船用柴油机与燃气轮机动力装置的可靠性对比分析

胡以怀，汪 猛，阚晓旭，方云虎，张 陈，芮晓松

(1.上海海事大学 商船学院，上海 201306；2.招商局金陵鼎衡船舶(扬州)有限公司，江苏 扬州 225217)

0 引 言

1776年瓦特改进并制造具有实用价值的蒸汽机，船舶动力装置功率提高较大。1807年蒸汽动力船克莱蒙特号问世，至19世纪末蒸汽机在船舶上得到广泛应用[1]。1897年迪赛尔成功制造可安全运行的热机，1903年柴油机安装在俄国万达尔号油船和法国佩迪特·皮埃尔号平底驳船上，从此柴油机作为一种效率更高的动力装置在船舶上得到广泛应用，并在商船上逐渐取代汽轮机而成为船舶的主要动力装置[2]。1920年德国人霍尔茨瓦特研制实用的燃气轮机，此后燃气轮机开始在航空、机车、汽车、船舶和发电厂得到广泛应用。1947年船用燃气轮机加特里克在英国诞生，装备在高速炮艇上，在20世纪50年代后船用燃气轮机得到快速发展和应用，全球近30个国家的海军舰船使用燃气轮机[3]。除蒸汽轮机由于效率较低、结构过于庞大外，柴油机和燃气轮机动力装置已成为各种船舶的推进动力，95%以上的船舶均采用这2种动力装置。

船用柴油机和燃气轮机动力装置各有特点。船用柴油机以其热效率高、功率范围广、启动迅速、维修简易、运行安全、使用寿命长等优势而得以广泛应用[4]。燃气轮机与柴油机相比，优点在于体积小、质量轻、功率密度高、振动小、启动快、低温启动性能好等[5]。一般而言，民用船舶大多采用柴油机动力装置，部分舰船采用燃气轮机或燃-柴联动装置，有些高速渡船、游船和快速货船采用燃气轮机作为动力装置。通过可靠性的定量计算分析比较这2种船舶动力装置的可靠性特点，为船舶动力装置的选型和可靠性设计提供参考。

1 可靠性分析模型

船用柴油机和燃气轮机动力装置是较复杂的机械系统，零部件组成多，工作条件恶劣，且多因素影响装置运行的可靠性。为此，提出部件不可靠度参数U，从关键零部件数量、零部件制造材料、零部件工作条件和部件冗余数量等角度综合考虑设备不可靠度，为可靠性评价提供依据。U主要由部件冗余数量r、关键部件数量m、部件材料不可靠度u1、运行条件不可靠度u2、运行速度不可靠度u3确定[6]，即

U=∑m(u1+u2+u3)/r

(1)

u1的确定方式为：0(结构钢)，0.25(工具钢)，0.50(合金钢)，0.75(铸铁)，1.00(塑料)；u2的确定方式为：0(常温、常压)，0.50(工作温度<400 ℃且工作压力<2.000 0 MPa)，1.00(工作温度>400 ℃或工作压力>2.000 0 MPa)；u3的确定方式为：0(运行速度较低的旋转机械)，0.50(运行速度较高的旋转机械或运行速度较低的往复机械)，1.00(运行速度很高的旋转机械或运行速度较高的往复机械)。不可靠度越大，说明该设备的可靠性越低；不可靠度越小，说明该设备的可靠性越高。这样即可定量分析和比较设备的运行可靠性。

1.1 船用柴油机的不可靠度计算

以多缸二冲程柴油机为例，其主要由配气机构、曲柄连杆机构、机体、增压系统、燃油喷射系统和操纵系统组成。由于二冲程低速机不可独立运行，需要其他辅助设备为其提供燃油、滑油、冷却水和压缩空气，因此船用柴油机动力装置的不可靠度计算必须考虑这些辅助设备。在不考虑柴油机和辅助设备部件冗余数量的情况下，不可靠度计算如表1所示，不可靠度计算结果为393.05。

表1 船用柴油机不可靠度计算

续表1 船用柴油机不可靠度计算

1.2 船用燃气轮机的不可靠度计算

典型的船用燃气轮机主要由燃气发生器(包括压气机、燃烧室和燃气涡轮)、动力涡轮、支撑轴承及燃油系统、润滑系统、放气系统、操纵系统、空气涡轮启动机等组成。燃气轮机是高速旋转机械，需要增加1套减速齿轮箱将推进轴系转速降低，整个装置的部件组成及不可靠度计算如表2所示，不可靠度计算结果为281.57。

表2 船用燃气轮机不可靠度计算

2 可靠性对比分析

由第1节的计算可知：燃气轮机动力装置的结构可靠性明显高于柴油机动力装置，这主要是由于柴油机是往复式运动机械，包含的部件数量大，而燃气轮机动力装置结构相对简单，振动较小，质量较轻。以6缸二冲程柴油机为例，其关键部件数量达620多件，而典型燃气轮机的关键部件仅420多件，这就大幅影响柴油机动力装置的结构可靠性。根据以往的统计数据，燃气轮机动力装置的故障率仅为柴油机动力装置的1/3[7]。

续表2 船用燃气轮机不可靠度计算

但从另一个角度看，对于多缸柴油机来说，即使1缸或2缸的活塞-连杆组件由于故障无法工作，仍可通过封缸运行的方式保持柴油机的降速运行，不会引起后续重大的船舶事故。其辅助设备一般是成组配套，即使一套失灵，备用的一套会自动投入运行，这样就大幅提高装置的运行可靠性。考虑柴油机部件的冗余数量，在3缸以上不能正常发火时即认为无法正常工作，因此柴油机配气机构、曲柄连杆机构的冗余数量取3，而燃油系统、冷却系统、滑油系统和启动系统的冗余数量取2，得到的船用柴油机动力装置的工作不可靠度计算结果为215.28，与燃气轮机动力装置相差不大。尽管柴油机动力装置的结构可靠性低于燃气轮机动力装置，但由于冗余部件和冗余辅机设备的存在，其整体运行可靠性比燃气轮机动力装置高23.54%，即

(281.57-215.28)/281.57=23.54%

(2)

在船舶3种主要的动力装置中，汽轮机单机功率最大，但机动性能差，经济性最差，目前在船舶上已很少使用。柴油机经济性最好，操作简单，但噪声、振动比较大，主要在商船上得到广泛应用。燃气轮机单位功率的质量尺寸最小，机动性好，但高温部件的寿命相对较短，目前主要在一些水翼船和舰船上使用。在进行船舶动力装置选型时，应根据船舶具体的技术要求而定。对于具有足够的机舱空间，且对船舶经济性要求较高的船舶，宜选择柴油机动力装置。对于机舱空间有限，或更注重船舶操纵性和隐蔽性的船舶，宜选择燃气轮机动力装置。为提高燃气轮机动力装置的整体运行可靠性，可考虑增加备用机组或设备，以弥补其工作可靠性的不足。

3 结 语

船用柴油机和燃气轮机动力装置各有特点。船用柴油机冗余性好，即使1缸或2缸发生故障仍可运行，其整体运行可靠性比燃气轮机动力装置高，经济性较高，适合于大型远洋运输船舶。船用燃气轮机动力装置结构紧凑、体积小、质量轻，动力性更好，更适合中小型的高速船和舰艇。燃气轮机动力装置可通过增加冗余设备，如增加备用机组或采用多机驱动方式，提高其整体的运行可靠性。