40米高速巡逻艇动力装置设计

吴大荣++陈建++黄海彬

摘 要：本文简要介绍了40米高速巡逻艇动力装置选型、布置设计要点。

关键词：高速艇；动力装置；设计

中图分类号：U664.121 文献标识码：A

Power Plant Design of 40m Fast Patrol Boat

WU Darong1， CHEN Jian2， HUANG Haibin2，

（1.Guangzhou Shipyard International Company Limited， Guangzhou 510382； 2.Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250）

Abstract： This paper introduces the type selection， arrangement and design of the power plant for t40m fast patrol boat.

Key words： Fast Patrol boat； Power plant； Design

1 前言

由中船605院设计的40米高速巡逻艇，具有海上巡航、警示、追击、搜救、救援等功能，可用于近海巡航、警戒、渔业检查、维护领海安全、打击海盗和违法船只等。该艇适用于亚热带地区，具有航速高、操作性好，、可靠性高等特点，其动力装置设计与常规民船设计有所不同，本文对其设计要点进行简要介绍。

2 主要设计条件

2.1规范、规则

该型艇按照CCS《水面舰艇入级规范（2011）》及修改通报要求进行设计。

2.2 环境要求

该艇适用于亚热带地区，其使用环境温度高、湿度大；环境温度高达45℃，最大湿度98%。

2.3 使用要求

该型艇航速高，排水量对推进功率的影响大，设计时需严格控制空船重量；此外，该型艇船型瘦小，布置空间有限，需选用重量轻、体积小的设备。

根据该型艇的使用范围和功能，要求其操作灵活、加速性能好、安全性和可靠性高，且可在全恶劣天气和海况下全天候工作，其动力设备需储备25%以上的功率。

2.4 主要相关参数

3 动力设备选型

经过对主机总功率需求、使用工况、布置空间和现有主要柴油机型尺寸等相关因素的综合分析，决定该型艇采用双机双桨形式。其配套设备的配置按照中国船级社《水面舰艇入级规范（2011）》相关要求并取得船级社认可。

3.1主机选型

主机是船舶动力装置的核心，在船舶配置中占有极其重要的地位，主机的自身重量、体积、性能对船舶设计具有重大影响。该型艇具有航速高、空间狭窄、排水量小、主机功率大的特点，为此必须选用体积小、重量轻的高性能柴油机才能满足总体设计要求。

目前可供选择的机型有CAT、CUMMINS、MTU和MWM等品牌。經过对其使用性能、使用工况、成本、售后服务、用户意向等因素综合比较，该型艇选用TBD620V16型船用高速四冲程柴油机作为推进主机。该型柴油机为德国引进技术，具有功率大、重量较轻、体积较小、机身高度低等特点，且其售后服务也能满足用户需求。该型柴油机最大持续功率（MCR）为2032KW x 1800r/min；最大功率（SMCR）为2240KW x 1860r/min。

3.2 齿轮箱

齿轮箱选型需根据主机功率、转速和螺旋桨转速及年平均使用时间等相关参数进行，选型时还应注意其重量、外型尺寸等因素。其主要参数确定和选型方法为：

（1） 额定输入转速：齿轮箱的额定输入转速根据主机额定转速确定，其应不小于主机的额定转速；

（2） 额定传递能力：齿轮箱的额定传递能力，根据主机额定功率与主机额定转速的比值确定其实际值应不小于计算值；

（3） 传动比：齿轮箱的传动比根据螺旋桨转速及主机转速确定；

（4） 年使用时间：由用户提供其年平均使用时间，以确定齿轮箱的负荷等级；

（5） 型号：根据负荷等级和额定传递能力需求，确定齿轮箱型号。

此外，根据该型艇为固定螺距桨推进，选用具有离合、倒顺功能的齿轮箱，两个齿轮箱分别为左/右型。

根据上述因素，该型艇齿轮箱选定如下：

型号 ZF7600

最大输入转速 2300rpm

负荷等级 中载（年平均使用时间不超过4000h）

传递能力 1.2356kW/rpm

传动比 2.565：1

4 机舱布置

机舱布置设计应注意以下要点：

（1）艇的重心位置和浮态

该型艇艉部线型收缩较快、外型瘦小。如机舱设在艉部，则艇尾倾会比较严重；如机舱设在中部，则艇重心比较靠前，会对最大航速产生不利影响，并且其轴系也较长，施工难度大、轴系效率降低。经综合评估，本艇机舱设在舯部靠后位置，位于16#～36#之间，总长约10米。

（2）左右力矩平衡

对于配有两套重量较大的设备，应尽量左右对称布置；而对于单件大型设备，则应尽量靠纵中布置，或以其它设备来平衡其产生的横向力矩，减少静横倾角。例如：双主机采用对称布置；两台发电机组采用左右对称布置；海水箱布置在机舱前端左右舷；机舱前壁左右两舷对称布置淡水压力柜和海水压力柜；主辅机的排烟管、消音器左右对称布置；两台机舱风机左右对称布置；生活污水处理装置布置在机舱后部左舷，而空调冷水机组布置在机舱后部右舷，以使两者力矩基本平衡。

5 轴系设计

5.1轴系布置endprint

对于双机、双桨、双轴系船舶，轴系应采用对称布置方式：在水平面上两条轴线与艇体纵中剖面应尽量平行，在垂直面上轴线也应尽量与艇体基线平行，以使船舶在前进方向上的合力达到最佳值。但由于艇吃水很浅，当保证轴线与艇体基线平行时，其轻载工况螺旋桨不能完全浸没于水中。此外，因艇的型深低且艇体艉部线型瘦小，主机/齿轮箱的底部布置空间往往不足，为此通常需要抬高主机/齿轮箱轴心线，因此在垂直面上该型快艇的轴中心线往往设计成与基线成一夹角，即主機中心抬高而螺旋桨中心下降。但为了减少其推力损失，并保证主机/齿轮箱工作正常，轴线倾斜角度通常不大于5°为宜。

本艇支承轴承跨距参照《钢质内河船舶建造规范》的推荐设定，每条轴系分别设置3个支承轴承，并按CB/Z208标准进行轴系回旋振动频率校核。

5.2 轴系材料

船舶轴系锻件材料可参照CB/T1159标准所推荐的材质选取，其机械性能和化学成分均需满足《材料与焊接规范》的相关规定。根据本艇规格书要求，其轴系应为不锈钢材质。但CB/T1159标准和《材料与焊接规范》两个文件对推进轴用材质只明确了碳钢、碳锰钢和合金钢几种材料的机械性能，而对不锈钢材料未有详细的描述，且国际上各船级社除NK规范对采用316不锈钢材料做了的一些规定外，其余规范未详细提及不锈钢材料的相关规定。经研究，发现一些不锈钢材料的柔性较好，其屈服强度比较小，而其抗拉强度与屈服强度比较大，其机械性能不满足CCS《材料与焊接规范》的规定。为此，选用不锈钢材料时，建议按CB/Z208标准进行屈服安全系数校核。但有些不锈钢材料的刚性较好，其抗拉强度和屈服强度均较高，且其抗拉强度与屈服强度的比值较小，如 S51740， 其最低抗拉强度约为800MPa，而屈服强度达725MPa以上，虽然其机械性能符合《材料与焊接规范》的规定，但抗拉强度太高，对轴表面缺陷的敏感性较强， CCS也不推荐使用。而双相不锈钢的机械性能符合《材料与焊接规范》的规定，其抗拉强度和屈服强度均符合规范要求，且抗海水腐蚀能力较强，因此本艇轴材料采用双相不锈钢，并得到船检认可，但该种材料成本相对较高。

5.3 轴系组成

本型艇动力装置设置两套轴系，每套轴系包括以下部件：中间轴一根；螺旋桨轴一根；尾轴管前轴承一个；尾轴管中间轴承一个；尾轴管后轴承一个；五叶固定螺距螺旋桨一个。螺旋桨与螺旋桨轴采用键联接，轴系布置图，见图1。

5.4 联轴器

该型艇尾轴与调节轴采用可拆式液压联轴器联接，轴系上设有轴系制动装置。液压联轴器安装及检修方便，节省空间，同时又减轻了轴系的重量。

6 结束语

由于不锈钢材质的屈服强度较低，且其耐海水腐蚀的能力有限，对于大功率的船艇轴系通常不推荐采用。为此，建议船舶轴系尽量采用碳钢或合金钢材料，而对采用水润滑的尾轴，可采用外包玻璃钢的措施防腐。

本文以40米高速巡逻艇为例，简要总结了高速艇动力装置的一些设计要点，但愿为设计类似船艇提供一点有益的参考。endprint