陸 鵬，孫 偉，張博倫，王金亭

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)有限公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

某外貿(mào)船主推進(jìn)系統(tǒng)采用雙機(jī)雙槳型式，主要包含2臺(tái)主機(jī)、2臺(tái)齒輪箱、2套軸系及調(diào)距槳裝置（含軸系附件）、2套中間傳動(dòng)部件、1套主推進(jìn)系統(tǒng)控制和監(jiān)測(cè)裝置。這里動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)[1]需滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)和CCS規(guī)范[2]要求，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

主機(jī)采用高速機(jī)，每臺(tái)通過(guò)高彈性聯(lián)軸節(jié)與齒輪箱相連；為了減少齒輪箱的復(fù)雜度，2臺(tái)主機(jī)設(shè)置相反2種不同轉(zhuǎn)向。

中間傳動(dòng)部件包括高彈性聯(lián)軸器、萬(wàn)向聯(lián)軸器和推力軸承。柴油機(jī)與齒輪箱之間通過(guò)高彈性聯(lián)軸器聯(lián)接。齒輪箱通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器和推力軸承與配油軸聯(lián)接，這樣保證了齒輪箱與軸系的非直線傳動(dòng)。降低變動(dòng)扭矩、改善了齒輪箱工作條件，補(bǔ)償了設(shè)備軸向和徑向位移，并調(diào)節(jié)扭振特性。

根據(jù)總體布置要求，齒輪箱為一進(jìn)一出型式；軸系將推力傳遞給推力軸承以隔離螺旋槳的軸向推力向主機(jī)傳遞。齒輪箱的前端配置摩擦片離合器。

螺旋槳采用調(diào)距槳，俯視內(nèi)旋，不帶導(dǎo)管；按照計(jì)算獲得的船體阻力進(jìn)行船機(jī)槳匹配后，確定最佳的螺旋槳參數(shù)。軸系包括配油軸、尾軸、推進(jìn)器軸、調(diào)距槳裝置及軸系附件。主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)駕駛室、機(jī)艙集控室和機(jī)旁3個(gè)固定控制站，控制站間可相互轉(zhuǎn)換，控制優(yōu)先級(jí)機(jī)旁高于機(jī)艙集控室，機(jī)艙集控室高于駕駛室。各控制站采用手柄、旋鈕、按鈕及轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等操作終端對(duì)柴油機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳等設(shè)備進(jìn)行操縱控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備在機(jī)旁、集控室、駕駛室的監(jiān)測(cè)操控。

通常，在已知少量設(shè)計(jì)輸入條件的情況下，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)[3]集成方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究比較困難。應(yīng)首先確定該船的阻力以獲得船體有效功率曲線；再對(duì)該船進(jìn)行機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算，初步匹配獲取主機(jī)推薦裝機(jī)功率；然后進(jìn)行終結(jié)匹來(lái)確定螺旋槳最佳效率和最大航速等數(shù)據(jù)；最后通過(guò)設(shè)備選型和軸系計(jì)算，可最終確定推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)配置及設(shè)計(jì)方案。

應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件，集成螺旋槳圖譜法，可進(jìn)行機(jī)槳匹配[4]設(shè)計(jì)計(jì)算。再通過(guò)方案評(píng)估和設(shè)備選型，確定動(dòng)力系統(tǒng)方案。軟件結(jié)構(gòu)為樹(shù)狀，主要功能模塊見(jiàn)圖2。設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件主要包含方案設(shè)計(jì)、多方案評(píng)估、設(shè)備選型及軸系相關(guān)計(jì)算等功能模塊。

該動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件是一個(gè)綜合軟件，在VB.net環(huán)境下編制完成，軟件涵蓋了人機(jī)交互、文件處理、數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用、動(dòng)力系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、軸系校核計(jì)算、多方案評(píng)估、設(shè)計(jì)報(bào)告輸出等。對(duì)該外貿(mào)船在已知條件不充分的情況，進(jìn)行機(jī)槳初步匹配計(jì)算、終結(jié)匹配計(jì)算、設(shè)備選型、方案評(píng)估等設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 有效功率曲線的獲取

有效功率與船體阻力息息相關(guān)，應(yīng)用成熟的Ship-Power和NavCad商業(yè)軟件對(duì)該外貿(mào)船進(jìn)行阻力-航速計(jì)算，從而可獲得其阻力及有效功率值，一般該值由船模試驗(yàn)[5]給出。已知的船型數(shù)據(jù)[6]見(jiàn)表1和表2。

表 1 船體參數(shù)Tab. 1 Parameters of hull

表 2 螺旋槳參數(shù)Tab. 2 Propeller parameters

由于已知參數(shù)相對(duì)較少，以及為方便2種設(shè)計(jì)軟件的結(jié)果比較，對(duì)ShipPower和NavCad軟件均采用其各自內(nèi)置的Holtrop算法，而兩者的輸入條件不盡相同。Holtrop算法對(duì)船型適用范圍廣，要求輸入?yún)?shù)量較少，對(duì)于傅汝德系數(shù)Fn（ ）范圍為0.00～0.45；棱形系數(shù)Cp（）范圍為0.55～0.85；尺度比Lwl/B范圍為3.90～9.50；尺度比B/T在2.10～4.00的船型可廣泛適用。經(jīng)過(guò)輸入ShipPower和NavCad軟件計(jì)算獲得表3的不同航速下的船體阻力；同時(shí)也可以獲得船體有效功率值(見(jiàn)圖3)。通過(guò)簡(jiǎn)單對(duì)比，兩者的計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差均小于5%，本文采用的有效功率數(shù)據(jù)為ShipPower獲得。

表 3 船體航速-阻力計(jì)算結(jié)果表Tab. 3 Hull speed - resistance calculation results table

2 設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)初步匹配計(jì)算

初步匹配需已知船體主尺度、船體的有效功率曲線Pe（見(jiàn)圖3）、船舶要求的設(shè)計(jì)航速Vs，螺旋槳的直徑D（或轉(zhuǎn)速n），通過(guò)已知螺旋槳槳譜，這里選用B型槳，從而初步確定所需主機(jī)的功率，最為主機(jī)選型的依據(jù)。

初步匹配設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想為：在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，令機(jī)槳功率匹配，求得各轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的槳參數(shù)，從中找到效率最大點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的槳及主機(jī)即為所求。本設(shè)計(jì)已知螺旋槳直徑D，則初步匹配計(jì)算依照表4所列步驟進(jìn)行，計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖4所示，而最終結(jié)果由圖5確定。

設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件按照表4的設(shè)計(jì)步驟和圖4的迭代循環(huán)計(jì)算流程自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，可以最終獲得初步匹配的設(shè)計(jì)結(jié)果(見(jiàn)圖5)。獲得主機(jī)功率的參考值5 063.96 kW，并據(jù)此進(jìn)行設(shè)備選型，選擇一定型號(hào)的主機(jī)后（這里暫定16PA6V-280STC），系統(tǒng)會(huì)從設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)自動(dòng)填入選型結(jié)果中，具體選型步驟后續(xù)說(shuō)明。

3 設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)終結(jié)匹配計(jì)算

通常，按所需主機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速選用現(xiàn)成的、標(biāo)準(zhǔn)型的主機(jī)與傳動(dòng)設(shè)備，故最后選定的主機(jī)其功率和轉(zhuǎn)速與初步匹配設(shè)計(jì)時(shí)可能不相同。根據(jù)選定主機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)設(shè)備與軸系的傳送效率ηs，算得槳的收到功率Pd、槳的效率η0、船身效率ηh等，計(jì)算船舶所能達(dá)到的航速和螺旋槳的最佳效率。該外貿(mào)船的終結(jié)匹配計(jì)算是已知主機(jī)功率Ps、轉(zhuǎn)速n和船舶的有效功率曲線，從而確定該船所能達(dá)到的最高航速V、螺旋槳直徑D、螺距比及螺旋槳效率η。

表 4 初步匹配計(jì)算（直徑D給定）Tab. 4 Preliminary match calculation （diameter D given）

終結(jié)匹配設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖6，其計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件按照上述設(shè)計(jì)步驟和迭代循環(huán)計(jì)算流程自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，可以獲得終結(jié)匹配的設(shè)計(jì)結(jié)果。對(duì)于暫定主機(jī)為：16PA6V -280STC，額定功率 5 184 kW，額定轉(zhuǎn)速 1 050 r/min以及按照已知螺旋槳直徑 D=2.85 m，但盤(pán)面比未知以及轉(zhuǎn)速一定范圍的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，在滿足空泡校核的要求下，尋找合適的傳動(dòng)比對(duì)應(yīng)的最大航速和敞水效率(見(jiàn)圖8)。

此外，本外貿(mào)船的設(shè)計(jì)要求為：在規(guī)定的測(cè)速試驗(yàn)條件下，軸轉(zhuǎn)速約300 r/min，主機(jī)最大功率留有不少于5%的儲(chǔ)備條件下，船的最大航速不小于25.0 kn，螺旋槳效率不小于0.68。分別對(duì)減速比為3～3.6的情況進(jìn)行終結(jié)匹配計(jì)算分析，如表5所示。

從表5計(jì)算的結(jié)果可知：在轉(zhuǎn)速比為3.4時(shí)，獲得最大航速25.957 kn（大于設(shè)計(jì)要求的25 kn），此時(shí)的螺旋槳的敞水效率也最大0.705（大于設(shè)計(jì)要求的0.68），轉(zhuǎn)速比為3.4時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速308 r/min（滿足軸轉(zhuǎn)速約在300 r/min的條件）。上述終結(jié)匹配的計(jì)算結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，從而轉(zhuǎn)速比可以確認(rèn)，選擇一款相應(yīng)的減速齒輪箱的重要條件就確定了。

表 5 終結(jié)匹配計(jì)算結(jié)果Tab. 5 End matching results

4 主機(jī)選型分析及軸系強(qiáng)度計(jì)算

4.1 主機(jī)選型

首先根據(jù)船舶用途選擇主機(jī)[7]的種類，該類型船舶采用高速機(jī)。再根據(jù)初步匹配的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果：主機(jī)功率的參考值5 063.96 kW作為數(shù)據(jù)庫(kù)選型依據(jù)，在高速機(jī)的大類中設(shè)定單機(jī)額定功率大于5 100 kW為條件，篩選出符合條件的23款機(jī)型?？紤]功率冗余，進(jìn)一步縮小主機(jī)選型范圍，再在這23款機(jī)型中選擇額定功率上限10%裕度（即小于5 600 kW）為篩選條件，數(shù)據(jù)庫(kù)中符合條件的有4款機(jī)型如表6所示。

利用設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件的方案評(píng)估模塊，對(duì)主機(jī)的價(jià)格、現(xiàn)貨周期、排放、油耗等指標(biāo)進(jìn)行基于專家打分的方案評(píng)估，最終確定主機(jī)的選型。

該設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件內(nèi)置AHP算法，可將定性指標(biāo)（如供貨周期、價(jià)格等）轉(zhuǎn)換成定量指標(biāo)，連同定量指標(biāo)（如功率、油耗等）進(jìn)行歸一化轉(zhuǎn)換，即量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合專家打分進(jìn)行計(jì)算，獲得各自方案的分值，高分者為優(yōu)。

表 6 主機(jī)選型評(píng)價(jià)指標(biāo)表Tab. 6 Host selection evaluation index table

日本新瀉NIIGATE在此類型船舶上應(yīng)用很少，恐日后維修配套不便，且功率冗余過(guò)大，造成浪費(fèi)，首先排除；國(guó)產(chǎn)16PA6V-280STC相比進(jìn)口16V1163-TB73L不論在價(jià)格、供貨周期上具有很大優(yōu)勢(shì)，而且在排放和油耗上也領(lǐng)先；對(duì)于MAN的12V28/33D STC-ICN這一機(jī)型，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)并存，其技術(shù)成熟、油耗較低，但是價(jià)格昂貴，功率冗余較大，體積和重量也大于國(guó)產(chǎn)的16PA6V-280STC。最后，綜合各方因素，將定性指標(biāo)和定量指標(biāo)輸入設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件并進(jìn)行評(píng)估，選定該外貿(mào)船用主機(jī)為16PA6V-280STC。

軸系軸徑計(jì)算采用CCS規(guī)范公式，見(jiàn)式（1）。

其中：d為軸的基本直徑；F為推進(jìn)形式參數(shù)；Pe為軸傳遞的額定功率；ne為軸的額定轉(zhuǎn)速；σb為軸材料的抗拉強(qiáng)度；C為設(shè)計(jì)特性參數(shù)。

由于主機(jī)允許超負(fù)荷（10%）運(yùn)行，必須考慮超負(fù)荷工況的軸系強(qiáng)度。通過(guò)計(jì)算確定螺旋槳軸基本直徑大于298 mm，內(nèi)徑已知130 mm，螺旋槳軸基本直徑修正后需大于301.88 mm左右，考慮到可靠性及強(qiáng)度指標(biāo)，適當(dāng)放大到推進(jìn)器軸和尾軸直徑310 mm。其他中間軸等軸徑尺寸按規(guī)范確定。

設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中選出設(shè)備的CAD圖，指定插入點(diǎn)和相對(duì)位置就可以實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)圖和方案CAD系統(tǒng)圖的繪制，分別如圖9和圖10所示，過(guò)簡(jiǎn)圖和系統(tǒng)圖的直觀顯示可以從系統(tǒng)層面檢視該動(dòng)力系統(tǒng)集成方案的合理性。

4.2 軸系強(qiáng)度校核及設(shè)計(jì)

通過(guò)以上主機(jī)選型、齒輪箱轉(zhuǎn)速比參數(shù)的獲取和基本軸徑計(jì)算等設(shè)計(jì)計(jì)算步驟，可基本確定該外貿(mào)船的動(dòng)力系統(tǒng)集成方案。常規(guī)推進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)，主機(jī)約占整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)價(jià)格的一半甚至更高，所以對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)備選型重中之重是主機(jī)選型。其他設(shè)備，如齒輪箱、槳軸、隔振設(shè)備等需根據(jù)設(shè)計(jì)的不斷深入逐一確定。設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件從設(shè)計(jì)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)備選型和整體的方案設(shè)計(jì)，從而為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供一種有價(jià)值的設(shè)計(jì)途徑。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某外貿(mào)船的動(dòng)力系統(tǒng)集成方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。在已知設(shè)計(jì)條件不足的不利條件下，利用Ship-Power和NavCad兩種成熟的商業(yè)軟件軟件進(jìn)行阻力和有效功率計(jì)算，兩者的計(jì)算結(jié)果吻合度較高，從而確定了有效功率值；再進(jìn)一步利用自主開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件進(jìn)行初步匹配，獲得主機(jī)功率的參考值；該參考值經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)軟件的方案評(píng)估和數(shù)據(jù)庫(kù)選型，確定主機(jī)參數(shù)和齒輪箱減速比參數(shù)，再進(jìn)行終結(jié)匹配，確定最大航速和最優(yōu)的螺旋槳效率[8]，結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求。需要強(qiáng)調(diào)的是，不論ShipPower或NavCad的阻力求解均為基于現(xiàn)有船型的理想狀態(tài)，實(shí)際阻力[9]要復(fù)雜的多，上述方法對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化，不可避免的帶來(lái)誤差。

總之，該設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件結(jié)合了總體方案設(shè)計(jì)、傳動(dòng)選型、機(jī)槳匹配計(jì)算、設(shè)備選型、多方案評(píng)估、軸系強(qiáng)度計(jì)算等方法或算法，使動(dòng)力系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)初步轉(zhuǎn)化成自主設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)精度、減輕了工作強(qiáng)度、界面美觀、人機(jī)交互性強(qiáng)，方便相關(guān)設(shè)計(jì)人員使用，具有很好的推廣價(jià)值?？紤]到該設(shè)計(jì)軟件對(duì)功率和航速的分析依賴螺旋槳圖譜法，故從提高該設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用范圍和計(jì)算精度的目的來(lái)看，下一步的研究重點(diǎn)是搜集整理其他各型螺旋槳的槳譜，以充實(shí)螺旋槳槳譜數(shù)據(jù)庫(kù)。

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