某型海监船动力系统集成综述

邱黎辉，张俊武

● （苏州船用动力系统股份有限公司，江苏苏州 215126；2．中船重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

某型海监船动力系统集成综述

邱黎辉1，张俊武2

● （苏州船用动力系统股份有限公司，江苏苏州 215126；2．中船重工集团公司第七〇四研究所，上海 200031）

随着我国造船业的发展，船舶动力系统的集成化设计和供货已逐渐为广大船东所接收。文章对某型海监船动力系统的集成设计情况进行了介绍，重点介绍了动力系统的配置情况，对动力系统集成设计的特点进行分析。并对动力系统集成工作的前景进行了展望。

海监船；动力系统；集成化设计

0 引言

动力系统集成是国外船舶制造企业通用的动力系统设计和供货模式。2006年我国在出口德国的4000t多用途运输船（GL）上首次采用了这种模式并取得了成功，之后几年动力系统的集成化设计和供货逐渐被国内船东所接受。动力系统集成是指通过系统的设计和集成供货，实现船舶动力系统的空间布置更趋合理、推进效率优化、控制方式和逻辑优化。动力系统的集成设计具有提高主推进效率、降低能耗等众多优点[1]，同时可以缩短船舶建造周期，节约运营成本。

1 某型海监船及其动力系统集成及改装情况

某型海监船是一艘大型综合远洋科学考察船，该船于1981年7月建造完工出厂。在30余年的使用过程中，为我国海洋环境监测、考察、研究做出了重要贡献。该船原设计为两台可逆转低速主机（功率 3310kW，转速200r/min）驱动两套固定桨推进。但由于年久失修，缺乏配件供应等原因，该船动力系统故障频发，对船舶运营安全构成威胁。故对其动力系统进行更换、技术改造。该船的改造入CCS船级社，保留原船的线型设计、轴包架、艉管等部件。

某型海监船动力系统集成改装采用双机双桨推进，不可逆转中速机（型号：MAN7L27/38，功率：2555kW，转速：800r/min）通过垂直异心齿轮箱（型号：GWK5259，减速比4.105:1）驱动调距桨装置（79KS/4），调距桨采用轴系式配油器。螺旋桨轴采用海水润滑轴承，暴露在海水中的部分包覆玻璃钢防止海水腐蚀。结合动力系统特点，对遥控系统进行了改造。改造后的控制系统使动力系统的运行具有联控、分控、恒转速、应急控制等模式的运行功能。

本船对动力系统改装的航速要求为：≥15kn（90%MCR主机功率时）。

改装后的动力系统布置图如图1所示。

图1 某型海监船动力系统布置图

2 动力系统集成设计

根据该船的船型数据和总布置情况，对主机、齿轮箱、调距桨、轴系等进行定位；通过航速计算、系柱拖力计算、轴系校中计算、轴系回旋振动计算、轴系强度计算等进行了动力系统的总体设计和设备选型；并且对主推进监测、控制系统进行设计，实现了多种模式的控制功能。

2.1 主推进柴油机

主机发出的功率N经过轴系传送至螺旋桨,由于轴系的摩擦损失、船体效率及螺旋桨水动力损失等因素，真正有效的部分是克服船体阻力使船以额定航速 V前进的功率，亦即船的有效功率R0，本船主机功率计算考虑旧船改造时5%的增加阻力，实际有效功率取1.05R0。

设计航速15kn时的理论有效功率R0取2465kW，轴系效率ηS取0.96，相对旋转效率ηR取0.98，螺旋桨敞水效率η0取0.65，船身效率ηH取1.0359，主机功率留10%功率裕量。计算得主机最小功率为4358kW，本船双机双桨，故单机功率最小应为2179kW。

根据功率计算，在现有成熟机型中选取MAN 7L27/38船用柴油机，其MCR功率为2555kW，额定转速800r/min，该主机为7缸、四冲程、直列式、直接喷射、增压中冷、湿式油底壳。该型柴油机的机体采用整体刚性化设计，选用MAN公司的涡轮增压器，进气过程采用两级中冷。主机安全控制系统采用MAN公司的AT2000系统。

2.2 高弹性联轴器

高弹性联轴器具有减振降噪、抗冲击、避免轴系发生扭振振动的功能，且其弹性元件的刚度变化为非线性，故必须由专业扭振计算人员进行分析和配置，根据动力系统扭振计算结果进行最终的选型。

本船采用VULKUN的CRS2920型高弹性联轴器，用于连接主机飞轮和齿轮箱输入法兰。CRS型高弹性联轴器是一种扭转弹性橡胶减振联轴器，它能够补偿联接机构的径向、轴向和角向位移。联轴器通过受剪切的橡胶元件来传递扭矩，可利用不同的扭转刚度和阻尼系数，来充分调节传动系统的扭振特性。

2.3 齿轮箱装置

根据机舱布置情况、对齿轮箱的功能需求及螺旋桨的设计计算，在现有定型成熟的齿轮箱系列中进行选型。

本船齿轮箱选用GWK5259型齿轮箱（垂直偏心距为590mm）、带推力轴承，带主推进离合器，离合器可实现遥控、本地操纵。同时齿轮箱设置机带泵来提供齿轮箱正常工作时的润滑油和离合器工作油。齿轮箱减速比～4.105:1，该齿轮箱为1级减速，齿轮箱输入轴前、后轴承采用滚动轴承，输出轴前、后轴承采用滑动轴承，正、倒车推力轴承采用米歇尔轴承。考虑机舱冷却水系统的总体设计，确定齿轮箱滑油采用主机低温淡水进行冷却。

2.4 调距桨及轴系装置

1）调距桨及轴系的设计计算

在主机选型确定后，根据主机功率和转速以及航速要求进行螺旋桨的设计计算、系柱拖力计算、桨叶强度计算，确定螺旋桨的直径3.1m、转速196r/min、盘面比0.591、螺距比1.08。

根据船级社要求进行轴系的设计计算，中国船级社对轴系最小直径d(mm)的规定[2]为：

式中，F为柴油机推进装置，取100；C为不同轴的设计特性系数（整体法兰式中间轴取 1.0，法兰联接的螺旋桨轴取1.22，螺旋桨轴后轴承位以前部分取1.15）；Ne为轴系传递的额定功率，kW；ne为轴传递的额定转速，r/min；Rm为轴材料的抗拉强度，对中间轴采用碳锰钢，取760N/mm2，对螺旋桨轴，取600N/mm2。

根据计算结果选取合适的轴系直径，并结合船体结构情况布置轴承位置。对轴系进行强度计算、校中计算、回旋振动计算，最终确定轴系的尺寸和各支撑的位置。

2）调距桨及轴系的选型[3]

将原船的定距桨改为调距桨装置，采用79KS/4型调距桨装置。该装置由桨毂、桨叶、螺旋桨轴、轴内推拉杆、重力油配油环、夹壳式联轴器、变距机构、重力油箱、液压系统、电控系统等组成。调距桨的运用可更好地发挥主机功率，提高动力系统的推进性能[4]。

选用该型调距桨装置的特点是变距机构（配油轴、变距油缸）作为轴系的一部分，安装于螺旋桨轴和中间轴之间。中间轴部分可避免开内孔，减少了对原船中间轴的检修工作，而螺旋桨轴部分也无需提供液压油，仅需提供桨毂重力油。此型调距桨装置的液压单元布置在该船艉部变距机构附近，极好地适应了该船现有的舱室结构，不占用主机舱空间，同时缩短了液压系统油路。由于螺旋桨轴和变距机构的回转运动，重力油配油环、变距机构的液压油配油环均需设置支柱结构，以避免跟随轴系转动。

2.5 轴系附件

轴系设计计算完成后，确定轴系附件的安装位置和型号规格。本船轴系附件包括隔舱填料函、轴系制动装置、中间轴承、艏密封装置、赛龙轴承组件、艉管等。其中艏密封装置采用水润滑型式，密封带充气气囊，在对密封装置进行维护时，可利用充气气囊进行静态密封。密封带冲洗冷却水接口，可对密封环和前水润滑艉轴承进行润滑和冷却。水润滑轴承采用赛龙SXL材料，并进行防跟转设计，轴承的尺寸和结构设计综合考虑材料的热胀、水胀性能及最小运行间隙要求。艉管装置设计了防止泥沙沉积的冲洗孔，并考虑与船体线型的光顺性。

2.6 监测、控制系统

本船动力系统的监测、控制系统包括主机AT2000系统、齿轮箱及其离合器控制系统、调距桨控制系统及轴系附件监测系统。

系统实现按指令对动力系统进行自动控制、并有数据指示、安全保护功能，保障动力系统根据操作人员的操作指令安全可靠运行。

监测系统具有信号采集功能，将采集到的信号进行处理，并通过RS485信号向机舱监测报警系统输出螺距、转速、压力、温度及液位信号和报警信号，并配置VDR接口。

该船监控系统根据调距桨的特点，具有联控、分控、恒转速、应急控制四种控制模式。

1）联控模式：动力系统按照设定的控制曲线（手柄位置与螺距、主机转速、航速之间的对应关系曲线）实行控制，根据这些曲线，复合操纵手柄每个位置对应一定的主机转速和与之匹配的螺距，可使主机始终在最佳负荷范围内运行。

2）分控模式：调距桨螺距和主机转速分别通过操纵面板上的螺距控制手柄和主机转速加减按钮来实现。

3）恒转速模式：主机转速保持恒定不变，仅调节调距桨螺距，实现不同船速航行的要求。

4）应急模式：主机转速通过安装于集控台内的应急控制模块，限制主机转速，并通过安装在驾控台和集控台上的按钮直接输出开关量信号对可调桨螺距进行控制。

3 改装动力系统的特点

本船动力系统的集成设计充分结合原船结构，保留了原船的轴包支架、轴线布置、并保留了原船的3段中间轴，在设备与原船接口位置考虑检修余量，根据检修后的尺寸进行设备配合尺寸的最终加工。设备选型确保技术性能的同时，综合考虑了主机、齿轮箱、调距桨装置设备本身的结构特点、机舱辅助系统的配套需求、动力系统设备与船体结构的适应性、改装工作工程量等因素，使设备与船体结构、机舱环境得以良好地适应。

4 结束语

动力系统集成工作在我国尚处于发展阶段，而我国动力系统设备商的配套能力相对比较薄弱。国外配套商利用设备、资金、品牌优势垄断国外动力系统市场的同时，对国内船东也具有很大的影响力。

国内的动力系统集成商要在激烈的市场竞争中得到发展，就需要不断提高设计、配套能力，提高设计和运营手段使动力系统集成产品系列化、市场规范化，要努力掌握动力系统集成的核心竞争力，在做好常规柴油机动力系统集成的同时，致力于电力推进、混合动力等高新技术的研究、发展和应用，逐渐形成自己的品牌优势。

动力系统集成工作包括设计、设备采购与监造、集成配套、服务、融资垫资、长期维保服务等各方面，是一个长周期的系统工程。系统集成商不仅对系统设计负责，还需对设备生产质量、进度加强控制，使动力系统的设计、生产、试验、供货与船厂进度相适应，保证设备质量、系统性能的同时缩短船舶建造周期。

最后，随着我国海洋维权执法力度的加大和公务用船量的增加，类似老船集成改造的工作也会大量出现，这无疑也为各集成商提供了发展的良机。

[1]徐筱欣. 船舶动力装置[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2007.

[2]中国船级社. 钢质海船入级规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009.

[3]詹志刚, 喻英. 船舶主推进系统机桨匹配设计工况的优化选择[J]. 江苏船舶, 2000, 17(5): 12-14.

[4]杨创远. NY2100主机减速齿轮箱调距桨动力装置故障的排除[J]. 中国修船, 2002(1): 12-15.

河柴重工首制9L 21/31中速机曲轴下线

日前，河南柴油机重工有限责任公司首制9L 21/31曲轴成功下线。该曲轴长3890mm，净重1402公斤，无论长度还是重量，在河柴曲轴加工史上前所未有。它的试制成功，不仅充分证明了河柴领先的工艺水平和生产制造能力，而且为批量生产、扩大销售奠定了基础。

在9L 21/31曲轴试制过程中，河柴人发扬善打硬仗、敢啃硬骨头的作风，克难攻坚，确保一次成功。目前国内生产大型曲轴的设备均是采用价值4000多万元的进口随动磨床，而河柴要在价值600万元的5米普通磨床上加工超长曲轴，难度可想而知。

由于该曲轴是首次加工，精度、性能要求严格，制造工艺复杂，且受曲轴长度、重量及现有加工设备局限，要在两个月的时间内完成加工任务，难度很大。河柴重工成立9L 21/31曲轴试制小组，借鉴8L 21/31曲轴加工经验，对生产中可能预见的问题充分分析，制定解决方案。

由于是在普通磨床上加工，在精磨连杆颈时，因曲轴自重产生下坠而导致加工尺寸超差，河柴重工发挥在工艺上的优势，开展技术攻关，自行设计一套磨床偏心滚轮中心架，使加工后的轴颈椭圆度在0.015毫米，保证了加工精度，解决了曲轴加工难题。一道道工序紧锣密鼓，一次次组织技术攻关，一个个问题迎刃而解，9L 21/31曲轴在完成40多道工序，经检验合格后顺利入库。

21/31、16/24系列中速机是河柴重工2007年从德国MAN公司引进的国际领先产品。现已实现两个系列6种机型的批量生产，使河柴产品结构得以重大调整，在船舶市场的地位更加牢固。尤其是在应对金融危机中，中速机在抵御市场风险、支撑企业发展的作用愈加显现。此次研制成功9L 21/31曲轴，必将加快河柴中速机产品系列化步伐，拉长产品链条，拓宽市场领域。

江苏兆胜轻油冷却系统走进全球市场

据报道，江苏兆胜空调有限公司是我国专业的船用空调、冷藏、通风设备制造商和系统供应商，是“世界级的先进特种空调制造基地”。2010年，江苏兆胜仅用3个月就成功研制生产出国内第一台轻油冷却系统，其性能指标达到了国际先进水平，填补了国内空白，并顺利通过了法国、韩国等国船级社的权威认证。

2011年7月，轻油冷却系统成功申报为江苏省高新技术产品。该系统装置用于船舶燃油冷却系统，能够精确地控制出口燃油温度在2℃以内，同时能够满足不同出油温度要求，弥补了以往海水直接冷却、控制精度不高且在部分海域无法正常工作的缺陷。该冷却系统开发进度与国际同步，据统计，目前生产轻油冷却系统的企业全球仅有20多家。

江苏兆胜生产的船用轻油冷却系统价格只有国际同类产品的一半，因而迅速打开了全球市场。目前，江苏兆胜已成为中海运、中远、马士基等国内外知名远洋运输物流企业的配套企业，产品远销20多个国家和地区，企业的生产订单已排至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

邱黎辉（1963-），女，高级工程师。研究方向：船船特种推进装置。