船舶动力总成的概念研究与设计

李培新　王继勇　王增英

摘 要：文章通过对船舶动力总成的研究，重点探讨了船舶动力总成设计的主要流程；同时，也对常见的动力总成进行了分类。

关键词：船舶动力总成；概念研究；设计

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）05-0007-02

随着中国船舶制造业的快速发展，国内船舶动力的潜在市场越来越大。但是，由于国外许多著名船用柴油机制造商开始以不同合作方式涌入中国市场，使得中国船舶动力市场的竞争也愈演愈烈。大功率船用柴油机的销售模式主要是以打包为主，即为用户提供能够满足各种不同船型要求的船舶动力总成。而船舶动力总成的设计又恰恰是国内大功率船用柴油机制造企业的弱项，这在某种程度上严重制约了国产大功率船用柴油机的市场竞争力。综上所述，国产大功率船用柴油机的未来发展，不仅仅是柴油机技术水平和制造水平提高，同时也将面临着船舶动力总成的研究开发与设计问题。

1 船舶动力总成概念

所谓船舶动力总成，就是指包括下列几个主要组成部分的船舶动力推进系统。动力机（柴油机或电机）、联接器（弹性或刚性）、变速箱（减速箱）、艉轴、推进器（定距螺旋桨或变距螺旋桨）和控制系统，基本组成如图1所示。

一般情况下，二冲程柴油机转速都特别低，可以直接驱动螺旋桨工作，其动力总成中不包括变速箱。定距螺旋桨总成相对比较简单，技术含量相对较低。因此，本文所研究的船舶动力总成主要指原动力为中速四冲程柴油机的变距桨船舶动力总成。

2 常见船舶动力总成的分类

2.1 按动力机不同分类

按动力机的不同可分类柴油机直接驱动，如图2所示；柴油-电力驱动，如图3所示。

2.2 按螺距是否可调分类

按螺旋桨螺距是否可调可分为定距螺旋桨（FPP）推进系统和变距螺旋桨（CPP）推进系统。

2.3 按柴油机台数分类

按柴油机台数分类，可分为单机-单桨推进系统，如图4所示；多机-多桨推进系统（两台以上），如图5所示；多机-单桨推进系统（两台以上主机），如图6所示。

3 常见变速箱种类

常见的变速箱种类，有不带PTO，输入轴带离合器，如图7所示，带PTO不带PTO离合器，输入轴不带离合器，如图8所示；带PTO及PTO离合器，输入轴不带离合器，如图9所示；带PTO不带PTO离合器，输入轴带离合器，如图10所示；带PTO及PTO离合器，输入轴带离合器，如图11所示。

配变距螺旋桨的变速箱，一般都要求带PTO（Power Take Off—动力输出），其目的是驱动一台容量较小交流发电机。该发电机主要用于正常航行过程中船舶所需电力的供应，此时辅机发电机组可以停止工作，以达到节能的目的。

4 控制系统

定距螺旋桨推进系统没有专门的控制系统，船舶的工作状况通过改变柴油机的工作状况来改变。变距螺旋桨推进系统配有专门的控制系统如图12所示，该系统可根据船舶行进要求对螺距进行调整，柴油机的工作状况随螺距的调整而变化。控制系统应根据船舶工作特性与变距螺旋桨工作特性进行标定。

5 船舶动力总成设计流程

5.1 根据技术要求确定动力总成的基本配置

5.1.1 船舶主要信息

①船舶类型，如散货船，集装箱船，挖泥船，油轮，工程船等；②冰级，如无冰级，IA，IB，IC等。

5.1.2 推进器主要信息

①推进系统型式，如单机单桨结构，多机多桨结构等；②推进器结构型式，如定距螺旋桨，变距螺旋桨等；③螺旋桨旋转向，如顺时针，逆时针。

5.1.3 艉轴主要信息

①艉轴的布置型式，如艉轴的总体长度，艉轴的支撑方式等；②艉轴的轴承结构型式（确定艉轴结构形式）；③艉轴轴承的冷却润滑方式，如水冷润滑，油冷润滑等。

5.1.4 联接器主要信息

主联接器型式，如弹性联接器，刚性联接器等。

5.1.5 主机主要信息

①柴油机型号，柴油机动力性能指标等；②柴油机旋转方向，如顺时针，逆时针等；③前端动力输出，如前端是否带动力输出装置，输出功率等；④排放标准，如Tier II，Tier III；⑤燃料种类，轻柴油，重油，轻柴油+重油等。

5.1.6 变速箱主要信息

①变速箱输入输出轴布置，如输入输出轴变速箱前后端异侧/同侧，水平垂直同时移动等；②PTO、PTI装置要求，如带或不带，布置方式等；③输入参数，如输入功率，输入转速，传递能力等；④输出参数，如输出转向，输出转速等；⑤减速比。

5.2 根据上述信息，进行动力总成初步方案设计

国内某船动力总成的初步方案如图13所示。

5.3 结构设计

在完成动力总成方案设计之后，应进行详细结构设计。一般情况下，由于原动机（柴油机），变速箱，联接器等为成熟产品，主要以选型为主；而艉轴、推进装置（螺旋桨）等，故都要单独设计。

5.4 强度校核计算

如联接器、变速箱的传递能力校核，艉轴、螺旋桨强度校核，空泡校核，振动校核等。

5.5 轴系扭转振动计算

对包括柴油机、联结器、变速箱、艉轴和螺旋桨在内的整个轴系进行扭转振动计算。如果计算结果超限，应对轴系设计进行修改，使共振点移到工作转速范围以外。

5.6 资料送审

资料送审相关计算资料送船检部门审批。

6 结 语

①动力总成的生产销售一般都采用订单制，制造商将根据不同用户的具体要求，对其进行选配和设计。所以船舶动力总成的设计无标准配置而言；②动力总成的设计与生产一般情况下多个专业制造商联合来完成，如柴油机制造商，变速箱制造商，螺旋桨（包括艉轴）制造商以及控制系统制造商等；③动力总成的打包主要是针对结构复杂，技术含量高，制造比较困难的变距螺旋桨推进系统。

参考文献：

[1] 刘英杰.利用车动力总成NVH性能匹配与控制研究[D].长春：吉林大学，2007.