赵自奇 林 江 黄 煌

（1.广船国际技术中心；2.广船国际公司办公室）

高速艇轮机系统优化

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（1.广船国际技术中心；2.广船国际公司办公室）

本文围绕高速艇的特点，从主要设备选型、布置、系统设计等方面详细阐述了一种敞开型高速艇轮机优化设计。

高速艇 轮机 优化设计

0 前言

高速艇主要特点：航速高、操纵灵活、短距离航行；可用作工作艇、救助艇、巡逻艇、执法艇等；适用于完成：缉私、救助、执法、快速运输等任务。由于高速艇使用目的单一明确，为之配备的设施应尽量精简，以便快速完成任务。

为了实现高航速，高速艇需要配备大功率主机，同时严格控制空艇重量。因为高速艇船体的尺寸通常较小，航行安全平稳性能要求高，对轮机设备的布置造成困难，同时对轮机设备安装精度要求更高，需要从多方面对高速艇进行系统优化。

1 某高速艇主要参数

某高速艇航行区域为沿海，敞开式，载员4人，采用单机单推进系统。其主要参数如下：

总长： ～7m

总宽： ～3m

总高： ～3m

玻璃钢艇体型深： ～1.5m

额定成员：4人

空艇重量： ～2000kg

满载重量： ～2500kg

航速： ≥35节

2 主要设备选优设计

高速艇设备配置的设计原则是：推进设备以外的设备一律从简，推进系统配置优中选优。

3.1 主机选优

根据高速艇的特点需要选择尺寸小、重量轻、功率大的柴油机作为主机。初步估算主机功率在200～250kw之间，重量需控制在500 kg以下。将几种功率相当的柴油机相关参数列于表1中，从中选优。

从表1中可看出，Volvo D4-300I和Yanmar 6LPA-STP2满足要求，是比较理想的机型。其中Volvo D4-300I比Yanmar6LPA-STP2稍重55kg，但尺寸更小，更便于布置和安装。且D4-300I采用高压共轨技术，振动和噪音小，相比Yanmar的直喷式具有更好的燃油经济性。所以该艇选用Volvo D4-300I柴油机作为主机。

表1 多款高速柴油机主要参数对比

3.2 发电机选优

该艇主要用电设备有：主机控制器、仪表盘、甚高频、舱底水泵、电笛、各类灯等。根据电力负荷估算，该艇的用电量约为340 w。如果单独配置一台发电机，势必占用一定的空间，需要配置必要的动力管线，增加成本，给轮机设计带来更多的困难。而采用轴带发电机，既可以满足电力负荷要求，又可以省去发电机的动力机部分，简化动力系统，节省空间和成本。所以该船选用轴带发电机，规格为12V 115A。

3.3 推进器选优

常见的推进器通常有三种型式：螺旋桨、喷水推进器、表面桨。这些推进器各有千秋，将它们的主要性能列于表2，从中选优。

从表2看出：螺旋桨受吃水条件限制，空泡效应严重，不适用于浅吃水大功率高速艇，通常适用于25节以下的排水型船舶。表面桨重量大、振动噪声大、成本较高，适用于航速在50节以上的滑行艇，也不是本高速艇的最佳选择。

喷水推进器具有螺旋桨和表面桨无法比拟的优点：水泵从船底部吸水，又从船尾喷出，船艇可以不动声色就能开动；喷水推进器叶轮位于导管内，导管吸口配有格栅，具有良好的保护性，可在浅水水域航行；喷射器振动和噪声小；操纵液压泵可以转动喷嘴及倒车斗从而改变喷水方向，不需要舵机就能让高速艇迅速改变方向和倒车。操纵液压泵方便且船艇转向不受舵角限制，船艇回旋半径缩小，所以喷水推进器具有良好的操纵性，可实现艇在原地回转，风浪中零速，急转弯，紧急制动等动作。综合以上分析，该艇选用喷水推进器。

表2 推进器主要性能对比

图1 典型喷水推进系统

喷水推进器主要由水泵、吸水管道、格栅、喷嘴、倒车斗、液压泵所组成。液压泵可以控制喷水推进器的喷嘴方向，从而实现高速艇转向，同时液压泵还可以操纵倒车斗，从而实现高速艇紧急制动。典型的喷水推进系统见图1。

4 主机布置优化设计

重心对高速艇平稳航行影响很大，如果高速艇的重心靠前，则阻力增大，艇起滑困难；反之如果重心靠太后，船头翘起，则容易引起纵向失稳。由于主机是高速艇最大最重的设备，其重量约占空船重量的20%～30%，所以主机的位置对于高速艇的重心起到举足轻重的作用。主机布置时应充分考虑对高速艇重心及稳心位置的影响，必须将主机布置在最合理的位置。只有先将主机布置妥当，才能进行下一步设计。

5 推进系统优化

主机、齿轮箱、连接轴、推进器共同组成高速艇推进系统。主机与推进器之间有多种匹配关系，需要进行优化。

5.1 推进系统配置选优

推进系统有多种配置型式，列于表3中进行比较，从中选优。

从表3中看出，方案一最优，尺寸小能节省不少空间，设备重量轻，有利于控制空船重量，而且能够降低设备采购成本，可以降低设备故障风险，此方案是本高速艇的首选。

5.2 轴系型式选优

喷水推进器一般有三种轴系连接方式，一一分析，从中选优。

5.2.1 刚性轴连接

当主机或者齿轮箱与喷泵的轴线在同一直线上，且距离在0.2m到2m之间时，可以选用普通联接轴，见图2。

5.2.2 万向节连接

当主机或者齿轮箱与喷泵的轴线不在同一直线上，并且角度在0.5°～3°之间时，可使用万向节。主机或者齿轮箱末端通过一个高弹联轴器和万向节相连，见图3。

表3 推进系统配置型式

图2 Centa联轴节的连接形式图

图3 万向节连接形式图

5.2.3 弹性器连接

弹性轴适用于喷泵与主机或者齿轮箱在同一直线上，长度在0.5m～3m之间。弹性轴系主要作用就是在航行时，补偿或消除主机和喷泵的震动，使设备处于良好的工作状态中，见图4。

图4 弹性轴连接形式图

5.3 推进系统优化结论

该艇采用单机单喷水推进器，主机选用Volvo D4-300I柴油机，喷水推进器采用HamiltoNHJ241。所选主机的推力曲线与喷水推进器的吸收功率曲线相匹配，不需要设置齿轮箱，可采用直接驱动，节省了部分成本。

由于该艇采用复合材料制作，其安装基座刚性不及钢质船，且主机与喷水推进器的轴系中心线不在同一线上，为此，轴系选用万向节形式，分别与主机和喷水推进器连接。此结果设备配置简单，稳定性最好，成本最低，是较优的设计。

6 系统优化

整艇的管路系统按照《沿海小船入级与建造规范》第四章的规定进行设计。系统设计原则：简单高效，节能环保。在保证机器设备工作稳定性的前提下，将管系设备及管路附件降到最低，实现管系最优化。

6.1 燃油系统

该高速艇以轻柴油为燃料，不需要加热和热伴行，可直接使用。燃油供给泵为柴油机自带，只需按照航行距离要求及柴油机油耗，计算并配置油柜，设置基本管路及必要的管附件，系统便能安全稳定运行。此系统既简单又实用，是较优的设计。

6.2 滑油系统

D4-300I柴油机为湿式油底壳式，按柴油机滑油的要求，直接向机内注入适量SAE15W/40滑油，定期更换滑油及滤芯即可满足柴油机滑油系统的要求，艇上不必设置滑油贮存舱和滑油泵。

6.3 冷却水系统

冷却水系统分为内循环和外循环。

内循环为淡水冷却系统，主机内部淡水闭式循环，直接加注主机专用冷却液即可。机外没淡水管路，是最简单的系统。

外循环为海水冷却系统，机带海水泵从舷外吸水，经过海水滤器，进入主机中冷器、热交换器、冷却主机滑油和冷却液，最后排入排烟管，与废气一起排出舷外。这样设计既冷却主机，又清洗排气中的SOX和粉尘，净化排气，达到环保目的。

该系统在机内设有节温器，可调节海水通过主机热交换器的流量，保证主机运行时，各组件和滑油保持在最佳的温度，从而延长主机的寿命。

冷却水系统是全艇最大的动力系统，以上设计既简单又高效还节能环保，是较优的设计。

6.4 柴油机启动

Volvo D4-300自带启动机，由蓄电池供电，电量不足时可由另一组总用蓄电池一同供电启动柴油机。

6.5 柴油机排气

柴油机排气为湿式排气，海水冷却主机后，通过排烟管与高温废气混合冷却，从艇尾排出。排出口设置海水防倒灌装置，保证艇在倒车及风浪中航行时海水不会进入排烟管。

6.6 机舱通风

该艇机舱采用自然通风，通风格栅口面向艇首布置，以保证高航速下，进风量满足主机燃烧和机舱冷却用新鲜空气。此系统没有风机只有风管，系统最简单，效果有保障，是较优的设计。

6.7 舱底压载系统

按规范要求，艇上机舱、空舱应配置舱底水泵。该艇配备了两台电动舱底泵，分别用于船头和船尾舱底水排舷外，另外配置一台手摇舱底泵，用于紧急情况下的舱底水排舷外。

为了减轻重量，高速艇一般不设置压载舱和压载泵，通过纵倾调节装置调整航行姿态。

6.8 消防灭火系统

为了满足消防要求设置了机舱自动灭火器和甲板干粉灭火器用于整艇，配置了一个消防水桶。

7 结束语

对于滑行高速艇而言，整艇的重量重心对航行姿态和航速的影响极大，设备的重量重心成为核心设计要素，这两个要素成为解决一系列的技术难题的关键，在设备选型、机舱布置时，需要反复论证，甚至还需要根据船模或样船的试验结果进行重新调整。因此，对高速艇进行优化设计十分必要。

[1] Rolls-Royce ApplicatioNGuide (Drive Shaft Guidelines), 2000.

[2] 朱珉虎.高速艇与游艇设计手册. 2008.

10.3969/j.issn.2095-4506.2016.04.003

2016-5-13）

赵自奇（1982--），男，工程师，船舶轮机研发设计。

林 江（1985--），男，助理工程师，船舶轮机设计。

黄 煌（1987--），男，助理工程师，能源动力系统及自动化。