陸威崙

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所 上海201108）

引 言

MTU2000/4000系列柴油機(jī)是德國(guó)MTU公司（現(xiàn)改名羅爾斯·羅伊斯動(dòng)力系統(tǒng)公司，但產(chǎn)品仍用MTU品牌）于上世紀(jì)末設(shè)計(jì)上市的產(chǎn)品，由于其較高的功率密度和結(jié)構(gòu)的緊湊性以及良好的可靠性，在世界范圍內(nèi)被廣泛用于高速艦艇。此外，由于其較低的燃油消耗率及能滿足各種現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良性能，在民用領(lǐng)域（特別是在各種高性能船舶領(lǐng)域）也獲得了普遍應(yīng)用。我國(guó)各船舶設(shè)計(jì)院所從本世紀(jì)初起，從邊防、海關(guān)等軍用、軍貿(mào)、政府公務(wù)船開始，繼而發(fā)展到各種民用用途大量采用了這兩種系列的機(jī)型。

這兩種系列的發(fā)動(dòng)機(jī)目前仍然是世界上的先進(jìn)機(jī)型。由于其結(jié)構(gòu)和性能的特點(diǎn)，在船舶設(shè)計(jì)中采用這兩種機(jī)型作為推進(jìn)主機(jī)時(shí)，技術(shù)上具有一些需要特別注意的特點(diǎn)。了解并掌握這些特點(diǎn)，對(duì)更好地發(fā)揮柴油機(jī)性能，正確地完成船舶設(shè)計(jì)工作大有益處。

1 輪機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 機(jī)型選擇

機(jī)型選擇這是輪機(jī)工程師首先遇到的問題。MTU柴油機(jī)機(jī)型復(fù)雜、改型眾多，對(duì)具體用途應(yīng)該選什么機(jī)型均有嚴(yán)格規(guī)定。MTU船用柴油機(jī)主機(jī)按照不同用途分成1A、1B、1D、1DS幾個(gè)組，各應(yīng)用組的具體適用范圍見表1。

表1 MTU發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用分組

不同船型因其用途不同，主機(jī)的工作要求、工作強(qiáng)度也不同，所以各應(yīng)用組的機(jī)型實(shí)際上是同一基本機(jī)型根據(jù)不同用途做出的改型。

1A組的典型船型是各種用途的工作船，其主機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)是連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間很長(zhǎng)，每年的工作小時(shí)數(shù)多，并且要經(jīng)常在最大功率情況下工作。因此要求其以小時(shí)為單位的大修間隔時(shí)間較長(zhǎng)，以保證在一個(gè)大修期內(nèi)有足夠的工作年數(shù)。為此在同一機(jī)型的四種改型中1A組標(biāo)定的最大功率最低。

定班渡輪是1B組的代表性船型，其運(yùn)行特點(diǎn)是離碼頭時(shí)功率逐漸增大，進(jìn)入航線后全功率運(yùn)行，靠碼頭時(shí)由最大功率逐漸減小直至停機(jī)。因此它的主機(jī)最大功率運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)，但在一天中通常只工作8～10 h，其他時(shí)間則處于停機(jī)狀態(tài)。

1D、1DS是巡邏艇、游艇應(yīng)用組，其特點(diǎn)是最大功率使用時(shí)間短，大部分時(shí)間使用巡航功率，發(fā)動(dòng)機(jī)的年工作時(shí)間也短，因此在四種改型中1DS用途的標(biāo)定功率是最高的。這樣即使以總工作小時(shí)數(shù)衡量的大修期較短，也仍然可以使用好幾年才進(jìn)行大修。

所以原則上應(yīng)根據(jù)船舶用途在相應(yīng)的應(yīng)用組內(nèi)選取機(jī)型，否則會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的早期損壞。例如，如果把1DS組的12V2000M94發(fā)動(dòng)機(jī)用作客船主機(jī)，盡管功率能滿足要求，但發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)因最大功率運(yùn)行的時(shí)間比例過高，最終不堪重負(fù)而損壞。如果把1B組的機(jī)型用在巡邏艇上，由于負(fù)荷比客船輕，則是允許的。

MTU柴油機(jī)的改型非常復(fù)雜，基本上可以實(shí)現(xiàn)一種用途一種機(jī)型，慎重起見，在機(jī)型選取階段要通過咨詢進(jìn)行澄清。

1.2 功率標(biāo)定和使用

只有了解了功率標(biāo)定的規(guī)定才能正確使用其功率。從二十世紀(jì)九十年代初起，MTU柴油機(jī)規(guī)定其所有主機(jī)一律以ISO 的ICFN功率，即ISO標(biāo)準(zhǔn)的可持續(xù)使用的燃油限制功率作為標(biāo)定功率。因此這是發(fā)動(dòng)機(jī)可以提供使用的最大功率，沒有超越的可能。當(dāng)船舶要求必須具備超負(fù)荷功率時(shí)，只能把標(biāo)定功率按要求打折作為設(shè)計(jì)功率。二十世紀(jì)，由于我國(guó)船檢的規(guī)定，該情況時(shí)有發(fā)生。所以，實(shí)際上，由于這種標(biāo)定功率可持續(xù)使用，因此會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)能力的浪費(fèi)。當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)單位、中國(guó)船級(jí)社和MTU公司之間就常對(duì)個(gè)案進(jìn)行協(xié)商，以獲得船級(jí)社對(duì)標(biāo)定功率的認(rèn)可。而后，在二十世紀(jì)九十年代船級(jí)社頒布的高速船規(guī)范中，便未再對(duì)110%超負(fù)荷功率作要求，從而在按此規(guī)范建造船舶時(shí)就免除了這種麻煩。當(dāng)然，對(duì)于堅(jiān)持要按照有超負(fù)荷功率要求的鋼質(zhì)海船規(guī)范建造的船舶，當(dāng)與標(biāo)定功率發(fā)生矛盾時(shí)，仍可通過協(xié)商解決。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線和螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油系統(tǒng)是電子控制的，每個(gè)轉(zhuǎn)速下的燃油噴射量是通過編程設(shè)定的。

MTU2000/4000發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線上有一個(gè)最大功率平臺(tái)，這是通過噴油量的調(diào)整形成的。作為例子，圖1給出了MTU20V4000M73L的特性曲線?？梢钥吹?，在1 840～2 050 r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)都可以給出3 600 kW的最大功率。

圖1 MTU20V4000M73L發(fā)動(dòng)機(jī)的特性曲線

在這種情況下（如圖2所示），當(dāng)螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)選取在平臺(tái)上A1點(diǎn)時(shí)，如果由于船舶污底或螺旋槳制造的誤差發(fā)生了工作點(diǎn)的偏移，那么發(fā)動(dòng)機(jī)仍可提供最大功率值。特別當(dāng)設(shè)計(jì)點(diǎn)選在A點(diǎn)時(shí)，由于其離開發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線左側(cè)邊界最遠(yuǎn)，能夠提供最好的船舶加速性。如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率有足夠富?？梢园言O(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)置在低于最大功率的A2點(diǎn)，這時(shí)螺旋槳曲線的稍許偏移將不會(huì)影響船舶的航速［1］。

圖2 螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)的選擇

MTU2000/4000系列柴油機(jī)特性曲線的另一個(gè)特點(diǎn)是在低轉(zhuǎn)速區(qū)域仍有較高的功率值，性能曲線顯得較豐滿，這是由于采用了順序增壓的緣故。低轉(zhuǎn)速時(shí)排氣量少，僅需推動(dòng)一個(gè)增壓器工作，使其效率提高；而高速時(shí)兩個(gè)增壓器才一起工作，以獲得大的功率。關(guān)于這種增壓系統(tǒng)詳細(xì)的結(jié)構(gòu)和原理國(guó)內(nèi)已有多種文獻(xiàn)介紹［2］，在此不再贅述。這種特點(diǎn)可使船舶獲得良好的加速性，同時(shí)還能很好滿足對(duì)較低轉(zhuǎn)速功率有較高要求的某些高性能船舶的需要。

而在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)由于燃燒的改善，仍能獲得良好的性能。這兩種機(jī)型都可以在15%的低負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)100 h。

1.4 高燃燒空氣量和低機(jī)艙散熱量

MTU2000/4000發(fā)動(dòng)機(jī)是高度增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)，但又有極高的結(jié)構(gòu)緊湊性，因此單位發(fā)動(dòng)機(jī)排量發(fā)出的功率比一般發(fā)動(dòng)機(jī)要高得多，所需的燃燒空氣量也特別大。表2給出幾種機(jī)型的燃燒空氣量，在輪機(jī)設(shè)計(jì)（特別對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒空氣從機(jī)艙內(nèi)吸入的設(shè)計(jì)）時(shí)，尤需注意。

表2 幾種機(jī)型的燃燒空氣量和散熱量

然而，功率如此高度強(qiáng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)艙的散熱量卻很低（見表2），這主要得益于其獨(dú)特的排氣管三層壁設(shè)計(jì)。如圖3所示，在排氣管內(nèi)通道和外壁之間有一個(gè)空腔，使管內(nèi)燃?xì)獠慌c外壁接觸，隔絕了熱量的傳遞。管外壁有較低的溫度，滿足了船檢要求，同時(shí)減少了向機(jī)艙散失的熱量，因此用于機(jī)艙冷卻的通氣量可以大大減少。

圖3 MTU發(fā)動(dòng)機(jī)的三層壁排氣管結(jié)構(gòu)

1.5 機(jī)組安裝

MTU2000/4000發(fā)動(dòng)機(jī)是高速機(jī)，為減小機(jī)組的振動(dòng)，必須采用彈性支承，這種彈性支承配裝了具有適當(dāng)剛度的橡膠彈性元件。這時(shí)，齒輪箱和發(fā)動(dòng)機(jī)的連接以及在機(jī)座上的安裝通常有以下兩種方式［3］，見圖 4。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪箱的連接和在機(jī)座上的安裝

圖4 （a） 所示是發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪箱分立的布置方式。發(fā)動(dòng)機(jī)用4個(gè)彈性支承安裝在機(jī)座上，而齒輪箱則剛性地固定在機(jī)座上。發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪箱通過彈性聯(lián)軸器連接，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)因跳動(dòng)產(chǎn)生的和齒輪箱的相對(duì)位移由此聯(lián)軸器吸收。螺旋槳產(chǎn)生的推力通過齒輪箱的推力軸承傳遞到機(jī)座上，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)受到這種推力的作用。這是一種最常規(guī)的安裝方式。

對(duì)于12缸以下較小機(jī)型還可以采用圖4 （b）所示的安裝方式，即齒輪箱和發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過外殼上的連接法蘭相連，整體成為一個(gè)機(jī)組。這時(shí)，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)前端和齒輪箱兩側(cè)安裝彈性支承。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)整個(gè)機(jī)組可以有垂向和橫向的跳動(dòng)，齒輪箱受到螺旋槳的推力時(shí)整個(gè)機(jī)組會(huì)在縱向產(chǎn)生位移。這些跳動(dòng)和位移的量可以通過選擇彈性支承中橡膠元件的剛度而加以限制，如果有特殊要求也可以采取其他結(jié)構(gòu)措施來限制。對(duì)于尺度不大的船艇，常推薦把螺旋槳傳動(dòng)軸直接和齒輪箱輸出法蘭連接的結(jié)構(gòu)，這種方式可以獲得最緊湊的結(jié)構(gòu)和最低的成本［4］。但這時(shí)對(duì)傳動(dòng)軸有一定的柔度要求，這是通過控制傳動(dòng)軸第一軸承到齒輪箱連接法蘭的長(zhǎng)度和該軸段直徑的比例來控制的（見圖5），必須按照指導(dǎo)資料的具體要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖5 螺旋槳傳動(dòng)軸和機(jī)組的直接連接

1.6 電子控制系統(tǒng)特點(diǎn)

這兩個(gè)系列的發(fā)動(dòng)機(jī)作為船舶主機(jī)時(shí)，都需采用MTU專門的電子系統(tǒng)進(jìn)行控制。除機(jī)旁控制外，還可根據(jù)需要配置集控室和駕駛室的電子控制系統(tǒng)。為獲得最合理的成本，對(duì)有無船檢要求提供的系統(tǒng)是不同的，不可用添加項(xiàng)目的方法把無船檢要求的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成符合船檢的系統(tǒng)，反之亦然。此外，在各個(gè)控制部位顯示、報(bào)警和控制的項(xiàng)目除了標(biāo)準(zhǔn)配置外，還可以有若干選項(xiàng)，對(duì)此在技術(shù)討論階段必須予以明確。

1.7 產(chǎn)品升級(jí)與新老產(chǎn)品兼容

羅爾斯·羅伊斯動(dòng)力系統(tǒng)公司秉承MTU公司的做法特別重視產(chǎn)品的升級(jí)，至今MTU2000系列發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有了第七代產(chǎn)品，4000系列也已經(jīng)有了五代產(chǎn)品。新一代產(chǎn)品的出現(xiàn)不僅是為了提高功率、降低燃油消耗。而且近年的新產(chǎn)品在很大程度上是為了滿足不斷提高的排放法規(guī)的需要，在降低排放物和燃油消耗率之間尋求更好的折衷；另一方面也是為了滿足新的應(yīng)用領(lǐng)域的需要。由于不同的應(yīng)用對(duì)排放有不同的要求，所以新一代機(jī)型的出現(xiàn)并不一定會(huì)淘汰老機(jī)型，也即存在著各代產(chǎn)品同時(shí)銷售的情況，設(shè)計(jì)單位在選擇機(jī)型時(shí)需注意這一點(diǎn)，才能確保采用最經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)型。升級(jí)產(chǎn)品應(yīng)特別注意與老產(chǎn)品的兼容，安裝尺寸和對(duì)外接口要盡量保持一致，從而便于用戶更新?lián)Q代。

2 結(jié) 語

MTU2000/4000船用型發(fā)動(dòng)機(jī)以高速船領(lǐng)域作為其主要市場(chǎng)，在世界各國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)，自二十世紀(jì)九十年代至今，這兩系列柴油機(jī)的使用數(shù)量正在大幅度增加。我國(guó)各船舶設(shè)計(jì)院所在實(shí)際使用中，也逐漸對(duì)這兩種機(jī)型的輪機(jī)設(shè)計(jì)工程積累了不少經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)這兩種機(jī)型的有關(guān)特點(diǎn)集中作了總結(jié)，希望對(duì)相關(guān)的輪機(jī)設(shè)計(jì)有所幫助，從而更好地發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和優(yōu)點(diǎn)。