柴油機(jī)推進(jìn)裝置選型與機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)概述

孫勝平 王與凡

摘 要：船舶動(dòng)力裝置的選擇是船舶設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，其直接決定船舶本身的動(dòng)力性能。本文概述了目前主流的柴油機(jī)動(dòng)力裝置的組成及其優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算實(shí)例介紹機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)的目的和主要步驟，并由機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)的結(jié)果來(lái)進(jìn)行主機(jī)的選型，闡述了主機(jī)選型需要考慮的問(wèn)題及其對(duì)船舶性能的影響。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)動(dòng)力裝置;機(jī)槳匹配;主機(jī)選型

中圖分類號(hào)：U664.121? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）09-0086-02

船舶動(dòng)力裝置按照主推進(jìn)裝置發(fā)動(dòng)機(jī)的類型可分為柴油機(jī)動(dòng)力裝置、蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置、燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置、聯(lián)合裝置和核動(dòng)力裝置。其主要任務(wù)是為船舶提供各種能量和利用這些能量，以保證船舶的正常航行與安全，人員的正常生活和安全，以及完成各種作業(yè)等等。在大中型船舶中，應(yīng)用最廣的動(dòng)力裝置為柴油機(jī)動(dòng)力裝置，其組成包括推進(jìn)裝置、輔助裝置、機(jī)艙自動(dòng)化設(shè)備、管路系統(tǒng)和船舶設(shè)備。

1機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)

所謂機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)即是在根據(jù)船體設(shè)計(jì)資料及設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求，考慮船舶的尺寸、可靠性與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，選擇一套從主機(jī)到螺旋槳的最佳推進(jìn)裝置，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括兩部分：初步匹配設(shè)計(jì)和終結(jié)匹配設(shè)計(jì)。

1.1 技術(shù)原理

船體基本參數(shù)：

1.1.1船舶主尺度

總長(zhǎng)L=121m? 垂線間長(zhǎng)Lbp=114m

型深D=9.0m? 型寬B=20m

設(shè)計(jì)吃水d=6.0m 設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)Lwl=116.4m

結(jié)構(gòu)吃水 d=6.5 m 方形系數(shù)Cb=0.8508

浮心縱向距中1.177m 設(shè)計(jì)排水量=11639t

設(shè)計(jì)航速Vs=11.5kn 船員定額：22人

在航速11.5節(jié)時(shí)船體有效功率為1165千瓦，選定螺旋槳直徑為2.939米，進(jìn)行螺旋槳初步設(shè)計(jì)。設(shè)定螺旋槳為4葉AU槳，盤面比為0.55，本船動(dòng)力裝置為雙機(jī)雙槳。

1.1.2設(shè)計(jì)計(jì)算

伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為

由于本船動(dòng)力裝置為雙機(jī)雙槳，那么單機(jī)單槳的有效功率為582.5kW，假定一組轉(zhuǎn)速180r/min、190r/min、200r/min、210r/min、220r/min、230r/min、240r/min、250r/min。計(jì)算直徑系數(shù)后，查圖譜，由等值線與最佳效率曲線取交點(diǎn)得到螺旋槳的螺距P/D和敞水效率，整理可得，如圖1所示：

即轉(zhuǎn)速為237r/min，此時(shí)主機(jī)有效功率為582.5kW，主機(jī)功率為1060kW。

1.2 終結(jié)匹配設(shè)計(jì)

終結(jié)匹配設(shè)計(jì)是在已知主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)設(shè)備與軸系之間的傳送效率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計(jì)算得到螺旋槳所收到的功率、螺旋槳的推進(jìn)效率及船體的效率的參數(shù)，最后通過(guò)計(jì)算得出船舶可達(dá)到的航速和螺旋槳的最佳工況。下面以一計(jì)算實(shí)例來(lái)介紹其計(jì)算過(guò)程。

該船主機(jī)額定功率2*1190.7kW，額定轉(zhuǎn)速550r/min，齒輪箱減速比2.8947：1，進(jìn)行螺旋槳終結(jié)設(shè)計(jì)。設(shè)定螺旋槳為4葉AU槳，盤面比為0.55，本船動(dòng)力裝置為雙機(jī)雙槳。其他參數(shù)與2.1節(jié)相同。

螺旋槳額定轉(zhuǎn)速為，假設(shè)其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主機(jī)功率為額定功率的90%，那么單機(jī)主機(jī)功率為 ，假定其航速為7kn、8kn、9kn、10kn、11kn、12kn。計(jì)算完后，根據(jù)選定的葉數(shù)和盤面比查詢相應(yīng)的圖譜，由值向上做垂線與最佳效率線相交得到。

2 主機(jī)選型

根據(jù)初步匹配設(shè)計(jì)結(jié)果，進(jìn)一步確定滿足船舶航速的主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速，隨后按要求選擇最合適的主機(jī)，除此之外，主機(jī)的選取還需綜合考慮以下幾個(gè)因素：

（1）主機(jī)自身的重量和尺寸大小;主機(jī)的重量過(guò)大將會(huì)使船舶載重量降低，尺寸較大將會(huì)壓縮船舶貨艙容積，不利于大件貨物運(yùn)輸。

（2）主機(jī)功率和轉(zhuǎn)速;船舶主機(jī)的選取還需要考慮其標(biāo)定功率、超負(fù)荷功率等，其選取關(guān)系到船舶的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

（3）主機(jī)所需燃油與滑油種類;船用燃料的品類主要有輕柴油、重柴油、燃料油和中間燃料油四種，不同種類燃料的性能差異相差較大，購(gòu)置所需價(jià)格也相差較大。因此，選取主機(jī)還是需要考慮燃料的選取，主機(jī)燃料應(yīng)盡可能在保證使用性能條件的同時(shí)，滿足經(jīng)濟(jì)性最高的原則。

（4）主機(jī)的造價(jià)、維修和壽命等;船舶主機(jī)制造成本在船舶制造中占據(jù)較大的比例，船舶使用過(guò)程中主機(jī)的維護(hù)工作量及其使用壽命的長(zhǎng)短直接關(guān)系到船舶的經(jīng)濟(jì)性，因此主機(jī)選取時(shí)需盡可能選擇壽命長(zhǎng)、維修工作量少的主機(jī)。

（5）振動(dòng)和噪聲;主輔機(jī)是船上最強(qiáng)的噪聲源，它們決定了柴油船的噪聲級(jí)。

（6）主機(jī)的油耗;主機(jī)油耗是評(píng)價(jià)主機(jī)性能參數(shù)的重要指標(biāo)之一，其決定著船舶航行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

柴油機(jī)推進(jìn)裝置的選型時(shí)，除了需要主機(jī)選型之外，還需要根據(jù)船舶機(jī)槳匹配特性，考慮傳動(dòng)方式，軸系數(shù)目，推進(jìn)器型式，螺旋槳數(shù)目和類型等。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛振邦， 劉應(yīng)中. 船舶原理[M]. 上海交通大學(xué)出版社， 2004.

[2]肖偉星.淺談船舶主推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力集成與裝置安全[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（22）：129-130.

[3]周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2011.

[4] 張文兵.關(guān)于船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展分析探討[J].中國(guó)水運(yùn)（下半月），2020，20（04）：50-52.

[5] 梁恩勝，劉文科，惠節(jié).船舶主推進(jìn)動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢(shì)探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（36）：128.