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船舶动力装置原理与设计讲义 第6章 船舶动力装置设计 设计观点 设计内容 设计中应考虑的问题 机舱布置 1 全局与综合的观点：综合考虑可靠性、经济性 和机动性 相关与协调的观点 优化设计的观点 设计观点 2 优化设计的问题 在船舶动力装置设计中，如何选取合理的设计 参数，使装置效率最高、油耗最小、材料最省 ，在机舱管系布置设计中，如何使所选设备容 量最小，管路最短，而又能满足设计要求； 在轴系布置中又如何使轴承负荷小而均匀； 船用齿轮箱优化设计程序； 船机桨工况最优配合设计程序； 船舶柴油机余热利用系统优化设计程序； 船舶动力装置海水冷却管系温度参数的最优选 择程序 3 计算机辅助设计 设备选型设计系统 主机选型优化设计 发电机组选型设计 锅炉选型设计 机舱布置设计 管系设计与布置 轴系校中与振动集成计算 4 船舶动力装置设计的复杂性原因 1)各种船舶用途的复杂性：任务繁多、要求各异 2)动力装置除完成上述各种任务外，船员、旅客在其上生活 工作，动力装置必须提供必要的条件。 3)船舶这种水上的“活动建筑物”，在任何时刻都受到风浪、 水流、气候等环境因素的直接影响，且长时间离开陆地， 独立活动，要在孤立无援的条件下保障安全、正常工作。 4) 船舶排水量也是有限的，动力装置必须布置在有限空间内。 5 船舶动力装置设计的特点 须符合船舶的特殊使用条件船用条件，包括环境条件 、空间条件。 须设计成具有必要的目标任务条件和合适的保障条件，包 括营运条件、作业条件、研究条件及工作条件、生活条件 和生存条件。 须全面地综合地进行设计、进行通盘考虑，包括动力装置 与总体性能、动力装置与其他专业、动力装置内部各子系 统之间的综合平衡和匹配，以实现预定的技术经济指标。 须全面掌握动力装置所覆盖的各技术领域，如船舶推进技 术、热能转换技术、电气技术、安全技术、消防技术、防 污染技术、冷藏技术、通风和空调技术、仿真技术以及人 员生活、生存技术等。 受控于国际公约、规则、船级社规范、船旗国法规等要求 和约束。 须根据市场经济的特点，对设备的选用和配套应在目标成 本的控制下进行。6 原则要求 1. 可靠性 (冗余度) 2. 营运经济性 3操纵性(操纵简单,管理方便) 4可维性(设备的结构形式系统与管路 的布置应使维修方便简捷) 5建造经济性 6重量、尺寸指标 7振动、噪声指标 7 经济性：一个是属于船体工作方面的性能。为了提高船体 方面的性能，在设计运输船舶时要力求向装载量大、航行 阻力小、推进效率高、装卸速度快、造价低等方面努力。 另一个属于动力装置方面的性能。为了提高船舶的运转经 济性能，在设计运输船舶时要力求燃料消耗少、维修保养 简便、重量尺寸小、使用期长、造价低等。 （1）提高装置的推进效率。其中，提高螺旋桨效率最为 有效，另途径是改善船、机、桨之间的配台 （2）提高装置热效率 选用低油耗高热效率的主机 采用劣质燃料 充分利用装置废热 （3）改进船舶操纵，实行经济航行 （4）努力降低建造成本。 8 具体要求 符合任务书或规格书或合同文本对动力装置的要求。 符合船舶总体性能对动力装置的要求。 符合该船所入船级的船级社规范的要求。 符合该船登记国(船旗国)的有关法规。如挂中国旗，应 符合“船舶和海上设施法定检验规范”。 符合该船受控的国际公约、规则的要求(solas公约、 marpol公约)。 符合该船营运中所涉水域或港口的有关规定（如进入美 国水域或专属经济区则应符合美国海岸警卫队uscg的规 则；巴拿马运河规则等）。 符合设备厂规定或推荐的系统设计要求，或与其协调， 以最终满足具体船舶的要求。 9 主要内容 (1)主推进系统设计。包括主机选型、主机及齿轮箱配套 、主机及齿轮箱和调距桨配套等； (2)轴系设计； (3)电站设计(主电站及应急电站)； (4)热源系统设计(蒸汽、热媒油等)； (5)动力系统设计(燃油、滑油、冷却水、压缩空气、进排 气、加热蒸汽或热媒油等系统)和辅助设备选择； (6)船舶系统设计(疏排水系统，注入、测量、空气系统， 供水系统，舱底水系统，压载水系统，消防系统等，以 及油船、液化气船和化学品船的专用系统)； (7)自动控制、监测、报警系统设计； (8)防污染系统设计(机舱防油污系统、油船防油污系统、 生活污水防污染系统及防止有毒液体物质污染系统等)； (9)机舱通风系统设计。 10 2.船舶动力装置总体设计 船舶动力装置包含着数量众多的机械及系统，它们之间有着密切的 联系和相互影响，形成了一个复杂的工程系统，这个工程系统的设计就 称为总体设计。 总体设计的任务是针对设计任务规定的要求，制定一个既切实可行 又效果良好的、供生产用的工程设计。 11 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 按任务的性质分为两大类： 1)生产性设计 生产设计对象一般是成熟的船舶，已有过很多的设计、制造和使用 经验，设计的要求属于一般性问题，为数不多，动装的形式及其主要的 机电设备，基本上已经确定，无多大选择余地。 一般这样的设计任务，可以用同类型船舶作蓝本，依靠常规技术便 可完成。 2)发展性设计 用船部门根据他们的发展计划提出来，没有多少经验可效仿，必须 根据任务的要求进行详细和大量的分析工作，运用不同的技术和措施， 提出多种可能的方案，以便进行对比，从而选择最优设计方案。 12 报价设计 设计部门对用船单位提出的技术任务书及营运要求进行详细分析研究， 并作技术上的检验校核，从而初步确定船舶动力装置主、辅机，设备选型 以及机舱中的设备大体布置，编制一份简要的动装说明书、机舱布置图、 主要设备清单。 同时，应提供主要设备供应厂商表，估算动装总成本，再按当时市场 状况(贷款利率、付款方式、订货价格)提交给用船单位，用船单位根据资料， 认为满意，则与设计部门进行技术与商务谈判，进一步明确动装的技术细 则，以详细说明书的形式确定下来，签订合同。 又称为投标设计。 13 方案设计 根据任务的要求，经过分析比较，主要技术措施作原则性的确定，提 出一个合理的原则性方案。在方案设计中要提出设计工作的每项重大措施 的技术根据，全面说明如何达到设计任务的要求，提出方案的现实性和优 越性(技术上先进、经济上合理)。 方案设计也称为方案论证。 在发展性设计中，方案论证是全部工作的根本。 14 技术设计 使方案具体化，即将机械设备的型式、性能、数量，系统中各组件的 结构和性能，物品的消耗及补充以及安全等重大技术问题，用计算方法作 出明确的决定，以技术文件和图来表达。如编制设计计算书、设备明细表， 绘制机舱布置图等。 图纸的内容，应满足船舶检验部门的规定和要求，以及船厂进行生产 准备和施工的需要。 施工设计 将技术设计所确定的全部机械设备，按机舱布置图规定，把它们安装 在机舱内，并将有关设备连接起来的工艺措施称为施工设计，并以安装施 工图纸来表达。 15 方案设计(合同设计) 主机、辅机及机械设备的选型论证 传动方式及设备的选型论证 提出主要机电设备的订货清单 绘制各方案的机舱平面布置图 绘制主要管系的原理图 机械设备的计算书 电站选型 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 16 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 根据技术任务书的要求及船体线型和布置，选定装置型式、主机及 有关机械设备，进行船舶轴系、动力系统及船舶系统的计算。 绘制机舱布置图(轴系布置图、艉轴管装配图) 绘制各管系的布置图 船舶设备(锚机、舵机、起货机等)的选用或设计 某些非标专用设备的设计 船舶电站的计算及布置 编制有关技术文件，如轮机说明书、机械设备计算书，轴系计算书、 电站负荷计算书、机械设备计算明细表、轴系材料及管系附件明细表、 技术图纸、文件目录、试车、试航规程和备件及工具清单等。 技术设计(详细设计) 17 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 施工设计(生产设计) 主、辅机的安装图 轴系的组件(推力轴、中间轴、隔舱填料函、艉轴管装置、 联轴节等)施工零件图 有关传动部件的零件图 各管路的具体布置走向和固定方法以及有关管系附件的 零件图 各机械设备的机座等 18 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 船舶动力装置设计的一般程序 1.推进装置的功率确定 航速 装载量 阻力 2.推进装置方案选择 主机功率与形式 传动方式 推进器数目与种类 19 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 3.其他机械设备的计算 动力系统(燃、滑、冷、压、排)的设计 船舶系统的设计 4.非标设备的设计 5.供电、供汽装置的选型设计 6.机械设备减振、防爆与消声设计 7.机舱自动化与遥控设计 8.机舱规划 20 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 滑油系统设计的步骤 拟定与绘制系统的原理图 解决：1)滑油的总储备量；滑油柜的数目、容积及其分布。 2)拟定滑油储油柜到循环油柜以及循环油柜到主机和其它用滑油 设备的流动方法。 3)设备安置次序问题： 如循环油柜 发动机的滑油吸入泵 粗滤器 细滤器 冷却器 发动机 滑油抽出泵 循环油柜 4)选用阀与阀箱类型、压力表有其它仪表的安装位置 21 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 计算流过系统及其各段的流量。 进行过滤器、冷却器、滑油柜、滑油箱及测量设备的 结构计算与选择 作系统的液力计算及确定管路各段的直径。 22 燃油系统设计的步骤 1.拟定与绘制燃油系统的原理图 2.根据全功率工况计算各段流量 3.按给定量计算调驳泵和过滤器 4.作燃油系统各段管路的液力计算，并确定各 段管路的直径 23 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 冷却系统设计的步骤 1.选择发动机冷却系统的型式和确定系统原理图 2.计算系统和各段的水量 3.计算与选择冷却器、水泵、过滤器、膨胀水箱等的类型 4.作系统各段管路的液力计算，并确定各段管路的直径 24 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 船舶电站 电站是发电设备的总称。 船舶上的用电设备 动力装置辅机：油泵、水泵、分油机、空压机、鼓风机 甲板机械：舵机、绞缆机、锚机、起货机、吊艇机 舱室辅机：生活用水泵、消防水泵、舱底水泵 照明：舱室灯具、航行信号灯、探照灯、 通信导航：收发报机、电话、广播、声光报警器、电车钟、雷达 机修机械：砂轮机、车床、电焊机 冷藏通风：冷藏货舱、伙食冷库、空调用制冷机、通风机 25 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 发电方案的选择 发电方案的选择应满足的基本要求 1)在电功率上满足船在任何正常运转下的电力需要，且有适当的裕力； 2)在技术上符合规范的规定。 电站负荷的变化 电站负荷的变化反映在以下几个活动状态下(以普通货船为例): 1)海上航行 2)进出港口 3)停港装卸货 4)停泊 5)应急 26 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 电站负荷估算的步骤 1) 统计全部电动机和各设备的数量及其配备电功率； 2)按使用特点分类，计算每项设备的实际使用功率(负荷系数)， 确定每项设备的实际使用时间(同时使用系数) 3)将船的活动状态分为海上航行、进出港口、停港装卸货、停泊等状态， 对每种状态进行全部用电设备的负荷计算， 求得每种状态下的电站总负荷。 27 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 三类负荷法 将用电设备按各工况分成以下三类： 1.连续使用的负荷； 2.短时或重复短时使用的负荷； 3.偶然短时使用或可以在用电高峰时间以外使用的负荷。 28 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 第一类负 荷第二类负 荷第三类负 荷 舵机 起货机 起锚机 主淡水冷却泵 主海水冷却泵 主机滑油循环泵 主机喷油器冷却泵 废气涡轮滑油泵 主机燃油供给泵 锅炉燃油泵 锅炉鼓风机 消防总用泵 消防泵 货油泵 冷藏货舱压缩 机 冷却泵 货舱通风机 机舱通风机 浴室、厕所抽风机 照明设备 助航通讯用变流机 燃油分油机 轻油分油机 滑油分油机 燃料油驳运泵 轻油驳运泵 滑油驳运泵 压载水泵 卫生水泵 饮水泵 蒸发器给水泵 蒸发器凝水泵 主空压机 空调压缩 机 空调淡水泵 伙食冷库压缩 机 无线电 雷达 主机盘车机 机舱起吊机 车床 钻床 电焊机 吊艇机 探照灯 万吨级柴油机远洋货船的电气设备分类 29 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 机组数及单机容量的确定 对于一般运输船必须满足 1)运转机组(一台或多台并车)的总输出，应能满足当时船舶状态的最高 电负荷，并且有适当的裕力； 2)运转机组(一台或多台并车)的一台机组因故失去供电能力时，应有后 备机组代替工作，并能保持原来的输出功率。 机组形式 1)柴油发电机组 a)二台机机组 (一用一备) b)三台机机组三台容量相等或两台容量相等，第三台容量较小 c)四台机机组 30 6.1 船舶动力装置设计的内容与程序 2)轴带发电机 用船舶主机驱动的交流发电机称为轴带发电机。 轴带发电机的优点 1)节省燃料费 2)减少发电机组初投资费、维修费 3)减少轮机部的操作、减少发电柴油机的噪音 31 应急供电 “规范”规定：客船及500总吨以上的货船均应设有独立的应急电源。 1.应急电源(应急配电板)均应安装在最高一层连续甲板以上易于从露天甲 板到达之处，且不应装防撞舱壁之前。 2.应急电源(应急配电板)相对主电源位置，应确保主电源、 主配电板或 机器处所失火、其他事故发生时，不妨碍其工作。 3.应急电源可以是发电机或蓄电池。在主电源供电失效时，可自动起动、 自动连接到应急配电板上。 6.2 船舶动力装置总体设计中的几个问题 32 辅锅炉 一般干货船(散货船、杂货船、集装箱船)的蒸汽用途 1)寒冷季节的舱室取暖 2)加热生活用热水 3)厨房各种需要 4)粘性油的加热 5)蒸汽灭火系统 6)制造淡水 7)特殊用途及杂用 6.2 船舶动力装置总体设计中的几个问题 33 6.2 船舶动力装置总体设计中的几个问题 客船的蒸汽用途与干货船大致 相同，只是生活用蒸汽量比重大 油船的蒸汽用途 1)货油加热 2)蒸汽驱动的货油泵 3) 洗舱 4)锚机、绞盘等规范 规定使用蒸汽动力机 5)货舱的蒸汽灭火系统 34 6.2 船舶动力装置总体设计中的几个问题 辅锅炉 水管锅炉使用较普遍，烟管锅炉在中小型船舶上有使用。 35 6.2 船舶动力装置总体设计中的几个问题 辅锅炉 36 机舱的位置及尺寸 船舶的总布置规划要求 动力装置本身的要求。 机舱位于中部：便于机舱布置，抗沉性好；轴系长，效率降 低，结构复杂，货舱容积减小 机舱位于尾部：轴系缩短，降低成本及维修费用， 增加货舱容积，但在空载或轻载时会首倾 机舱大小： 机舱长度-根据主机的长度来确定 机舱宽度-船宽 机舱高度-机舱内大型设备 37 机舱布置的原则及要求 必须保证整个动力装置能够可靠而持续工作，保证船 舶在各种海况和工况下安全航行，如倾斜与摇摆。 平衡与重心。 各机械设备间的相对位置，既满足各设备相互之间的 功能联系要求，又发挥出自身的功能。 操作管理与维修，合理考虑人员通道和各设备的维修 空间。 应充分考虑各种安全措施，满足入级规范及有关法规 、规则的各项要求。尤其要考虑轮机人员的安全。 尽可能缩短机舱所占地位和空间以增加船舶的装载 容积和减少造船成本。 38 机舱布置的基本规定 船舶倾斜角的规定：横倾15、横摇22.5 、纵倾5 以 及纵摇7.5 出入口 机、炉舱至少应各有1个通向干舷甲板或舱壁甲板的出 入口，两个出入口的布置应尽可能互相远离，并出入方 便。 出入口应有通向机、炉舱花钢板的金属梯道梯子与花 钢板的倾角应不大于60 脱险通道：每一机器处所应设置两条脱险通道 机器处所内具有高度危险性部件的隔离 锅炉布置： 39 机舱布置方法 对布置影响较大的机械设备 机舱容积的合理利用 模型法（小样图法） 计算机辅助机舱布置 40 机械设备的安装位置 41 主机与传动设备的布置 多机装置，主机之间应留有足够的空间与通道，以便进行操作和 维修。 主机在机舱中前后位置，一般应考虑主机后端布置传动设备及推 力轴承的需要，并与机舱棚及其它辅助机械布置等作适当的配合 ，如主机及主机大型备件均应置于主机起重装置作业的范围内等 。另外尚需考虑在主机后端留有一定的过道、检修所需的尺寸， 在主机前端也要留有一定的余地，以满足管理、检修和安置在主 机前的机械设备的要求。 主机曲轴中心线的高度是根据双层底或船底结构和花铁板的距离 要求、主机油底壳的最下端与船体内底板或肋板的最小距离及主 机的本身工作要求等因素决定的。但考虑到应尽量使轴线平行于 基线，所以这个高度(包括螺旋桨的高度)还要根据实际情况加以调 整。 安装主机减速器、推力轴承、联接法兰等传动设备的地方，应留 有适当的空间，以便进行定位、安装调试和检修工作，同时管路 应尽量避免在此空间通过。 42 发电机组及配电板的布置 将其布置在主机操纵位置的同一层平面内，使 管理人员能够方便地进行监视和操作。 对于尾部机舱，目前的倾向多为将发电机组布 置在机舱平台上主机的后端，但要注意船体结 构应采取加强措施。 对于中、小型船舶，常常将发电机组布置在机 舱底层，对于多机推进装置的推、拖船，有时 将其置于主机前端。 配电板布置 43 辅锅炉的布置 在锅炉周围要留有拆除隔热材料及其外壳的地 位，并能方便地对锅炉进行检查、清灰及修理 。 锅炉的各附件周围必须有足够的操作和修理的 空间，其水位表应安置在燃烧装置前易见部位 。 锅炉必须安装在甲板或肋板上的坚固的锅炉平 台上。 锅炉及其烟道的布置，务必使发生火灾的危险 性最小。 44 废气锅炉的布置 废气锅炉的安装高度往往是根据主机的排气集 合管(或废气涡轮)至废气锅炉的相互位置来决 定的，应该尽量减少气流损失。 废气锅炉应安置在加固的平台上或甲板上。为 了修理加热管，布置时还应留出充分的空间以 保证抽出管子。 45 辅助机械设备的布置 相互关联或互为备用的辅助机械，应尽量靠近，并考虑 合理分布，以便管理、交替使用和调节，同时应顾及管 路的布置及安装方便，按不同系统不同流体进行分区布 置。 辅助机械尽可能沿机舱周围布置，辅机与主机、辅机与 辅机之间均要考虑留出一定的间距，以便管理维修。 较大的辅助机械设备应先布置；有向上连接管子的机械 如消防泵等，应尽可能布置在船的两舷，使管子沿舷侧 边向上；对于可能引起火灾和妨碍清洁的辅机，应该设 在单独的舱室