船用柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的可靠性對(duì)比分析

胡以懷，汪 猛，闞曉旭，方云虎，張 陳，芮曉松

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.招商局金陵鼎衡船舶(揚(yáng)州)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225217)

0 引 言

1776年瓦特改進(jìn)并制造具有實(shí)用價(jià)值的蒸汽機(jī)，船舶動(dòng)力裝置功率提高較大。1807年蒸汽動(dòng)力船克萊蒙特號(hào)問世，至19世紀(jì)末蒸汽機(jī)在船舶上得到廣泛應(yīng)用[1]。1897年迪賽爾成功制造可安全運(yùn)行的熱機(jī)，1903年柴油機(jī)安裝在俄國(guó)萬(wàn)達(dá)爾號(hào)油船和法國(guó)佩迪特·皮埃爾號(hào)平底駁船上，從此柴油機(jī)作為一種效率更高的動(dòng)力裝置在船舶上得到廣泛應(yīng)用，并在商船上逐漸取代汽輪機(jī)而成為船舶的主要?jiǎng)恿ρb置[2]。1920年德國(guó)人霍爾茨瓦特研制實(shí)用的燃?xì)廨啓C(jī)，此后燃?xì)廨啓C(jī)開始在航空、機(jī)車、汽車、船舶和發(fā)電廠得到廣泛應(yīng)用。1947年船用燃?xì)廨啓C(jī)加特里克在英國(guó)誕生，裝備在高速炮艇上，在20世紀(jì)50年代后船用燃?xì)廨啓C(jī)得到快速發(fā)展和應(yīng)用，全球近30個(gè)國(guó)家的海軍艦船使用燃?xì)廨啓C(jī)[3]。除蒸汽輪機(jī)由于效率較低、結(jié)構(gòu)過于龐大外，柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置已成為各種船舶的推進(jìn)動(dòng)力，95%以上的船舶均采用這2種動(dòng)力裝置。

船用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置各有特點(diǎn)。船用柴油機(jī)以其熱效率高、功率范圍廣、啟動(dòng)迅速、維修簡(jiǎn)易、運(yùn)行安全、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)而得以廣泛應(yīng)用[4]。燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)相比，優(yōu)點(diǎn)在于體積小、質(zhì)量輕、功率密度高、振動(dòng)小、啟動(dòng)快、低溫啟動(dòng)性能好等[5]。一般而言，民用船舶大多采用柴油機(jī)動(dòng)力裝置，部分艦船采用燃?xì)廨啓C(jī)或燃-柴聯(lián)動(dòng)裝置，有些高速渡船、游船和快速貨船采用燃?xì)廨啓C(jī)作為動(dòng)力裝置。通過可靠性的定量計(jì)算分析比較這2種船舶動(dòng)力裝置的可靠性特點(diǎn)，為船舶動(dòng)力裝置的選型和可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

1 可靠性分析模型

船用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置是較復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，零部件組成多，工作條件惡劣，且多因素影響裝置運(yùn)行的可靠性。為此，提出部件不可靠度參數(shù)U，從關(guān)鍵零部件數(shù)量、零部件制造材料、零部件工作條件和部件冗余數(shù)量等角度綜合考慮設(shè)備不可靠度，為可靠性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。U主要由部件冗余數(shù)量r、關(guān)鍵部件數(shù)量m、部件材料不可靠度u1、運(yùn)行條件不可靠度u2、運(yùn)行速度不可靠度u3確定[6]，即

U=∑m(u1+u2+u3)/r

(1)

u1的確定方式為：0(結(jié)構(gòu)鋼)，0.25(工具鋼)，0.50(合金鋼)，0.75(鑄鐵)，1.00(塑料)；u2的確定方式為：0(常溫、常壓)，0.50(工作溫度<400 ℃且工作壓力<2.000 0 MPa)，1.00(工作溫度>400 ℃或工作壓力>2.000 0 MPa)；u3的確定方式為：0(運(yùn)行速度較低的旋轉(zhuǎn)機(jī)械)，0.50(運(yùn)行速度較高的旋轉(zhuǎn)機(jī)械或運(yùn)行速度較低的往復(fù)機(jī)械)，1.00(運(yùn)行速度很高的旋轉(zhuǎn)機(jī)械或運(yùn)行速度較高的往復(fù)機(jī)械)。不可靠度越大，說明該設(shè)備的可靠性越低；不可靠度越小，說明該設(shè)備的可靠性越高。這樣即可定量分析和比較設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

1.1 船用柴油機(jī)的不可靠度計(jì)算

以多缸二沖程柴油機(jī)為例，其主要由配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、機(jī)體、增壓系統(tǒng)、燃油噴射系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)組成。由于二沖程低速機(jī)不可獨(dú)立運(yùn)行，需要其他輔助設(shè)備為其提供燃油、滑油、冷卻水和壓縮空氣，因此船用柴油機(jī)動(dòng)力裝置的不可靠度計(jì)算必須考慮這些輔助設(shè)備。在不考慮柴油機(jī)和輔助設(shè)備部件冗余數(shù)量的情況下，不可靠度計(jì)算如表1所示，不可靠度計(jì)算結(jié)果為393.05。

表1 船用柴油機(jī)不可靠度計(jì)算

續(xù)表1 船用柴油機(jī)不可靠度計(jì)算

1.2 船用燃?xì)廨啓C(jī)的不可靠度計(jì)算

典型的船用燃?xì)廨啓C(jī)主要由燃?xì)獍l(fā)生器(包括壓氣機(jī)、燃燒室和燃?xì)鉁u輪)、動(dòng)力渦輪、支撐軸承及燃油系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、放氣系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、空氣渦輪啟動(dòng)機(jī)等組成。燃?xì)廨啓C(jī)是高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，需要增加1套減速齒輪箱將推進(jìn)軸系轉(zhuǎn)速降低，整個(gè)裝置的部件組成及不可靠度計(jì)算如表2所示，不可靠度計(jì)算結(jié)果為281.57。

表2 船用燃?xì)廨啓C(jī)不可靠度計(jì)算

2 可靠性對(duì)比分析

由第1節(jié)的計(jì)算可知：燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)可靠性明顯高于柴油機(jī)動(dòng)力裝置，這主要是由于柴油機(jī)是往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)械，包含的部件數(shù)量大，而燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，振動(dòng)較小，質(zhì)量較輕。以6缸二沖程柴油機(jī)為例，其關(guān)鍵部件數(shù)量達(dá)620多件，而典型燃?xì)廨啓C(jī)的關(guān)鍵部件僅420多件，這就大幅影響柴油機(jī)動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)可靠性。根據(jù)以往的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的故障率僅為柴油機(jī)動(dòng)力裝置的1/3[7]。

續(xù)表2 船用燃?xì)廨啓C(jī)不可靠度計(jì)算

但從另一個(gè)角度看，對(duì)于多缸柴油機(jī)來(lái)說，即使1缸或2缸的活塞-連桿組件由于故障無(wú)法工作，仍可通過封缸運(yùn)行的方式保持柴油機(jī)的降速運(yùn)行，不會(huì)引起后續(xù)重大的船舶事故。其輔助設(shè)備一般是成組配套，即使一套失靈，備用的一套會(huì)自動(dòng)投入運(yùn)行，這樣就大幅提高裝置的運(yùn)行可靠性?？紤]柴油機(jī)部件的冗余數(shù)量，在3缸以上不能正常發(fā)火時(shí)即認(rèn)為無(wú)法正常工作，因此柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的冗余數(shù)量取3，而燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和啟動(dòng)系統(tǒng)的冗余數(shù)量取2，得到的船用柴油機(jī)動(dòng)力裝置的工作不可靠度計(jì)算結(jié)果為215.28，與燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置相差不大。盡管柴油機(jī)動(dòng)力裝置的結(jié)構(gòu)可靠性低于燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置，但由于冗余部件和冗余輔機(jī)設(shè)備的存在，其整體運(yùn)行可靠性比燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置高23.54%，即

(281.57-215.28)/281.57=23.54%

(2)

在船舶3種主要的動(dòng)力裝置中，汽輪機(jī)單機(jī)功率最大，但機(jī)動(dòng)性能差，經(jīng)濟(jì)性最差，目前在船舶上已很少使用。柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性最好，操作簡(jiǎn)單，但噪聲、振動(dòng)比較大，主要在商船上得到廣泛應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)單位功率的質(zhì)量尺寸最小，機(jī)動(dòng)性好，但高溫部件的壽命相對(duì)較短，目前主要在一些水翼船和艦船上使用。在進(jìn)行船舶動(dòng)力裝置選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)船舶具體的技術(shù)要求而定。對(duì)于具有足夠的機(jī)艙空間，且對(duì)船舶經(jīng)濟(jì)性要求較高的船舶，宜選擇柴油機(jī)動(dòng)力裝置。對(duì)于機(jī)艙空間有限，或更注重船舶操縱性和隱蔽性的船舶，宜選擇燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置。為提高燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的整體運(yùn)行可靠性，可考慮增加備用機(jī)組或設(shè)備，以彌補(bǔ)其工作可靠性的不足。

3 結(jié) 語(yǔ)

船用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置各有特點(diǎn)。船用柴油機(jī)冗余性好，即使1缸或2缸發(fā)生故障仍可運(yùn)行，其整體運(yùn)行可靠性比燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置高，經(jīng)濟(jì)性較高，適合于大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶。船用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕，動(dòng)力性更好，更適合中小型的高速船和艦艇。燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置可通過增加冗余設(shè)備，如增加備用機(jī)組或采用多機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，提高其整體的運(yùn)行可靠性。