重要的。目前，常用的功率有三條：l）額定功率：在標(biāo)定的環(huán)境條件和額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)所發(fā)出的最大有效功率。2）超負(fù)荷功率：發(fā)動機在較短時間內(nèi)超負(fù)荷使用，能夠允許的最大功率。3）經(jīng)濟功率：根據(jù)發(fā)動機的使用工況，考慮到油耗率和主機保養(yǎng)等方面，總體較為經(jīng)濟的持續(xù)運轉(zhuǎn)功率。

不同的主機，使用的燃料也會不同，進而經(jīng)濟效果也不一樣。若主機為使用價格較低的燃料來減少營運費用，就必須配備相關(guān)的設(shè)備，這樣初投資和管理維修費用都會增加，必然會抵消一部分經(jīng)濟效益。使用劣質(zhì)燃油也容易引起腐蝕與磨損，從而影響營運與經(jīng)濟性。選取滑油時必須考慮到堿度、添加劑等，同樣會使成本提高。總之，要對使用油品綜合考慮，權(quán)衡處理［2］。

3　柴油機特性分析

速度特性是改變柴油機的外負(fù)荷使其改變轉(zhuǎn)速，保持噴油泵的油量調(diào)節(jié)桿固定，使柴油機在最高允許轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間各不同的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，在此情況下測得各轉(zhuǎn)速下的排氣溫度Tr、有效耗油率ge、扭矩Me和功率Ne等，得出的此參數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系繪成曲線就是柴油機的速度特性曲線。

船舶主機帶動螺旋槳工作時，二者能量總是保持平衡的。主機發(fā)出的功率Ne和轉(zhuǎn)矩Me等于螺旋槳的吸收功率Np和轉(zhuǎn)矩Mp。當(dāng)主機的運行是按照螺旋槳特性來運轉(zhuǎn)時，這些參數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化，既是柴油機推進特性。柴油機在帶動螺旋槳后，其功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。

根據(jù)上式（1），若已知主機的工況，可以算出其他工況下的功率與轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系，見表1所示。

表1　主機轉(zhuǎn)速對應(yīng)功率的百分?jǐn)?shù)

表1可以看出，由于主機轉(zhuǎn)速與功率成立方關(guān)系，如果轉(zhuǎn)速超過標(biāo)定轉(zhuǎn)速的3%情況下，主機功率就到達(dá)標(biāo)定值的110%，主機運行超負(fù)荷。顯然繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速是不允許的。另一方面，當(dāng)轉(zhuǎn)速減少到標(biāo)定轉(zhuǎn)速的6 3%時，功率下降到標(biāo)定值的2 5%，會使得每工作循環(huán)噴油量降低，從而噴油壓力減小，霧化變差，燃燒不完全，各缸噴油量不均勻等問題的發(fā)生。

主機的性能參數(shù)隨負(fù)荷的變化而變化，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，既是主機的負(fù)荷特性。當(dāng)主機用作發(fā)電機組時，轉(zhuǎn)速一般是恒定的，所以是按負(fù)荷特性來工作的。

主機的調(diào)速特性是將調(diào)速器的轉(zhuǎn)速設(shè)定機構(gòu)調(diào)整到某一位置，當(dāng)調(diào)速器運轉(zhuǎn)時，功率、扭矩等隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，既是主機的調(diào)速特性［3］。

燃油消耗率是在主機出廠做臺架試驗時進行測定。主機有效耗油率是指發(fā)動機發(fā)出1 kW有效功率每小時所消耗的燃油量，用ge表示，單位是g/（kW·h）。

式（2）中：ge為主機燃油消耗率，g/（kW·h）；B為柴油機每小時耗油量，g/h；Ne為有效功率，kW。

1）齒輪傳動裝置的扭轉(zhuǎn)振動應(yīng)符合本文6.2的有關(guān)規(guī)定。2）提交船級社批準(zhǔn)的圖紙和資料有：齒輪傳動裝置說明書；總圖（縱、橫剖面圖）；齒輪（包括齒圈，若有時）零件圖（齒數(shù)、模數(shù)、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑等，包括齒輪承載能力計算所必需的參數(shù)）；齒輪軸圖；離合器和聯(lián)軸器圖；齒輪箱體圖；齒輪承載的能力計算書；齒輪軸強度計算書；離合器和聯(lián)軸器強度計算書；齒輪熱處理工藝資料；齒輪材料技術(shù)資料；齒輪或齒輪箱體焊接工藝資料（若有時）。

當(dāng)設(shè)計時，減速齒輪的效率取0.97～0.99。

5　船用機槳匹配計算

主機選型和螺旋槳的設(shè)計相互關(guān)聯(lián)。在設(shè)計中必須考慮船、機、槳的匹配，來選定螺旋槳和主機。當(dāng)主機選型與螺旋槳參數(shù)確定的機槳匹配計算時，一般將整個過程分為初步匹配設(shè)計和終結(jié)匹配設(shè)計兩個階段。

需要輸入的已知條件：船舶主尺度參數(shù)、船體在不同航速下的有效功率，設(shè)計航速、螺旋槳的轉(zhuǎn)速或限制直徑。初步匹配階段輸出的內(nèi)容：主機功率、轉(zhuǎn)速，螺旋槳的直徑或轉(zhuǎn)速、效率和螺距比。

需要輸入的已知條件：主機功率及轉(zhuǎn)速、有效功率曲線。終結(jié)匹配階段輸出的內(nèi)容：螺旋槳的直徑、效率和螺距比。船舶的機槳匹配設(shè)計內(nèi)容一般都包括這兩個設(shè)計階段。初步匹配階段主要是通過分析計算，得到理論上最佳的主機功率和螺旋槳轉(zhuǎn)速，進而確定實際的主機型號。再以實際選擇主機的功率、轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)，匹配計算出效率最高的螺旋槳各要素，以達(dá)到設(shè)計航速。

槳葉數(shù)的確定通常要考慮到船型、性能、振動和空泡等多個方面。一般，螺旋槳葉數(shù)少則槳效率會高，對減少空泡影響有利；葉數(shù)多則振動會減輕。通常內(nèi)河船多采用3葉或4葉槳，但要避免槳的葉數(shù)與主機氣缸數(shù)、沖程數(shù)成倍數(shù)關(guān)系，以減小振動。兩種設(shè)計階段的計算均可通過武漢理工大學(xué)機槳匹配軟件實現(xiàn)，具體過程可參見“第10章實例計算”［4］。

螺旋槳的特性主要反映推力，推力系數(shù)K1，扭矩，扭矩系數(shù)K2等隨航速、進程比的變化規(guī)律。進程比是在螺旋槳轉(zhuǎn)一圈后，船舶的位移和螺旋槳直徑的比值關(guān)系。

即

式（3）中：VP為船速（螺旋槳前進速度）；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；hP為螺旋槳的進程：hP=VP/n；D為螺旋槳的直徑。

7　結(jié)語

內(nèi)河船舶主推進系統(tǒng)的設(shè)計必須遵循柴油機、齒輪箱、螺旋槳的一般特性及其選型要求，采取有針對性的措施，完善其中的細(xì)節(jié)，才能滿足運行的安全性與實效性。

［1］蔣德明.高等內(nèi)燃機原理［M］.西安：交通大學(xué)出版社，2002.

［2］張志華.船舶動力裝置概論［M］.哈爾濱：工程大學(xué)出版社，2002.

［3］708所.船舶設(shè)計實用手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［4］中國船級社.鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2009.

（編輯：劉楠）

Design of Main Propulsion System for Inland Waterway Vessels

Feng Yi
（Chizhou City Port Management（Local Maritime Bureau），Chizhou Anhui 247000）

The inland ship main propulsion system generally consists of a diesel engine， gearbox， intermediate shaft， the tail shaft，propeller and before and after sealing. This paper focuses on the diesel engine， gear box， the general characteristics of the propeller and its selection requirements.

inland waterway ship； main propulsion； characteristics

U664.3

A

2095-0748（2016）15-0034-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.14

2016-06-28

馮懿（1971—），男，安徽安慶人，本科，畢業(yè)于武漢交通科技大學(xué)，工程師，研究方向：船舶檢驗。