1、77工 艺 与 装 备7 000 m3耙吸挖泥船主推进系统集成研究陈生华（南京高精船用设备有限公司，南京 211103）摘要：开展对 7 000 m3耙吸挖泥船主推进系统方案集成技术的研究，从集成方案设计、船-机-桨匹配、设备选型、设计计算和试验验证等方面，介绍该船主推进系统集成工作。通过对该船主推进系统集成技术的研究，掌握多工况工程船舶集成核心技术，实现船-机-桨匹配设计，可满足多工况使用要求，同时对其他高技术船舶具有一定的借鉴意义。关键词：耙吸挖泥船；主推进系统；集成技术；船-机-桨匹配Research on the Integration of the Main Propulsion S
2、ystem of a 7 000 m3 Trailing Suction DredgerCHEN Shenghua(Nanjing Gaojing Marine Equipment Co.,Ltd.,Nanjing 211103)Abstract:Through the research on the integration technology of the main propulsion system of a 7 000 m3 trailing suction dredger,this paper introduces the integration work of the ships
3、main propulsion system from the aspects of integration scheme design,ship machine propeller matching,equipment selection,design calculation,and experimental verification.Through the research on the integration technology of the ships main propulsion system,we have mastered the core technology of mul
4、ti working condition engineering ship integration,achieved ship engine propeller matching design,and met the requirements of multi working condition use.This has certain reference significance for other high-tech ships.Keywords:trailing suction dredger;main propulsion system;integrated technology;sh
5、ip engine propeller matching7 000 m3耙吸挖泥船作为中小型疏浚作业船舶，广泛应用于沿海港口和长江下游河道的疏浚作业。耙吸挖泥船具有作业工况多的特点，主要包括自由航行、耙吸挖泥和吹岸等工况1。作为工程作业船舶，耙吸挖泥船设计阶段非常关注在不同作业水域的疏浚效率，而施工水域水流和土质情况对疏浚作业效率和质量也有很大影响。设计耙吸挖泥船主推进系统时，需重点考虑这些因素，结合船舶的实际使用工况要求，选择合适的主推进系统方案，使其满足船舶总体性能要求。耙吸挖泥船主推进系统一般包括3种驱动形式2，其中独立驱动形式由于经济性差已经不再选用。近 20 年，耙吸挖泥船一般选用“
6、一拖三”和“一拖二”这两种复合驱动形式，而中小型耙吸挖泥船开始考虑选用电力驱动形式。耙吸挖泥船主推进系统集成技术，特别是合适驱动形式的选择，是本文研究的关键内容之一。在此基础上进行设备选型，实现控制船舶造价、满足船舶总体性能、降低总装机功率、提高主推进系统的经济性等目标。通过对船舶主推进系统的集成研究，不仅可满足各工况下船舶的性能要求，而且有助于分析多工况工程船舶主推系统集成设计的要点，对船舶主推进系统集成设计进行有益尝试，为其他多工况工程船舶的集成设计提供宝贵经验。1主推进系统集成方案设计以一艘泥舱容积 7 000 m3的中型耙吸挖泥船为例进行相关阐述。船舶采用双机双桨、双导流管、单耙结构，
7、主要适用于中国长江口、珠江口和其他国内沿海港口、航道的疏浚、吹填工程，兼作沿海维护工程。该船机舱设备众多，不仅对主推进系统的布置空间有严格要求，而且确定主推进系统集成方案时，需结合船舶使用工况，充分考虑船舶可靠性、经济性和智能化要求，选择合适的主推进系统配置方案。1.1主推进系统总体方案论证船舶主要参数为船长 118.6 m，型宽 24.6 m，型深 8.2 m，平均吃水 6 m，满载自由航速 13.8 节。单耙挖泥作业时，挖泥对水航速不小于 6.5 节。为满足船舶自由航行和耙吸挖泥两种工况下的航速要求，确定全船所需总推进功率为 9 000 kW。由于该船吃水仅为 6 m，尾部螺旋桨空间受限，
8、无法匹配 9 000 kW 推进功率的螺旋桨直径，最终确定采用双机双桨布局，单机功率为 4 500 kW。这不仅解决了螺旋桨布置问题，而且提高了推进系统的冗余性和可靠性。基金项目：2019 年江苏省科技计划项目-重点国别产业技术研发合作项目“高技术船舶推进器的水动力性能优化提升项目的合作研发”（BZ2019-025）。现 代 制 造 技 术 与 装 备782023 年第 7 期总第 320 期为了在自航和作业多工况下最大限度地利用主机功率，降低营运成本，船舶采用中型耙吸挖泥船常用的复合驱动形式，配置了功率管理系统，对轴带发电机和螺旋桨的负荷进行动态分配，满足了船舶绿色化和智能化的需求。复合驱动
9、形式下，主机恒转速运行，主推进器选用可调桨，通过调节螺距改变船舶航速和拖力，满足船舶航道作业时高操纵性的要求。该船耙吸挖泥作业时，为克服耙头阻力，螺旋桨须提供更高的推力。因此，船舶采用导管螺旋桨，在螺旋桨和船体之间增加高效导流管，提高螺旋桨推力。由于机舱空间限制，主推进柴油机自由端无法布置泥泵和泥泵齿轮箱，而是将泥泵布置在泥舱前端，采用变频电机驱动。通过论证，决定采用“一拖二”复合驱动形式。双机双桨对称布置，每套主推进系统包括中速柴机油、一进双出齿轮箱、轴带发电机、可调桨、高效导流管、推进轴系、艉管部件、主机高弹联轴器和轴发高弹，见图 1。轴带发电机给泥泵、侧推、水下泵和高压冲水泵等设备供电，
10、兼顾全船生活照明用电。4035302520151050中速柴机油；一进双出齿轮箱；轴带发电机；可调桨；高效导流管；推进轴系；艉管部件；主机高弹联轴器；轴发高弹。图 1主推进系统布置图1.2主推进柴油机选型船舶采用“一拖二”复合驱动形式，主推进柴油机自由端无须驱动泥泵，因此柴油机无低速高扭矩要求，增加了可选范围。根据船舶性能要求，选择 2 台4 500 kW 的中速柴油机作为推进主机。国内主流柴油机的生产厂家包括瓦锡兰、MAN 和潍柴3。对比分析不同柴油机厂家对应功率段柴油机的性能参数，考虑机舱的空间限制，柴油机外形尺寸和重量要尽可能小。考虑瓦锡兰柴油机在耙吸挖泥船上使用业绩较多，最终选择瓦锡兰
11、 9L32 柴油机作为船舶的推进主机。1.3轴带发电机选型根据总体设计要求，轴带发电机作为主发，向泥泵、侧推、高压冲水泵等设备供电，轴带发电机额定功率为4 000 kW，额定转速为 1 500 rm-1。由于发电机功率大，冷却方式确定为空冷-水冷。电机轴承采用滑动轴承，同时采用电动滑油泵对电机轴承进行润滑和冷却。1.4齿轮箱选型船舶螺旋桨效率最高时的转速为 152.7 r min-1，主机转速为 750 r min-1，齿轮箱减速比为 4.93。齿轮箱 PTO 轴驱动轴带发电机，额定功率为 4 000 kW。为满足机舱布置要求，主推进柴油机和螺旋桨轴线为斜偏心，水平方向偏心距为 725 mm，
12、垂直方向偏心距为425 mm。主推进柴机油轴线和轴带发电机轴系为水平偏心，偏心量为 565 mm。考虑到产品交货期和价格等因素，优先采用标准型号齿轮箱。但是，由于偏心距要求的限制，标准型号齿轮箱动力输出（Power Take Off，PTO）额定功率只能达到 2 000 kW，需考虑对齿轮箱进行非标设计。船舶齿轮箱结构复杂，且须进行非标设计，因此齿轮箱厂家不仅要有很强的设计能力，而且拥有挖泥船齿轮箱领域丰富的设计制造经验。通过多次论证和技术协调，最终确定齿轮箱厂家为西门子，齿轮箱型号为 NAVILUS GUCK850。该齿轮箱配置主离合器，具有软接排功能，防止主推进柴油机接排时过载。2主推进系
13、统设计主推进系统主要设备初步选型完成后，须根据初定的设备进行系统设计和计算，评估系统是否满足总体性能、船-机-桨是否能够相互匹配、航速和拖轮是否能够满足自航和疏浚作用要求、系统安全性能否满足船规要求等。2.1船-机-桨匹配设计在确定推进柴油机型号的情况下，为提高螺旋桨效率，需尽可能选择直径更大的螺旋桨。同时，为增加挖泥作业时螺旋桨的推力，采用导管桨方案，在螺79工 艺 与 装 备旋桨外侧布置高效导流管。通过评估船舶艉部空间，在保证螺旋桨叶梢和船体间距情况下，确定艉部能够布置螺旋桨直径为3 600 mm。耙吸挖泥船多工况运行，螺旋桨设计仅仅考虑自航工况的航速是不够的，必须兼顾自由航行、耙吸挖泥和
14、吹岸作业 3 种工况。各工况下的功率分配和航速要求见表 1。表 1各工况下功率分配和航速要求工况航速/节主机功率/kW用于推进功率/kW用于轴带发电机功率/kW艏吃水/m艉吃水/m自由航行 100%MCR13.84 5004 1004006.86.814.04 5004 50006.86.8挖泥作业6.54 5002 4202 0806.86.8吹岸作业04 5006503 8506.86.8根据船舶设计院提供的船体阻力和库存桨自航试验结果，开展船-机-桨的匹配设计，设计出适合船舶的螺旋桨，并对自由航行航速和挖泥航速进行预报。螺旋桨设计过程中，不仅考虑了主机的推进特性，而且结合螺旋桨处的伴流场
15、数据（伴流场分布见图 2），避免在满载和轻载时产生有害空泡。最终船舶选用中等侧斜导管螺旋桨，设计螺旋桨参数为直径 3 600 mm，盘面比 0.7，螺距比 1.22，螺旋桨转速152.7 r min-1。螺旋桨外形图见图 3。0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 1.00 u0.1 v/Vs图 2螺旋桨处伴流场图 3导管螺旋桨外形图柴油机功率 100%情况下，扣除轴带发电机消耗400 kW，推进功率 4 100 kW，设计航速达到 1
16、4.06 节，实现 13.8 节航速目标，航速预报见图 4。柴油机功率 100%、推进功率 2 420 kW 情况下，考虑耙头阻力150 kN，挖泥时对水航速达到6.83节，航速预报见图5。通过船-机-桨匹配设计，螺旋桨在柴油机额定转速情况下，通过调节螺距改变螺旋桨推力，主推进系统在各工况下的技术指标和性能满足船舶总体设计要求。由于采用英文软件进行仿真试验，对图中变量符号进行相关解释：Vs为航速，节（用 kn 表示）；KWE为主机功率，kW；KWP为推进功率，kW；KWG为轴带发电机功率，kW；TFP为艏吃水，m；TAP为艉吃水，m。此外，KWE=KWP+KWG。5 500 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 00012.012.513.013.513.82 kn14.06 kn14.30 knKWP=4 500 kWKWP=3 800 kWKWP=4 100 kWVs/knKWP/kW14.014.515.0图 4自由航行航速预报2.2推进轴系初步设计和强度计算船舶主推进轴系设计内容包括根据机舱结构进行轴系布置，计算推进轴系的强度。根据机舱空间
