现代高速舰船推进主机的选择研究

陆威崙（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

现代高速舰船推进主机的选择研究

陆威崙
（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

高速和中速柴油机都可作为高速舰船的动力，近年来高速机的应用在不断增加。本文从尺寸、重量、集装性、航速范围、加速性和推进性能等方面对两类机型进行讨论，为高速舰船主机的选择提供比较的视角。

高速舰船；高速机；中速机；加速性；推进性能

1　概 述

近年来我国海洋管理和海警部门的船舶正在不断更新，具有先进性能的巡逻船、公务船也在不断建造中。特别为保证抵达偏远海域时自持力和续航力的要求，需要建造一些大吨位、高航速的船舶。

船舶总长在 60m以下的巡逻船通常只在沿海区域使用，其推进主机基本上都采用高速机，因此本文不予讨论。典型的近海巡逻船其总长在 70～110m 之间，船舶排水量为 600～3 000 t。最高航速通常大于 22kn。近年来有大型化、高速化的趋势，可以接近甚至超过 4 000 t，而最高航速可在 30kn以上。对近海巡逻船而言，主机的性能在很大程度上影响了船舶的先进性，因此其推进主机的合理选择极其重要。就推进功能而言近海巡逻船可以采用中速机或高速机作主机。在整个国际范围，无论在亚洲或欧美，现在高速柴油机在这类船舶上的应用越来越多。在我国，前些年对这类船舶采用中速机较多，近年来与国际趋势相一致，高速机的应用也在不断增加。

对于相近排水量范围的公务船乃至军用的护卫舰，在主机的选择方面有着类似的情况。这些船舶都属于高速舰船，对于这类船中速机和高速机究竟何者更适合于作为主机？究竟应该从哪些角度来分析其对于具体船舶的适用性？本文就此进行讨论，希望能有助于船舶设计师和用户对主机的选择作出决策。

2　历史回顾

众所周知，船舶尺度越大，航速越高，所要求的主机推进功率就越高。一般地说，高速柴油机由于转速较高，其尺度不能太大，因此单机功率受到限制。20世纪 80年代以前，船用高速柴油机的单机最大功率大多不超过 3 000 kW。最大功率在 3 000 kW以上的机型凤毛麟角，例如，苏联的M504（56чH16/17）柴油机以其星型排列的缸径为 160mm的56 只气缸才达到了4 412 kW（2 200 r/min）的功率，MTU 20V956TB92则达到了4 900 kW（1 500 r/min。这2种机型，或结构复杂，或价格不菲，当时很少有被普遍采用的可能。

对于尺度较大的近海巡逻船，为保证一定的航速，要求比较高的功率。例如，对 1 000 t的船，即使仅有 22kn的航速却也需要 7 000 kW以上的总功率。如果采用双机，单机功率就要在 3 500 kW 左右。对于更大的排水量、更高的航速，要求的功率更大。总的来说，1 000 t以上的近海巡逻船所要求的总功率在7 000～35 000 kW 之间。所以在20世纪 80年代以前，是很难找到合适的高速机作为主机。因此当考虑到建造成本、设计和建造的方便性而要求采用柴油机动力时，往往只有采用中速机的可能。而中速机尽管其转速低，由于其缸径比高速机大得多，所以其功率覆盖范围也比高速机大得多，容易找到适合功率要求的主机。对于功率要求高的情况，还可采用双机联合的做法。因此，技术发展的现实决定了以前在近海巡逻船上中速机获得了较多的采用。而对于大型民用船舶，考虑到大修期和经济性方面的要求，中速机的应用则更为广泛。

随着柴油机技术的发展，高速机的单机功率逐渐提高。特别是德国的MTU 公司，它所开发的956 发动机在 70年代最大单机功率达到了4 900 kW，以后又作了进一步改造。在加长行程后，推出了新的1163 系列发动机，20 缸的20V1163TB92 机型在 1 220 r/min的转速下功率达到了5 200 kW。20世纪 70年代末对该系列发动机进行了重大改进，采用了二级增压，增压压力达到了4 bar，从而使最大功率在 1 300 r/min的转速下达到 7 400 kW。1996年开始研发的8 000 系列发动机使高速机的单机功率达到 9 100 kW。21世纪初该机型正式上市，之后经过不断改进，现在该机型的最大功率已经达到 10 000 kW。就功率而言，这种情况为现代大型高速舰船主机提供了更多的选择可能。图1表明了近数十年来高速机单机功率增长的情况。由于 MTU柴油机的功率总是处于高速机的最高端，因此数据主要基于MTU柴油机产品。由图可以看到功率呈阶梯型提高，且有较长的平台期，这是一个市场需求发展和技术孕育的过程。

图1　近数十年高速柴油机单机功率的增长Fig.1　Increase of the power of high speed engines within recent decades

3　高速机和中速机的比较

从动力源的角度考虑，高速机和中速机都可以用作船舶主机。但出于不同的设计思想，高速机和中速机在结构和性能方面又有很大的差异。在选择现代高速舰船的主机时，必须根据船舶的具体运行要求，从合适的角度，对这些差异进行仔细的分析，从而做出正确的决定。

3.1主机的尺寸和重量

在同样的功率下，高速机的尺寸和重量要比中速机小得多，这对于机舱空间有限的高速舰船很重要。

某型巡逻舰经计算需要 9 000 kW 左右的总功率，采用双机，因此每机功率当在 4 500 kW 左右。在设计阶段考虑了高、中速机2种方案，MTU 16V1163M74 （4 800 kW/1 250 r/min）和瓦锡兰 9L32（4 500 kW/ 750 r/min）是其中的2种机型。表1给出了这 2 种机型的尺寸和重量。

表1　中、高速机尺寸重量比较Tab.1 Comparison of dimensions and weights of high speed engine and medium speed engines

比较这些数据可看出，中速机比高速机无论在长、宽、高方向都要大得多，占用的机舱空间（框内空间）几乎要大出 1 倍。而重量则是高速机的2.28倍，每机重了26.41 t，2台机则要重 52.82 t。如果船总重为 1 500 t，这就相当于增加了3.5％的重量，由此会使航速受到影响，同时也意味着燃油消耗的增加。在此虽然仅对 2 种具体机型进行比较，但其结论具有普遍性，即在同样功率的情况下，中速机机舱需要更大的空间，会增加船舶的总重量，从而部分抵消燃油消耗率低的优点。

3.2主机附件的集装程度

主机各系统所包括的主要附件有：淡水泵、海水泵、热交换器、中冷器、膨胀水箱、滑油泵、各种滤器等。对高速机这些附件基本上都集装在发动机上，仅对功率极大的高速机，热交换器和膨胀水箱可能会散装在机外。而对中速机这些附件有许多装在机外，并且冷却系统、燃油和滑油系统往往比较复杂，包含有更多的零部件，其中有不少零部件也要装在机外。

很显然，集装程度高的发动机安装施工要方便得多；而集装程度差的发动机为了安装这些附件还要提供更大的空间、敷设管路，并产生额外的附加重量。因此在这方面高速机的优越性不言而喻。

3.3对航速范围的影响

表2给出国外典型近海巡逻船的航速-运行时间分布状况［1］。船舶的最高航速为 23kn，其主要的工作状况是以 11kn 左右的航速在辖区内巡航，而很长的时间是以 5～8kn的航速在辖区内慢速航行。

表2　典型近海巡逻船的航速-运行时间分布状况Tab.2 Typical operating profile of an OPV

其最高航速和最低航速之比为 2.9～4.6。在采用定距桨的情况下，可以认为发动机转速和航速之间存在着正比关系，所以要求发动机的最高、最低转速之比也能接近这一数值。但中速机的转速范围较小，因此其最高、最低转速之比数值也较小，其带来的后果就是船舶的最低航速会较高，达不到理想的低速范围，通常通过采用价格昂贵的调距桨等措施来解决这一问题，从而大大增加了船舶的复杂性和建造成本。

表3给出功率在 4 000 kW以上的几种中、高速机的转速范围。由表可以看出在采用定距桨时，当要求的最高航速在 23kn 时中速机达到的最低航速都要超过 8kn，在现今近海巡逻船最高航速超过 30kn的趋势下，最低航速会更高。而使用高速机作为主机时，30kn的最高航速和 8kn以下最低航速的要求则都可得到满足。

表3　几种中、高速机的转速范围Tab.3 Speed range of several types of engines

影响船舶低速航行的另一个因素是发动机的低负荷性能。低转速时增压器的不良性能是影响发动机低负荷性能的主要原因。大多数的增压发动机会给出一个允许发动机长期运行的最低负荷极限，只有当发动机负荷高于这一极限时船舶才能长期运行；而当低于这一极限时，船舶的运行时间就要受到限制。这就意味着，船舶的最低航速运行时间往往有限制，而这种限制又是随发动机产品而不同的。例如瓦锡兰 32 机规定当燃用重油（HFO）时能长期运行的负荷极限是20％的标定功率值；当燃用船用燃料油（MDF）时负荷极限为 10％［2］。而对绝大多数的MTU发动机，由于顺序增压的采用，低负荷性能大大改善，可以在很低的负荷下长期运行，大部分机型并不存在低负荷的限制值。

3.4对船舶加速性的影响

船舶的加速性是指船舶从一低的航速迅速提高到高航速的能力，这一过程经历的时间越短，则加速性越好。船舶的加速性取决于船舶的设计和发动机的性能，在船舶的结构设计已经确定的情况下则主要与发动机性能相关。此时，发动机从低速 n1加速到 n2所需的加速时间 T（s）可以简要地用下式求出：

式中 J为作用于从发动机到螺旋桨的动力链上旋转质量的惯性矩，它是发动机、联轴器、齿轮箱、轴系和螺旋桨旋转质量当量惯性矩的总和。所谓当量惯性矩是指所有的惯性矩都转换到发动机的曲轴上的值，因此齿轮箱被动部分、轴系和螺旋桨的惯性矩都要除上齿轮箱的速比平均值。Ma为实现加速所能提供的发动机扭矩，它是相应转速下发动机发出的扭矩扣除传动损失和推进扭矩的差值。J的单位为 kgm2，Ma单位为 Nm。

一般来说在相同功率的情况下，中速机有较大零部件尺寸，惯量会较大；发动机转速和轴系的速比也较小，因此当量惯性矩也较大，这些对船舶的加速都不利。有时它从最低转速到最高转速的加速时间短是由于加速的转速区间小造成的，并不说明它的加速性好。表4给出几种中、高速机到飞轮的传动链惯性矩值。

Ma的大小实际上取决于发动机的特性曲线与推进曲线相隔距离的大小，因此发动机特性曲线越丰满加速性就越好。

表4　几种中、高速机的惯性矩Tab.4 Inertia torque of several types of engines

无论中速机还是高速机，其对船舶加速性能的影响应根据以上讨论从制造商获得相关数据，对具体发动机作出具体的分析计算才能确定。

对涡轮增压发动机加速时增压系统工作的迟滞性是影响船舶加速性的另一个因素。特别是在增压比较高的情况下，当转速、负荷增高时，由于叶轮推动气流有很大的惯性，就产生了对发动机供气的迟滞，从而影响了加速性。从怠速提高到最高转速一般需要几十秒的时间，具体数值随增压系统的设计而定。大尺寸的发动机为了减小增压器加速的惯性，常采用多个增压器的设计，使每个叶轮的尺寸减小，从而缩短加速时间。MTU 公司多个系列发动机的改进中采用了新的先进材料来制造涡轮，大大减小了旋转质量的直径，提高了发动机的加载性能。

但以上2个因素对发动机加速性的影响一般来说并不是叠加的，而是仅取决于其中更重要的一个因素，不同的发动机这2个因素的影响程度不同。对非增压或低增压发动机，就发动机本身而言加速性很好，从怠速加速到最高转速非常迅速，在不到 1 s的时间里就可实现。带上负载后，加速性就取决于系统的惯性矩 J和加速扭矩 Ma。对高增压发动机则还要与增压的迟滞作用影响相比较。

3.5推进性能

现代高速舰船为了降低对发动机功率的要求和提高舰船的生命力常采用多螺旋桨推进，其中采用最多的是双机双桨推进。本文以此为例来讨论高、中速发动机在推进性能方面的差别。

图2中 N2为双机运行时船舶吸收的总功率曲线，A为双机同时运行时的额定工作点，也即为螺旋桨的设计点，此时发动机获得其标定功率，每台发动机的工作点为 D，曲线 N1对应于 发动机的外特性曲线。双机运行时每台发动机按螺旋桨曲线 P1工作，这对应于 1 条三次方曲线。当单机运行时，为维持航速不变原由2台机提供的功率需由单机承担，即在相同的发动机转速下，发动机要发出双倍的功率，因此发动机要按双三次方曲线运行，相对应的为曲线 P2。发动机的能力由其外特性曲线所限定，因此 N1和曲线 P2的交点 B为单机运行时发动机的最大能力工作点，由此限定了单机运行时能达到的最大航速。实际上由于单机航行时的拖桨作用，螺旋桨曲线 P 比 P2还要陡，最大工作点可能在 C，本文为方便讨论忽略这种影响。

图2　双机双桨装置的单桨运行模式Fig.2　Operation modes of a two shaft arrangement

对于高速机，双机配置时，单机航行可以达到60％左右的最高航速，视具体机型而有所不同。而对于中速机，由于其转速范围狭窄，其单机航行可获得的航速通常较低。有些机型由于其功率曲线低于双三次方曲线，即曲线 P2与 N1不能相交而无法实现单机航行。图3给出了几种中高、速机推进性能的比较［1］。由图看出最高转速为 2 100 r/min的MTU20V4000M93发动机单机航行时可以达到 62％ 左右的最高航速，而C280-12 发动机则只能达到 40％ 左右的航速，对于这种情况通常的解决办法是采用调距桨。采用调距桨可以提高舰船的机动性、操纵性，可以充分吸收发动机的功率，并能改善舰船的续航力和经济性，但其复杂的结构和昂贵的价格往往又致命。而对于中速机，在不能单机航行的情况下却又是无奈之举。由于主机的不当选型会在调距桨的优点不是很重要的情况下也不得不采用调距桨。我国某两型 600 t的巡逻艇都采用了4台 MTU16V4000 高速机和定距桨的配置；印度的500 t轻护采用了2台 MTU16V1163TB93 发动机和定距桨的配置，这些都是成功的很经济的设计。

图3　几种中、高速机的推进特性Fig.3　propulsion performance of several types of engines

3.6其他

除上述因素外，在选定主机时还有一些常规因素需要考虑。例如，噪声和振动的水平，发动机的经济性、可靠性和维修性、大修期等。

高速机尽管其转速要比中速机高得多，在同等功率的情况下其进、排气的噪声并不一定比中速机高，因此对噪声和振动的评价必须要获取制造商的可靠数据。

一般地说中速机的大修期要比高速机长，现代中速机的大修期都在 20 000h以上，并且在中途大多安排有中修。中、大修都可以在机舱里进行。现代高速机由于设计水平的提高，工艺和材质的改进，大修期有了极大的延长。例如，功率为 7 400 kW的MTU20V1163-TB94 发动机其大修期可达到 24 000h；而标定功率为6 000 kW的MTU20V1163TB74 发动机的大修期为30 000h［3］，已完全可以与中速机媲美。并且这类高速机在执行计划维修的情况下，无需进行中修，但需把整机吊出，送工厂进行大修。

现代高速机与中速机燃油消耗率的差距也在缩小，表5给出几种中、高速柴油机在不同载荷下的燃油消耗率。大部分轮机工程师或用户在比较燃油经济性时往往仅集注于发动机制造商所给出的标定功率下的油耗值，这是远远不够的。必须要了解性能曲线图上船舶最经常工作的螺旋桨曲线区域的油耗值，同时还要注意随转速变化的油耗曲线的平坦性，因此从制造商处获得划有等油耗线的通用特性曲线图将会很有帮助，对此文献［4］有较详细的讨论。

表5　几种中、高速机的燃油消耗率Tab.5 Fuel consumption of several types of engines

4　结 语

对于海域辽阔的中国，设计建造适合中国国情的具有现代先进水平的高速舰船有着重要的意义，而选择合适的主机又是其中一项关键性的工作。当今国际上，技术先进的高速机在这类船舶上获得了越来越多的应用。只有从恰当的视角，根据具体项目的需求，对高、中速机各种具体机型进行正确的评估，才能最终作出适当的选择。希望本文所进行的讨论对于这种评估能有所帮助。

致谢：本文撰写过程中，701 研究所李德智、蔡关涛2位专家提出了宝贵的意见，对本文作出了重要贡献，谨此致谢。

［1］Series 4000 in Offshore Patrol Vessel Applications［Z］.MTU GmbH，2007.

［2］Wärtsilä32 Product Guide［Z］.Wärtsilä Corporation，4/2012.

［3］Maintenance Schedule Diesel Engine V1163Mx4［Z］.MTU M550111/00E，2012-12.

［4］陆威崙.现代船用柴油机特性曲线的研讨［J］.柴油机，2005，27（4）：15-20.LU Wei-lun.Studies and analysis of performance diagram of modern marine diesel Engines［J］.Diesel engine，2005，27（4）：15-20.

Selection of propulsion engines of modern-high speed military and governmental ships

LU Wei-lun
（Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute，Shanghai 201108，China）

Either high speed engine or medium speed engine can be used for main engine of high speed military and governmental ships.In recent years the adoption of the high speedengine for these applications has been continuously increased.In this paper the way to make a comparison between various engines is put forward.These two kinds of engines are discussed，focusing on dimensions，weight，integrity，ship speed range，acceleration behavior，propulsion performance，etc.

high speed military and governmental ships； high speed diesel engine； medium speed diesel engine；acceleration behavior； propulsion performance

U661.31+3

A

1672-7619（2016）07-0030-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.007

2016-03-02；

2016-03-18

陆威崙（1943-），男，硕士，研究员，主要从事发动机应用工程研究。