浅析内河船舶主推进系统设计

冯懿

（池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000）

浅析内河船舶主推进系统设计

冯懿

（池州市港航管理（地方海事）局，安徽 池州 247000）

内河船舶主推进系统一般由柴油机、齿轮箱、中间轴、尾轴、螺旋桨和前后密封组成。着重阐述柴油机、齿轮箱、螺旋桨的一般特性及其选型要求。

内河船舶；主推进；特性

1　柴油机的一般规定

1）额定功率指柴油机在基准环境条件下，输出轴上测得的最大持续功率。额定功率时的相应转速即为额定转速。2）柴油机应具有110%额定功率运转的能力。

1）主机应具有足够的倒车能力，以确保在一切正常情况下能适当控制船舶。2）对于四冲程中高速柴油机，一般通过齿轮箱实现倒车功能。

柴油机要具备较好的低转速工作能力：低速机（额定转速≤300 r/min）不大于额定转速的30%；中速机（300 r/min≤额定转速≤1 000 r/min）不大于40%；高速机（额定转速＞1 000 r/min）不大于45%。

1）可逆转柴油机的换向时间要求小于等于15 s。2）主机操纵台要求标明顺车、倒车的操作方向。3）可逆转主机的操纵台上，应设有曲轴旋转方向的指示器或双向转速表。4）采用可调螺距螺旋桨船舶和双机并车的船舶，应有主机集中操纵台。集中操纵台应设有保证主机、离合器等有关机械在操纵时能协调工作的联锁装置。5）在接近主机操纵台的地方，要求有与驾驶室控制系统分开的快速切断燃油装置或其他可以紧急停车的设备［1］。

1）柴油机应设有能转车的装置。2）主机动力转车装置与起动装置之间应有安全联锁装置。

主机要求设有转速表（转速禁区在表上标红）和其它必备的测量仪表。

2　船舶主机选型

在设计推进装置时，通过初步匹配设计，得到船舶所需的主机功率及转速。再根据匹配结果，在实际的主机系列中选取最适合的。在进行主机选择时，应考虑的因素如下。

主机的质量对船舶的总重量会有影响：对于中小型船舶来说，若主机质量过大，则对经济性不利。主机尺寸同时会对船舶舱室空间有较大影响：若主机尺寸大，则会减少舱室的使用空间。对目前的柴油机而言，高速机的质量和尺寸都是最小的，低速机最大，中速机则介于两者之间。所以内河船、高速船可选用高速柴油机；长江或沿海的小型船舶、运木船、客渡船、滚装船等特种船舶可选用中速机；沿海与远洋的大型船舶最好选用低速机。

主机的功率能否达到要求是非常重要的。目前，常用的功率有三条：l）额定功率：在标定的环境条件和额定转速下，发动机持续运转所发出的最大有效功率。2）超负荷功率：发动机在较短时间内超负荷使用，能够允许的最大功率。3）经济功率：根据发动机的使用工况，考虑到油耗率和主机保养等方面，总体较为经济的持续运转功率。

不同的主机，使用的燃料也会不同，进而经济效果也不一样。若主机为使用价格较低的燃料来减少营运费用，就必须配备相关的设备，这样初投资和管理维修费用都会增加，必然会抵消一部分经济效益。使用劣质燃油也容易引起腐蚀与磨损，从而影响营运与经济性。选取滑油时必须考虑到碱度、添加剂等，同样会使成本提高。总之，要对使用油品综合考虑，权衡处理［2］。

3　柴油机特性分析

速度特性是改变柴油机的外负荷使其改变转速，保持喷油泵的油量调节杆固定，使柴油机在最高允许转速和最低稳定转速之间各不同的转速下稳定运转，在此情况下测得各转速下的排气温度Tr、有效耗油率ge、扭矩Me和功率Ne等，得出的此参数随转速变化的关系绘成曲线就是柴油机的速度特性曲线。

船舶主机带动螺旋桨工作时，二者能量总是保持平衡的。主机发出的功率Ne和转矩Me等于螺旋桨的吸收功率Np和转矩Mp。当主机的运行是按照螺旋桨特性来运转时，这些参数随转速的变化，既是柴油机推进特性。柴油机在带动螺旋桨后，其功率与转速的三次方成比例。

根据上式（1），若已知主机的工况，可以算出其他工况下的功率与转速的对应关系，见表1所示。

表1　主机转速对应功率的百分数

表1可以看出，由于主机转速与功率成立方关系，如果转速超过标定转速的3%情况下，主机功率就到达标定值的110%，主机运行超负荷。显然继续提高转速是不允许的。另一方面，当转速减少到标定转速的6 3%时，功率下降到标定值的2 5%，会使得每工作循环喷油量降低，从而喷油压力减小，雾化变差，燃烧不完全，各缸喷油量不均匀等问题的发生。

主机的性能参数随负荷的变化而变化，在转速不变的情况下，既是主机的负荷特性。当主机用作发电机组时，转速一般是恒定的，所以是按负荷特性来工作的。

主机的调速特性是将调速器的转速设定机构调整到某一位置，当调速器运转时，功率、扭矩等随转速的变化规律，既是主机的调速特性［3］。

燃油消耗率是在主机出厂做台架试验时进行测定。主机有效耗油率是指发动机发出1 kW有效功率每小时所消耗的燃油量，用ge表示，单位是g/（kW·h）。

式（2）中：ge为主机燃油消耗率，g/（kW·h）；B为柴油机每小时耗油量，g/h；Ne为有效功率，kW。

1）齿轮传动装置的扭转振动应符合本文6.2的有关规定。2）提交船级社批准的图纸和资料有：齿轮传动装置说明书；总图（纵、横剖面图）；齿轮（包括齿圈，若有时）零件图（齿数、模数、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径等，包括齿轮承载能力计算所必需的参数）；齿轮轴图；离合器和联轴器图；齿轮箱体图；齿轮承载的能力计算书；齿轮轴强度计算书；离合器和联轴器强度计算书；齿轮热处理工艺资料；齿轮材料技术资料；齿轮或齿轮箱体焊接工艺资料（若有时）。

当设计时，减速齿轮的效率取0.97～0.99。

5　船用机桨匹配计算

主机选型和螺旋桨的设计相互关联。在设计中必须考虑船、机、桨的匹配，来选定螺旋桨和主机。当主机选型与螺旋桨参数确定的机桨匹配计算时，一般将整个过程分为初步匹配设计和终结匹配设计两个阶段。

需要输入的已知条件：船舶主尺度参数、船体在不同航速下的有效功率，设计航速、螺旋桨的转速或限制直径。初步匹配阶段输出的内容：主机功率、转速，螺旋桨的直径或转速、效率和螺距比。

需要输入的已知条件：主机功率及转速、有效功率曲线。终结匹配阶段输出的内容：螺旋桨的直径、效率和螺距比。船舶的机桨匹配设计内容一般都包括这两个设计阶段。初步匹配阶段主要是通过分析计算，得到理论上最佳的主机功率和螺旋桨转速，进而确定实际的主机型号。再以实际选择主机的功率、转速为基础，匹配计算出效率最高的螺旋桨各要素，以达到设计航速。

桨叶数的确定通常要考虑到船型、性能、振动和空泡等多个方面。一般，螺旋桨叶数少则桨效率会高，对减少空泡影响有利；叶数多则振动会减轻。通常内河船多采用3叶或4叶桨，但要避免桨的叶数与主机气缸数、冲程数成倍数关系，以减小振动。两种设计阶段的计算均可通过武汉理工大学机桨匹配软件实现，具体过程可参见“第10章实例计算”［4］。

螺旋桨的特性主要反映推力，推力系数K1，扭矩，扭矩系数K2等随航速、进程比的变化规律。进程比是在螺旋桨转一圈后，船舶的位移和螺旋桨直径的比值关系。

即

式（3）中：VP为船速（螺旋桨前进速度）；n为螺旋桨的转速；hP为螺旋桨的进程：hP=VP/n；D为螺旋桨的直径。

7　结语

内河船舶主推进系统的设计必须遵循柴油机、齿轮箱、螺旋桨的一般特性及其选型要求，采取有针对性的措施，完善其中的细节，才能满足运行的安全性与实效性。

［1］蒋德明.高等内燃机原理［M］.西安：交通大学出版社，2002.

［2］张志华.船舶动力装置概论［M］.哈尔滨：工程大学出版社，2002.

［3］708所.船舶设计实用手册［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［4］中国船级社.钢质内河船舶建造规范［M］.北京：人民交通出版社，2009.

（编辑：刘楠）

Design of Main Propulsion System for Inland Waterway Vessels

Feng Yi
（Chizhou City Port Management（Local Maritime Bureau），Chizhou Anhui 247000）

The inland ship main propulsion system generally consists of a diesel engine， gearbox， intermediate shaft， the tail shaft，propeller and before and after sealing. This paper focuses on the diesel engine， gear box， the general characteristics of the propeller and its selection requirements.

inland waterway ship； main propulsion； characteristics

U664.3

A

2095-0748（2016）15-0034-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.14

2016-06-28

冯懿（1971—），男，安徽安庆人，本科，毕业于武汉交通科技大学，工程师，研究方向：船舶检验。