淺析黑龍江流域內河執法船輪機設計要點

魯寒坤 楊曉威 黃森華 張恭

摘 ? ?要：本文主要以我院為黑龍江流域設計的幾型公務執法船為依托，針對該流域吃水淺、極寒等特點，從輪機主要設備選用、系統優化等方面，淺析黑龍江流域內河執法船輪機設計要點。

關鍵詞：執法船;淺吃水;低溫;推進裝置;齒輪箱

中圖分類號：U664.121?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on several types of official ship designed by our institute for Heilongjiang river basin， this paper describes the main equipment selection and system optimization design of the engine system in order to adapt to the characteristics of shallow draft and extremely cold at high latitude.

Key words： Official ship; Shallow draft; Low temperature; Propulsion unit; Gear box

1 ? ? 前言

我院近幾年來先后為黑龍江海關、邊防等單位設計開發了90 t（見圖1）、180 t（見圖2）等多型執法船。其中某型90 t海關船已交付使用近5年，業主反饋該船執勤率高、主要設備運轉良好，較好地適應了黑龍江流域環境特點。

2 ? ?航道環境特點

經對黑龍江水系相關氣象水文資料和實地考察：其大氣溫度范圍為-40 ℃～35 ℃;執法船通常在每年5月中旬至10月中上旬正常執勤，大氣溫度為-2 ℃～35 ℃、江水溫度為0 ℃～20 ℃;10月下旬至次年5月上旬臥港;該水域冰封期長，每年開江、收江時，江面會有大量的流冰。

該水域航道水深隨季節變化較大，其中：4月末至5月中旬，受冰雪融化和降水增加的影響，水位較高，主航道水位在2 m以上;6月下旬至7月初，水位最低，主要航道水深約1.2 m。

為保證船舶使用壽命，提高執法船的在航率、執勤能力及環境適應性，該船設備選型和系統管路設計應考慮冬季臥港需要：甲板外設備工作溫度為-15 ℃～40 ℃;所有設備存放溫度為-40 ℃～35 ℃;最大吃水不超過1.2 m;另外，因開江、收江時江內有流冰，需適當考慮冰區加強。

3 ? ?主要技術指標

經實地調研及分析論證，受制于該流域吃水淺、航道復雜等客觀條件，航行于該流域的執法船總長一般不超過45 m、吃水不大于1.2 m。

為滿足上述主要技術指標要求并具有較好的環境適應性，輪機主要設備選型和系統設計應圍繞該指標進行。下面主要以我院開發的180 t執法船為依托，分析如何滿足主要技術指標和對該流域環境的適應性。

4 ? ?主要設備選型和系統設計

4.1 ? 主推進裝置數量論證分析

本船在最大航速時所需最大功率約為3 000 kW，在方案設計時考慮了雙機或多機等多個主推進方案。

（1）如采用雙機推進，則單機功率約1 500 kW、螺旋槳直徑約1.3～1.4 m。根據船舶原理，在主機功率較大時，螺旋槳的葉片要達到較大尺度，才能完全吸收功率，轉化為推力。在本船限制吃水為1.2 m、且螺旋槳與船底板之間應留有間隙，故螺旋槳直徑應限制在1.1 m左右，功率太大將導致螺旋槳效率較低，主機功率不能充分吸收。所以應重點考慮三機或四機方案。

（2）相比三機方案，四機方案的附體阻力較大、推進系統復雜、綜合成本高;同時，四機方案重量重，對船舶吃水不利;另外，四機方案需要設置前后機艙，造成日后管理不便。

綜上所述，本船采用三臺主機方案比較適宜，每臺主機功率約1 000 kW。采用三機方案，螺旋槳直徑可控制在1.1 m以內，機艙布置簡單、系統設計也較簡單，所以本船采用了三機方案。

4.2 ? 主機適應性改進

從技術的先進性、可靠性、使用維修方便性、售后服務便捷性等方面考慮，對可供本船使用的國內柴油機進行比較和篩選，最終選用了河南柴油機廠生產的CHD316BV16柴油機作為本船主機。該型主機額定功率為1 107 kW、額定轉速為2 165 r/min、重量約3.5 t;該型機具有體積小、功率重量比大的特點，適合作為本船主機使用。

該型柴油機原產于德國，主要在海船上使用，考慮海水雜質少，海水泵一般位于水線以下。該型機為減輕整體重量及減少成本，原海水泵為橡膠葉輪的離心泵，沒有自吸能力;本船為內河船，航道吃水淺，橡膠葉輪容易損壞，船過淺灘時海底門易進空氣導致海水泵抽空，一旦海水泵抽空將無法提供冷卻水，從而導致主機水溫高停機。

經與主機廠家協商，確定在主機自由端增加海水冷卻泵，通過皮帶輪與主機連接。該種型式具有結構簡單、造價便宜等特點;但考慮該種型式水泵需要占用一定機艙空間，且皮帶傳動長、壽命及安全性較差，最終確定將泵集成在主機上，通過齒輪傳動與柴油機曲軸自由端連接，泵的型式改為金屬葉輪的旋渦泵。經驗證，該泵自吸能力較好、自吸高度不小于5 m，能較好適應本船航行區域。修改后的海水泵，如圖3所示：

4.3 ? 齒輪箱適應性改進

本船常用雙機巡航，中間主機作為加速機組。巡航狀態時中間螺旋槳受水流沖擊會處于跟轉狀態，帶動軸系一起轉動;中間軸跟轉轉速約200 r/min，軸系長時間跟轉會導致齒輪箱輸出端也長期處于轉動狀態，由于跟轉狀態下齒輪箱潤滑油泵沒有工作，齒輪箱摩擦片容易磨損。對比，常用的辦法是采用鎖軸裝置將中間軸鎖住不使其跟轉，但這樣會明顯加大船舶附體阻力，船舶使用經濟性差。

經對該型齒輪箱潤滑系統分析后，在齒輪箱輸出端增加柱塞泵作為拖曳潤滑泵，可在跟轉狀態對齒輪箱潤滑，從而解決了跟轉對齒輪箱的不利影響。新增拖曳泵潤滑原理圖，如圖4所示。

4.4 ? 動力系統適應性改進

4.4.1 海底門適應性改進

黑龍江流域流經大興安嶺，水質清澈，但在7、8月雨水季節或4、5月冰雪融化時期由于雨水等沖刷，兩岸樹枝、樹葉等雜質易流入江面導致水面枝葉較多，船舶航行時海底門容易堵塞、海底門箱體易大量進雜質。

一般船舶海底門均設在水線以下，并設置固定壓縮空氣管對海底門進行沖洗。但采用壓縮空氣僅能解決海底門堵塞問題，對箱體內雜質無法清理，箱體內雜質過多易堵塞總管濾器，導致主機等冷卻水不足，影響設備正常運轉。

本船因吃水較淺，可將海底門頂部設于水線以上300 mm左右，并在頂部設置300 mm*600 mm手孔，當水面樹枝較多時可將手孔打開。由于手孔高于水線，江水不會直接溢流至機艙，船員能及時清理海底門及箱體內雜物，保證海底門暢通性，從而保證冷卻水量供應充足;改進后的海底門無需增加壓縮空氣系統，減少對空壓機的使用。

4.4.2 ?消音器適應性改進

本船機艙布置6臺機組，其中3臺主機組、3臺發電機組。由于機電設備較多，為控制總重量船型深僅2.9 m，導致機艙高度空間較小。經綜合考慮后，僅在機艙頂部增加了400 mm高度的機艙蓬，但外側兩臺主機仍無法單獨布置消音器，航行時噪音會通過排氣管直接傳播到岸邊，對兩岸居民產生一定的影響。

為此，經對機艙布置圖仔細研究，開發了一款集成式消音器，外側兩臺主機公用一個消音器，消音器布置在船中位置。該消音器采用長方體形狀，其高度方向較普通消音器高度小，從而較好地解決了普通消音器無法布置的問題。主機排氣系統布置圖，見圖5。

4.5 ? 輔助系統設備適應性改進

4.5.1淡水系統適應性改進

船舶淡水分飲用淡水和洗滌淡水，一般小型船舶自帶淡水較少，攜帶淡水均為飲用淡水。本船在最大自持力期間需要消耗的淡水量約8 t，若采用一次性補給會增加船舶重量，使用也不經濟。考慮黑龍江中上游整體水質較好，經過濾凈化處理后可作為洗滌水使用，因此本船在機艙設一臺江水凈化裝置，凈化后的江水作為洗滌淡水使用，從而減少了淡水裝載量。

4.5.2 空調系統選型

（1）一般執法船大多采用冷水機組與風機盤管結合的間接式空調型式，相比風冷分體式空調，該種型式空調集成度高;壓縮機布置在機艙，不會影響船舶外觀;為滿足低溫儲存要求，可在冷媒水中添加防凍劑。本船在方案設計初期曾考慮過該種型式，但在經仔細分析發現：采用這種型式，為滿足低溫儲存要求，冷媒水中需要添加較多的防凍劑，維護成本較高;冷水機組在較低溫度存儲其密封件容易老化，其維修周期長、成本高。

（2）分體式空調采用直接冷卻型式，制冷劑直接參與熱交換，其低溫適應性較好，空調更換簡單。

因此，本船最終采用了4臺室外機與14臺室內機組合的型式：室外機布置在駕駛室后面，并設置簡單遮擋圍壁，對整船外觀未造成明顯的影響;系統設計時通過合理分區，空調系統可實現25%、50%、75%、100%四擋調節功能，能大大降低空調總使用量，提高本船節能指標。

4.6 ?其它適應性改進

（1）本船在開江、收江時，螺旋槳會受到浮冰沖擊，在軸系設計時應考慮流冰影響。參照CCS關于內河船冰區加強的要求，對槳轂前端至尾軸后軸承處該段軸系軸徑直徑加大，以更好適應開江、收江時流冰對軸系的影響。

（2）本船需滿足-40 ℃的低溫存放要求：在船舶臥冬前，需對管系中的冷卻水、燃油等泄放干凈，以防止管系中的冷卻水等結冰破壞管子及閥門;在系統管系最低點增設放水旋塞，船舶臥冬前將管系中的水、油等泄放干凈;所選機械設備應具有低溫適應性。如：主機組選用耐油性能的MVQ2-60（脆性溫度為-50 ℃）橡膠代替丁腈橡膠和氟橡膠;采用夾布橡膠軟管（脆性溫度為-50 ℃）代替常用的硅膠管和氟膠管等措施;另外，對無法滿足低溫存放要求的電器（下轉第頁）（上接第頁）

設備，通過合理設計做到易拆卸式，在船舶臥冬前拆回內場存放。

5 ? ? 結束語

本文以我院近年來為黑龍江省海事、邊防等單位設計開發的公務執法船為依托，分析了黑龍江流域內河執法船輪機設備選型及系統設計的要點，希望對同類型船舶設計的工作者有一定的幫助。

參考文獻

[1] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊-輪機分冊[M]. 北京：國防? ? ? 工業出版社，2002.

[2] 朱樹文.船舶動力裝置原理與設計[M]. 北京：國防工業出版社，1980.