36000dwt多用途船动力系统集成方案设计研究

王建政，李善从，王 涛，付军涛

（沪东重机有限公司，上海 200129）

轮机与辅机

36000dwt多用途船动力系统集成方案设计研究

王建政，李善从，王 涛，付军涛

（沪东重机有限公司，上海 200129）

根据36000dwt多用途船主推进系统任务书和船级社要求，基于船型参数，分别运用HydroComp软件和ShipPower软件进行船舶阻力计算及对比分析，以获取船舶阻力；基于船舶阻力，运用HydroComp软件进行船机桨匹配初始设计，以获取主机功率及螺旋桨最佳转速；综合考虑主机功率、螺旋桨最佳转速、初始投资、油耗、质量及功率储备等因素进行主机选型分析，以确定主机型号；基于主机型号及船舶阻力，运用HydroComp软件进行船机桨匹配终结设计，以获取螺旋桨桨径、螺旋桨平均螺距、螺旋桨盘面比及螺旋桨效率等主要参数；基于船级社规范进行轴系初步设计，以确定轴系轴径并最终完成该船方案设计研究。研究结果表明，该方案设计不仅满足设计任务书要求，还可据此确定主机型号、轴系和螺旋桨的基本参数，完成动力系统的报价，进行主机、轴系毛坯及螺旋桨等长周期零部件的订货。

动力机械工程；动力系统；集成；方案设计；hydroComp

0 引 言

船舶动力系统涉及船舶营运过程中各种能量的产生、传递及消耗，是保证船舶安全、经济航行的核心部件。现阶段我国造船企业对船舶动力系统的配置普遍采用传统的多方设计、多家供货模式。据调研，该模式后期很容易招致试航达不到设计航速、桨重/桨轻、轴系振动达不到船级社要求、主机油耗高及主机异常噪声等一系列问题。这些问题的产生固然有制造和安装等方面的因素，更有船舶动力系统集成设计方面的原因，但因设计与供货不统一，造船企业很难排查引发这些问题的真正原因，也就很难追究各配套商的相关责任，最后往往产生争端。

鉴于此，对于船舶动力系统集成，由一个集成商来负责船舶动力系统的匹配设计、集成供货、安装指导及后期服务，同时承担相应的责任。这种模式早年在国外率先兴起，现已盛行；目前国内越来越多的船东/船企开始尝试这种模式。基于集成商的船舶动力系统集成，担保的不仅仅是供货责任，更重要的是统一的匹配设计、集成供货、安装指导及后期服务，可促使船舶对环境更友好、营运更经济、航行更安全。

1 项目简介

项目主要是对36000dwt多用途船动力系统集成方案进行设计研究。该船采用单机单桨固定螺距推进器（Fixed Pitch Propeller，FPP）、单轴系，入级中国船级社（China Classification Society, CCS）。

设计任务书要求：船舶设计吃水11m时，主机CSR（Continuous Service Rating）为5081kW（89.1r/min），需达到服务航速14kn；主机CMCR（Contract Maximus Continuous Rating）为6960kW（89.1r/min）；主机MCR（Nominal Maximus Continuous Rating）为9960kW（124r/min）。

船级社冰区要求：Class B。

这里基于某船主推进系统设计任务书和CCS规范[1]要求，从船舶阻力计算、船机桨匹配初始设计、主机选型分析、船机桨匹配终结设计和轴系初步设计等5个方面进行船舶动力系统集成方案设计研究。

2 船舶动力系统集成方案设计

船舶动力系统集成方案设计的目标包括确定主机型号、螺旋桨主要参数、中间轴主要参数、螺旋桨轴主要参数和轴系布置图。

2.1 船舶阻力计算

2.1.1 计算目标

正确预报船舶阻力是方案设计的第一个关键点。在概念设计阶段，虽然船舶主尺度和船型系数已经确定，但是船舶线型尚未确定，故不适合运用最为精确的船模试验方法来进行船舶阻力预报。对此，采用基于船模试验及理论分析的专业软件进行船舶阻力计算，主要目标是正确计算船舶阻力（船舶有效功率）随航速的变化规律。

2.1.2 计算过程

根据船长、船宽、排水量、棱形系数、方形系数、水线面系数、中横剖面系数、舭部形状、浮心及漂心位置和服务航速等船型数据[2]，分别采用HydroComp及ShipPower等专业软件进行船舶阻力计算，并进行对比分析[3]。船舶阻力HydroComp计算结果见表1，ShipPower计算结果见表2。

表1 船舶阻力HydroComp计算结果

表2 船舶阻力ShipPower计算结果

2.1.3 计算结果分析

为达到服务航速14kn，对船舶阻力及船舶有效功率HydroComp与ShipPower计算结果进行对比（见表3）。

表3 服务航速14kn时HydroComp与ShipPower计算结果对比

由表3可知，针对该项目，利用2款专业软件得到的计算结果极为接近，因此基于HydroComp计算结果进行该方案的设计的下一步设计。

2.2 船机桨匹配初始设计

2.2.1 设计目标

基于船舶有效功率、设计任务书对航速的要求及容许的螺旋桨最大直径初选桨型，最终确定主机功率和螺旋桨最佳转速。

2.2.2 设计过程

1) 基于艉部线型及CCS规范算出容许的螺旋桨最大直径为6.3m；

2) 采用HydroComp软件，选用B型桨进行船机桨匹配初始设计，设计结果见表4[4]。

表4 船机桨匹配初始设计HydroComp计算结果

2.2.3 设计结果分析

船机桨匹配初始设计计算结果与设计任务书要求对比见表5。

表5 服务航速14kn时初始设计结果与任务书要求对比

表6 主机选型对比

由表5可知，针对该项目，初始设计结果满足任务书要求，因此基于HydroComp计算结果进行该方案设计的下一步设计。

2.3 主机选型分析

2.3.1 分析目标

基于船机桨匹配初始设计计算结果，综合考虑技术要求、初始投资、油耗、质量和功率储备等多方面因素确定主机型号。

2.3.2 分析过程

结合船机桨匹配初始设计结果，基于设计任务书要求（船舶达到设计吃水为 11m，主机 CMCR为6960kW（89.1r/min）），从MAN和Wärtsilä主机库中进行主机选型分析，选出6G50ME-B和6RT-Flex50B这2种候选机型。主机选型对比见表6。

2.3.3 选型结果分析

由表6中对候选机型的对比分析可知，由于6RT-Flex50B在初始投资、自重和油耗等方面较6G50ME-B占优，因此主机选用6RT-Flex50B。

2.4 船机桨匹配终结设计

2.4.1 设计目标

船机桨匹配终结设计的主要目标为：基于选定的主机（主机功率和转速）和船舶有效功率曲线确定船舶所能达到的最大航速及螺旋桨参数（包括桨径、螺距比、盘面比及螺旋桨效率等），同时保证所设计的螺旋桨满足空泡要求[5]。

2.4.2 设计过程

采用HydroComp软件进行船机桨匹配终结设计，设计结果见表7和表8[6]。

表7 终结设计计算结果——推进参数

表8 终结设计计算结果——螺旋桨参数

2.4.3 设计结果分析

服务航速为14kn时船机桨匹配终结设计结果与设计任务书要求对比见表9。

表9 服务航速为14kn时船机桨匹配终结设计结果与任务书要求对比

由表7～表9可知，在满足空泡要求的前提下，所设计的螺旋桨（桨径6.3m，盘面比0.44，螺距比0.6985，螺旋桨淌水效率0.6196）能保证在主机功率为5073.2kW（此时主机转速为89r/min)时达到设计航速14kn，满足设计要求。

2.5 轴系初步设计

2.5.1 设计目标

轴系初步设计的主要目标是确定轴系布置形式、各轴段连接方式和轴系轴径。

2.5.2 设计过程

轴系轴径计算采用CCS规范的推荐公式，即

式（1）中：d为轴的基本直径，mm；F为推进装置型式参数， 100F= 适用于柴油机推进装置和所有螺旋桨轴；ep为轴传递的额定功率，kW；en为轴传递的额定转速，r/min）；bσ为轴材料的抗拉强度，N/mm2；C为设计特性系数， 1.22C= 适用于法兰连接的螺旋桨轴， 1C=适用于具有整体连接法兰的中间轴。

通过计算得到螺旋桨轴基本直径为475mm，中间轴基本直径为389mm。考虑到该船的冰区要求为B级，适当考虑余量，螺旋桨轴基本直径取490mm，中间轴基本直径为410mm。设计的螺旋桨轴见图1，中间轴见图2[7]。

3 结 语

针对36000dwt多用途船动力系统集成方案设计进行了研究。基于该技术方案可以确定主机型号、轴系和螺旋桨的基本参数，完成动力系统的报价，进行主机、轴系毛坯及螺旋桨等长周期零部件的订货。同时，该方案设计的设计思路可为今后类似船舶的方案设计提供借鉴。

[1] 中国船级社. 船舶入级和建造规范[S]. 2010.

[2] 何广韬. 船舶主尺度测量方法与精度控制[J]. 船舶与海洋工程，2013, 29 (3)： 54-58.

[3] 李云波. 船舶阻力[M]. .哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2006.

[4] 王建政. 船机桨匹配设计软件开发[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[5] 吴小平，刘洋浩，张磊. 基于遗传算法的船舶螺旋桨优化设计[J]. 船舶与海洋工程，2014, 30 (4)： 31-37.

[6] 王建政，王艺真，张文平，等. 船机桨匹配设计软件研究开发[J]. 船舶与海洋工程，2014, 30 (1)： 45-49.

[7] 赵旭，李梓，刘旭明，等. 某船主推进系统集成方案设计[J]. 机电工程，2009 (5)： 5-8.

Study on the Power System Integration Design of a 36000dwt Multi-Purpose Vessel

WANG Jian-zheng，LI Shan-cong，WANG Tao，FU Jun-tao
（Hudong Heavy Machinery Co., Ltd., Shanghai 200129, China）

According to the specifications of the main propulsion system and the rules of classification for the 36000dwt multi-purpose vessel, resistance computations are performed with HydroComp software and ShipPower software on the basis of hull parameters in order to obtain the resistance of the ship. Then, HydroComp software is used again for the preliminary design of hull-engine-propeller matching based on the resistance obtained to define the power of the main engine and the optimal rpm of the propeller. After that, main engine could be selected with a comprehensive consideration on engine power, propeller, optimal rpm, initial investment, fuel consumption, weight, sea margin and etc. HydroComp software is also used for the final design of hull-engine-propeller matching according to the main engine selected and the ship resistance in order to define the main parameters of the propeller such as diameter, average pitch, area ratio and efficiencies. Finally, shaft system preliminary design is performed in accordance with the classification rules to determine the shaft diameter and thus ship design is accomplished. The result shows that the design can meet the requirements of the specifications and the parameters can be used as the base of both the quotation of power system and the purchase of main engine, shaft system and propeller.

machinery engineering; power system; integration; project design; HydroComp

U664.1；U674.13+8

A

2095-4069 (2017) 01-0023-08

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.005

2015-10-22

王建政，男，工程师，1983年生。2012年毕业于哈尔滨工程大学动力工程专业，现从事船舶动力系统设计、集成、服务一体化研究工作。