船舶动力装置原理与设计_第6章.ppt

船舶动力装置原理与设计讲义,第6章 船舶动力装置设计,2006年10月,设计观点,设计内容,设计程序,计算辅助设计,设计中应考虑的问题,机舱布置,上午7时58分,2,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(主机燃用重油或轻油） 淡水冷却泵 排量 按所带走的散热量进行估算： 式中： qd淡水冷却泵排量，m3/h； bz主机燃油消耗率，kg/（kWh）； Peb主机标定功率，kW； k裕度系数，取1.21.3； 提高进出主机的淡水温差，但温差过大， Hu燃油低热值，J/kg； 淡水在主机出口处温度过高，就会导致 Cd淡水比热容，J/（kgoC） 冷却效果的降低及气缸磨损率的增加 淡水密度，kg/ m3； t1淡水进主机温度，； t2淡水出主机温度， ； 冷却水带走的热量百分比（%） 又如机舱的位置 优化设计的观点,设计观点,上午7时58分,3,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数优化设计程序； 船舶动力装置海水冷却管系温度参数的最优选择程序,上午7时58分,4,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,上午7时58分,5,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。,上午7时58分,6,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。,上午7时58分,7,原则要求,1. 可靠性 (冗余度) 2. 营运经济性 3建造经济性 4操纵性(操纵简单,管理方便) 5可维修性(设备的结构形式系统与管路的布置应使维修方便简捷) 6重量、尺寸指标 7振动、噪声指标,上午7时58分,8,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。,上午7时58分,9,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,上午7时58分,10,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，注人、测量、空气系统，供水系统，舱底水系统，压载水系统，消防系统、机舱通风系统设计等，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)；,上午7时58分,11,2.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。,上午7时58分,12,6.1 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。,上午7时58分,13,船舶动力装置设计的阶段划分,方案设计或初步设计,技术设计,施工设计,报价设计及合同设计,详细设计,生产设计,上午7时58分,14,报价设计与合同设计,合同设计,方案设计 初步设计,报价设计 合同设计,上午7时58分,15,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。,上午7时58分,16,报价设计,设计人员根据船东的要求，如什么样类型的船、载重量多少、航速要多少、续航力多少、货物种类、起货设备要求等展开设计，确定船的大小、主机功率、货舱容积大小、机舱大小、居住区大小、以及总体布置等。 多搜集国内外船型资料。 船舶主尺度决定后，接下来重要的工作是复核空船重量，确定线型主要参数，估算阻力、航速、主机选型。 编制规格书，规格书的编制应符合工厂现有水平,上午7时58分,17,船舶动力装置设计的经济观念,报价设计规格书。 必须明确该船所入船级社以及拟获得的船级符号 应注意该船拟挂旗的具体要求，这对技术要求及造价有相当大的影响。（出口船宜挂方便旗） 船舶是否国际航行，是否拟装危险货物。 主机型号和规格。凡是国内能够生产的必须采用国内生产的产品。尽量选用最大持续功率小的主机。 明确螺旋桨的形式，定距桨或调距桨 使用的燃油品种，因涉及到分油机的大小、规格和锅炉的产汽量等；明确发电机组的燃油品质，数量和规格，电制50Hz或60Hz 热源是用蒸汽锅炉还是混合锅炉 冷却水系统是常规冷却还是中央集中冷却,上午7时58分,18,船舶动力装置设计的经济观念,报价设计规格书。 压载水系统、舱底水系统的阀门是否遥控，采用何种遥控型式。有无液位遥测系统，采用何种遥测型式。 尾轴密封是整体式还是要求使用剖分式。 生活污水收集系统，应明确是常规重力式还是真空式 明确是否配置焚烧炉、制淡装置、侧推器等 油船应明确是载运原油还是成品油、载运油品的数量、货油泵型式及数量和驱动型式，以及输油总管的数量。 对液化气船，应明确载运液货的类别及同时载运的品种 对集装箱船，应明确抗横倾的要求及采用系统的型式和规格 对化学品船，应明确载运货品的清单及同时载运货品的品种数量，及货运泵型式。,上午7时58分,19,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。,上午7时58分,20,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。,上午7时58分,21,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,上午7时58分,22,船舶动力装置设计的经济观念,合同技术规格书。 具有法律效力，需逐项核对，包括 符合合同要求，注意不要超标。 如超标，如某些设备的排量压头超过所需要求，而可以有所下降应力争调整。 字句应明确，不应含糊不清，如“按现行规范”、“需船东审批” 试航用的燃油品种应予以明确并经双方确认。 对液化气船，应明确载运液货的类别及同时载运的品种 对集装箱船，应明确抗横倾的要求及采用系统的型式和规格 对化学品船，应明确载运货品的清单及同时载运货品的品种数量，及货运泵型式。 厂商表的制定和确认 25个生产单位或厂商进行必要的询价，了解质量、价格、供货范围、售后服务等,上午7时58分,23,6.1 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),上午7时58分,24,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,这阶段的图纸需经船级社和船东两方面审查，审查是否符合现行国际公约、国际法规的技术要求；是否符合船东的技术要求，即技术规格书的要求。 各专业应协调，且分工明确,技术设计(详细设计),上午7时58分,25,6.1 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,上午7时58分,26,主要参考资料,商圣义. 民用船舶动力装置. 北京：人民交通出版社, 2001.8. ； 船舶设计实用手册轮机分册.中国船舶工业总公司. 北京：国防工业出版社，1999.10. ； 船舶设计实用手册船体分册.中国船舶工业总公司. 北京：国防工业出版社，1999.10. ； 轮机工程手册.人民交通出版社.1992.11 中国船级社钢质海船入级与建造规范人民交通出版社，2006 内河船舶设计手册编委会内河船舶设计手册人民交通出版社，1989 船舶原理(上下)盛振邦,刘应中.上海交通大学出版社,2003.9,上午7时58分,27,主推进系统设计,主机选型 计算船体阻力:泰洛法 （1） 其中，R0基本阻力；R附加阻力。 （2） 其中，Rf摩擦阻力；Rr剩余阻力 （3） 式中：Cf为光滑船体摩擦阻力系数； Cf为粗糙度补偿系数； S为船体湿面积 注:参考第176页,第178180给出Rf计算步骤 Rr的计算参考第276页,上午7时58分,28,主推进系统设计,主机选型 计算船体阻力: 爱尔法 参考第279285,285页给出计算步骤,上午7时58分,29,海军系数法估算主机功率的方法: 式中: - 排水量,t； ：排水体积 - 航速,kn； C - 海军系数，与船型有关。 若已知母型船的航速 、排水量 和功率 ，则有：,主推进系统设计,上午7时58分,30,主推进系统设计,机桨匹配设计,上午7时58分,31,匹配设计的两个阶段,初步匹配设计 已知船舶主尺度 船体的有效功率曲线Pe(V) 船舶要求的航速Vs 螺旋桨的直径D或转速n,机桨匹配且 桨效率0最大,确定螺旋桨的效率0 螺距比p/D 螺旋桨的最佳直径 需主机的功率，便于主机与传动设备的选型。,上午7时58分,32,匹配设计的两个阶段,终结匹配设计 主机的功率与转速 船舶的有效功率曲线 传动设备与轴系的传送效率s， 桨的收到功率Pd 船身效率h等,计算船舶所能达到的最大航速 螺旋桨的最佳要素(螺旋桨直径、螺距比及螺旋桨效率),上午7时58分,33,注意主机台数,机桨初步匹配计算（转速n给定）,上午7时58分,34,终结匹配设计,上午7时58分,35,上午7时58分,36,机桨初步匹配计算,上午7时58分,37,上午7时58分,38,桨的特性,上午7时58分,39,综合算例-王国强、盛振邦船舶推进p143p150 船舶原理,上午7时58分,40,上午7时58分,41,上午7时58分,42,据上表计 算结果可 绘制右图,还要进行 空泡校核 和强度校核,上午7时58分,43,主机额定功率为12000Hp，转速为115rpm 给定螺旋桨 ，设计工况取12000hp及118.5rpm，可达航速16.05kn。 D =5.75m，P/D=0.782，AU5-65 伴流分数 w =0.34 阻力减额分数 t =0.26 相对旋转效率 R=0.982 传送效率 s=0.98 海水密度 =101.6kgfS2/m4,25000吨散装货船校核曲线计算 （或称航行特性曲线）。,上午7时58分,44,上午7时58分,45,上午7时58分,46,上午7时58分,47,右图上半部分表示不同航行状态在不同转速可达的航速； 下半部分表示相应情况下所需的主机功率。,上午7时58分,48,AU 系列螺旋桨的回归多项式 (按不同叶片数进行回归),软件实现方法,上午7时58分,49,AU型螺旋桨各参数的关系,AU型桨可参看船舶 设计实用手册（总体分册第2章船舶推进。,式中：VAKN以kn计的进速；n单位，r/s。海水时c=1；淡水时c=1.013，PD以kW计。,上午7时58分,50,B 型螺旋桨回归多项式,程序实现,上午7时58分,51,B型桨可参看荷兰船模水池B系列螺旋桨新旧图谱的比较一文。,B 型螺旋桨各参数的关系,上午7时58分,52,AU桨在设计时采用的功率系数BP 和直径系数参数均为公制单位： N为螺旋桨转速（r/min）； PD为螺旋桨敞水收到马力（hp）； VA螺旋桨进速（kn）； D为螺旋桨直径（m）； 为海水密度，取104.51kgf.s2/m4。,AU 型螺旋桨各参数的关系,上午7时58分,53,B 型桨在设计时采用的功率系数BP 和直径系数参数均为公制单位： N为螺旋桨转速（r/min）； PD为螺旋桨敞水收到马力（UKhp）； VA螺旋桨进速（kn）； D为螺旋桨直径（ft）。,B 型螺旋桨各参数的关系,上午7时58分,54,上午7时58分,55,上午7时58分,56,机桨初步匹配计算（直径D给定）,错误方法一,搜索的是每一螺距比P/D下效率最大点中满足机桨匹配的桨及主机 。,上午7时58分,57,机桨初步匹配计算（直径D给定）,错误方法二,搜索的是每一进速J对应的最大效率点中满足机桨匹配的桨及主机 。,上午7时58分,58,机桨初步匹配计算（直径D给定）,正确的方法,搜索某一转速使机桨匹配且效率最大。,在一定转速范围内，令机桨功率匹配，求得各转速对应的桨的参数，从中找到效率最大点，该点对应桨及主机即为所求。,上午7时58分,59,机桨初步匹配计算（直径D给定）,搜索某一转速使机桨匹配且效率最大。,在一定转速范围内，令机桨功率匹配，求得各转速对应的桨的参数，从中找到效率最大点，该点对应桨及主机即为所求。,上午7时58分,60,上午7时58分,61,上午7时58分,62,机桨初步匹配计算（直径D给定）,上午7时58分,63,终结匹配设计,指已知主机功率 Pb、转速n和船舶有效功率曲线，确定所能达到的最高航速 VS、螺旋桨直径D、螺距比P/D和敞水效率0等；,对航速范围内每一航速，搜索各进速系数J中满足Kq相等且桨敞水效率0最大对应的J及0，求出该航速下船体有效功率，作出有效功率曲线，其与给定有效功率曲线的交点对应的桨即为所求。该算法误差的产生在于两个方面：（1）Kq相等的判断；（2）计算得到的有效功率曲线与给定有效功率曲线交点的判断。,方法一思路：,上午7时58分,64,终结匹配设计,对航速范围内每一航速，求出BP系数，然后对每一螺距比求满足使BP相等的J，从中找到效率最高时的螺距比及对应的J和0，求出该航速下船体有效功率，作出有效功率曲线，其与给定有效功率曲线的交点对应的桨即为所求。该算法误差的产生在于两个方面：（1）BP相等的判断；（2）计算得到的有效功率曲线与给定有效功率曲线交点的判断。,方法二思路：,上午7时58分,65,终结匹配设计,在一定航速范围内，令机桨功率匹配，求得各航速对应的最优桨的参数。必然存在某一航速，如大于该航速，则找不到机桨匹配点，则该点对应桨及航速即为所求。,方法三思路：,上午7时58分,66,终结匹配设计,算例比较： 王国强、盛振邦例子,上午7时58分,67,软件演示,上午7时58分,68,主机选型中考虑的问题,重量与尺寸 功率与转速 燃油与滑油 主机的造价、寿命及维修 振动与噪声 柴油机的热效率和燃油消耗率,上午7时58分,69,主机选型中考虑的问题,重量与尺寸 功率与转速,中速机的高度仅为低速机的40%，单位体积的 功率为低速机的3-4倍，单位功率的重量仅为 低速机的30%40%。总重量约为低速机装置的60%75%。,上午7时58分,70,主机选型中考虑的问题,主机的造价、寿命及维修 船舶产品的价值平均构成比例为: 造船30%、原材料20%、配套设备50% 船舶柴油机是船舶最主要的配套设备, 应用于船舶推进动力装置和船舶电站, 在船舶总成本中分别占10%15%和3% 5% 沪东重机股份公司、大连船用柴油机厂、 宜昌船舶柴油机厂, 2005年三家的产量分别 达到70 台/114 万马力、39台/60万马力和 18台/20万马力,某中速机价格,上午7时58分,71,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,3.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,上午7时58分,72,推进装置的形式,单机单桨刚性直接传动，定距螺旋桨，主机反转,单机单桨刚性直接传动，调距桨，主机不反转,单机单桨齿轮减速传动，定距螺旋桨，双转向齿轮箱，主机不反转,双机单桨齿轮减速传动，定距螺旋桨，主机反转,三机单桨齿轮减速传动，调距桨，主机不反转,上午7时58分,73,推进装置的形式,柴油机燃气轮机单桨齿轮减速联合传动，调距桨，主机不反转,燃气轮机燃气轮机单桨齿轮减速联合传动，调距桨，主机不反转,双机单桨电传动，定距螺旋桨，主机不反转,上午7时58分,74,主推进装置型式的确定,直接传动是主机直接通过轴系把功率传给螺旋桨的传动方式，在主机与轴系中无其它传动设备，在任何工况下，螺旋桨与主机具有相同的转速与转向。,柴油机,结构简单； 使用寿命长； 燃料费用低； 维修保养方便； 噪声低； 传动损失小； 推进效率高,重量与尺寸大；倒车必须利用可逆发动机，其机动性差；非设计工况下运转时经济性差；低速和微速航行受到柴油机最低稳定转速的限制,上午7时58分,75,间接传动是通过传动设备（机械的、电动的或液动的），使主机与轴系连接在一起的一种传动方式。,重量与尺寸小； 主机的转速不受螺旋桨要求的转速限制； 轴系布置方便； 带倒顺离合器时可选用不可逆转的主机； 有利于多机并车、单机分车与轴带发电机布置。,结构复杂； 传动损失大； 效率低,主机,减速齿轮箱,上午7时58分,76,可调螺距螺旋桨（调距桨）装置,在部分负荷下能有较好的经济性； 能适应船舶阻力的变化，充分利用主机的性能； 主机或减速齿轮箱不必设换向装置，使其结构简化； 可提高船舶的机动性和操纵性； 有利于驱动辅助负载。,机构比较复杂，整个装置制造、安装及维修保养困难，造价高； 桨毂尺寸较大，在设计工况下效率比定距桨低,上午7时58分,77,360度回转舵桨装置 (Z推),上午7时58分,78,主推进系统设计,轴系的设计计算,1）基本轴径的计算-钢规 2）轴系长度计算 3）轴系的布置 4）轴系结构确定 5）轴承的负荷计算 6）轴系主要零件的强度计算 7）尾轴、尾轴承设计计算 8）可拆联轴器设计计算 9）中间轴、尾轴静强度校核计算,上午7时58分,79,1）轴系材料（一般选用35#钢，参考轮机设计手册p142及P146页表3.3.4.1） 2）轴径确定 （见课本P50-52和规范） 中间轴直径计算： 螺旋桨轴直径计算,主推进系统设计,设计流程,上午7时58分,80,主推进系统设计,设计流程,3）确定轴系长度 确定轴系基本长度（见课本P35，主机或齿轮箱输出法兰中心至螺旋桨桨豰） 确定螺旋桨轴长度（见课本P42-44） 确定中间轴长度（见课本P36-37） 确定轴的实际长度；,上午7时58分,81,主推进系统设计,设计流程,4）螺旋桨轴、轴承及尾管装置设计 确定尾轴承间距（见课本P38） 确定螺旋桨轴结构及安装型式（船后、船内） 选定尾轴承 选定密封装置 设计尾管装置,螺旋桨轴长度 由船体结构确定前后轴承的大致位置 考虑密封的尺寸，确定后轴承与桨锥体之间的长度 对前后轴承进行选型，或设计前后轴承，确定其长度； 轴颈长度取比相应轴承略大即可 确定锥体部分的尺寸；,上午7时58分,82,主推进系统设计,设计流程,4）螺旋桨轴、轴承及尾管装置设-选定密封装置,上午7时58分,83,主推进系统设计,设计流程,4）螺旋桨轴、轴承及尾管装置设-选定尾管轴承 如设计可参考轮机工程手册 下册260页,上午7时58分,84,尾端结构,锥体部分的长度L=（1.6-3.3)dtz 锥度K一般取:1:15/1:12等 小端直径： 大端直径： 尾螺纹直径与长度： 键和键槽：,h为键槽深度;,515mm,上午7时58分,85,主推进系统设计,设计流程,4）螺旋桨轴、轴承及尾管装置设计 螺旋桨轴静强度校核 画螺旋桨轴简图（参考指导书） 画尾管装置总图 参考资料: 轮机工程手册（下册）“3.2 传动轴的结构” 设计手册轮机分册“3.2.6螺旋桨轴尾锥部尺寸”,上午7时58分,86,主推进系统设计,设计流程,5）中间轴及中间轴承设计 中间轴设计 确定中间轴承位置（结构加强部位） 选定中间轴承（参看产品说明书） 中间轴静强度校核(见设计指导书附录2) 画中间轴结构简图,中间轴的法兰厚度: b1=0.2d1,上午7时58分,87,主推进系统设计,设计流程,5）中间轴及中间轴承设计 中间轴直径系列（轮机工程手册下册326页）,上午7时58分,88,主推进系统设计,设计流程,6）可拆联轴器设计与选型 参考轮机工程手册下册418页,上午7时58分,89,主推进系统设计,设计流程,7) 联轴器螺栓校核计算 参考规范或设计手册轮机分册136页3.2.4连接螺栓,式中：Ne -轴传递的额定功率,如Ne=1470 kW ne-轴传递Ne时的转速, 如ne=223r/min Z - 紧配螺栓数目,如Z=8 b - 螺栓材料的抗拉强度,如b=549 MPa D - 节圆直径,如D=495mm,上午7时58分,90,主推进系统设计,设计流程,8) 轴承的负荷计算 按设计指导书附录3计算表格计算,上午7时58分,91,主推进系统设计,设计要求,设计说明书内容应完备： 包括桨轴、艉轴尺寸，轴承尺寸，联轴器尺寸，密封尺寸，及各项设计依据，并画出简图，总之，后面艉轴装配图中各项尺寸应在说明书中能查到来由。书写应工整。 图纸应与说明书一致，应按比例画，线型（实线、点画线、虚线）、粗线应区别，标注规范。 参考GB4458T-4-2003机械制图 尺寸注法 标题栏应规范。 轴系布置图重点：肋位线准确，一般10#之前600，之后700。轴系长度准确 装配图应弄懂图中各项尺寸来由，并画准确。,上午7时58分,92,6.1 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（舱底、压载、消防、供水、通风)的设计 注:参考商圣义.及 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,上午7时58分,93,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,4.滑油系统设计的步骤 1.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,上午7时58分,94,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,2.计算流过系统及其各段的流量。 3.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 4.作系统的液力计算及确定管路各段的直径。,5.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,上午7时58分,95,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,6.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,上午7时58分,96,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.船舶电站 电站是发电设备的总称, 是由原动机、发电机和主配电装置组成 。 1.1.1 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,上午7时58分,97,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.船舶电站 1.1.2 分类 按照原动机的类型：柴油机、蒸汽轮机和燃气轮机三种 根据电流的种类，舰船电站可分为直流和交流两种。 按照电站的用途，可分为主电站（正常工况供电用）和应急电站（主电站发生故障时投入应急供电用）。 主电站中有主发电机和主配电板（或称总配电板），应急电站中有应急发电机和应急配电板或应急蓄电池和充放电板。 为了充分利用主机功率，提高经济性，某些船（尤其是小船、渔轮）采用了主机轴带发电机（称主轴发电机或悬挂式发电机）供电的电站，当主轴转速较低或船停泊时由备用电源供电。,上午7时58分,98,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.船舶电站 1.1.3舰船电站与陆地上电站相比有以下特点 （1）容量小。一般万吨船为150kW200kW左右，而某些大电动机容量与电站容量可相比拟，因此相互影响大（电动机起动电流引起的电网电压降落大，发电机组的转速和频率波动较大）。 （2）工作环境比陆地恶劣，影响设备工作的可靠性、正确性和寿命。环境温度较高：在赤道附近，机舱温度高达50以上。相对湿度大：有时高达95%100%。存在盐雾、霉菌、油雾，使导电金属受到腐蚀，并使绝缘材料性能降低。设备运转和风浪引起的舰船摇摆（横摇22.5）、倾斜（横倾1522.5，纵倾10）、振动和冲击大，影响电气设备动作的可靠性和正确性。由于舰船舱室面积小，空间狭窄，故电气设备之间有较大的电磁干扰。 （3）舰船电站的发电设备与用电设备之间的距离很短，因此在计算电网压降时，往往可以忽略电缆的电抗。,上午7时58分,99,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.2 发电方案的选择 1.2.1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）在一般情况下，希望不要采用两台或多台发电机组并联运行来起动大功率负载的做法，这样会给舰船的操作带来不便。 3)在技术上符合规范的规定。 4）电站系统的各个环节都应配备适当的保护措施。选用的断路器必须有足够的断流能力。保护设计应能将故障的影响限制在最小的范围之内。 5）电站接岸电应注意安全和防火的要求。舰船电网一般不考虑与岸电长期并联运行。,上午7时58分,100,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.2 发电方案的选择 1.2.1发电方案的选择应满足的基本要求 6) 应注意电力设备布置的合理性和船厂建造、安装的方便性。 发电机组及主配电板等大型设备必须考虑其吊装的通道以及日后拆装修理的可能性。 电力设备的监视操作面应留充足的操作空间；需开启的面板应能自由打开；需检修的侧面应有通道。不在舰船建造封舱前安装或不准备专门开可拆板安装的设备，其外形尺寸应限制在能通过舰船舱口或舱门的范围内。同一电站的主配电板和发电机组应该相对集中，以缩短它们之间的连接电缆，并便于电站的监视和控制。,上午7时58分,101,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.2基本参数（电流种类、额定电压、额定频率和线制。 ） 目前设计制造的舰船电力系统常用的电压等级是：50 Hz，电网为380V；60 Hz电网为440V。我国舰船规范规定：一般交流电网采用50 Hz，380V；固定安装的电气设备采用380V或220V；可携电气设备选用24V。 钢规规定：交流配电系统的标准频率为50 Hz或60 Hz。新设计制造的舰船除出口船舶采用60 Hz的频率外，国内船舶电源与陆用电源一律采用50 Hz为标准频率。无线电导航等弱电设备要求的特殊频率，通常由变频器或变频机组提供。,上午7时58分,102,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,舰船在航行状态下所需的电力负荷包括主机辅助设备、导航设备、舵机、通分机、机修设备等。这类负荷的大小常和推进主机的功率有关，它们在运行过程中变化是不大的。 当舰船处于停泊状态时，各种装备（包括甲板机械、起货装置和日常生活设备等）工作所需的电力负荷，除了靠岸停泊需要开动起动起货机装卸货外，这类负荷通常是比较低的。靠岸停泊时，应尽可能又岸上电源来提供电力，以节省舰船上发电机组的工作时间。 舰船日常生活所需的电力负荷，包括照明、烹调、空调、冷藏、通风设备等。这类负荷与舰船的性质和季节、气候有密切的关系,1.2.2. 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,上午7时58分,103,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.2.3.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。,上午7时58分,104,6.1 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.连续使用的负载； 2.短时或重复短时使用的负载； 3.偶然短时使用或可以在用电高峰时间以外使用的负载。,上午7时58分,105,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,万吨级柴油机远洋货船的电气设备分类,上午7时58分,106,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,三类负荷法计算步骤说明 电动机利用系数K1 由于系列产品中电动机的输出额定功率不一定恰好和机械轴上所需的额定功率相符，有时为了保证起动力矩和短时发出最大力矩，电动机的额定功率往往选得较大，因此电动机未能充分利用，而它长期需要电网供给的最大功率也小于额定需要功率。这一点在负荷表中用电动机利用系数来反映。 K1=P2/P1 式中 P2机械轴上额定功率； P1电动机额定功率。 机械负荷系数K2 在某一运行状态时，机械并不一定满负荷，可用机械负荷系数K2来反映它的影响。 K2=P3/P2 式中 P3某状态下机械轴上实际需要功率； P2机械轴上额定功率。,上午7时58分,107,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,三类负荷法计算步骤说明 电动机利用系数K1 K1=P2/P1 式中 P2机械轴上额定功率； P1电动机额定功率。 机械负荷系数K2 K2=P3/P2 式中 P3某状态下机械轴上实际需要功率； P2机械轴上额定功率。 电动机负荷系数K3 K3=K1K2 同时使用系数K0 K0=n/m 式中 n该组同时工作的用电设备数目； m该组用电设备的总数。,上午7时58分,108,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,三类负荷法计算步骤说明 电动机利用系数K1 由于系列产品中电动机的输出额定功率不一定恰好和机械轴上所需的额定功率相符，有时为了保证起动力矩和短时发出最大力矩，电动机的额定功率往往选得较大，因此电动机未能充分利用，而它长期需要电网供给的最大功率也小于额定需要功率。这一点在负荷表中用电动机利用系数来反映。 机械负荷系数K2 在某一运行状态时，机械并不一定满负荷，可用机械负荷系数K2来反映它的影响。 电动机负荷系数K3 同时使用系数K0 以舵机电动机为例，一般舵机安装两台电动机。在航行状态时，只用一台电动机拖动，另一台作为备用，这时K0=0.5。第、类负荷总同时使用系数的取值范围为 K0=0.81.0 K0=0.31.0,上午7时58分,109,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,表 机械负荷系数K2的变化范围,上午7时58分,110,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,表 异步电动机的功率因数,上午7时58分,111,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,三类负荷法计算步骤 （1）向轮机和舾装等专业收集全船用电设备的原始数据。它们包括：各项负荷的名称、用途、同类负荷的数量。负荷的额定数据，即机械轴上额定功率。机械轴上所配电动机的额定数据，包括电动机的额定功率、额定转速、额定效率、额定功率因素。电动机的额定数据可由配套产品目录中查得，或按给出的机械轴上额定功率和额定转速，从产品目录中选取相应的电动机。 （2）将全船负荷按使用情况分为三类（连续、短时、偶然使用）。 （3）根据舰船类型及用途选定计算工态，将全船用电设备按用途或系统分类并填入计算表中。 （4）确定系数K1、K2、K3和K0。,上午7时58分,112,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,三类负荷法计算步骤 （5）计算各电动机和用电设备的额定所需功率P4、额定所需总功率P5每一运行状态下实际所需有功功率P、所需无功功率Q。 （6）计算每一运行状态下各类负荷所需的总功率P、P、P、Q和Q。 所需无功功率 对于交流用电设备，需要考虑到功率因素cos，尚需计算所需无功功率 Q=Ptan （VAR） 式中 用电设备的实际功率因数角，由实际负荷的cos求得。cos可根据电动机的额定功率、额定转速和负荷程度由表中查得 总有功功率 P=（K0PK0P）1.05 总无功功率 Q=（K0QK0Q）1.05 在某运行状态下负荷的平均功率因数cos可用下法求得，即 tan= Q/ P =tan1 （Q/ P）,上午7时58分,113,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,三类负荷法计算步骤 （7）考虑总同时使用系数K0和K0，并计算电网损耗5%，计算各运行状态下负荷所需总功率P。 （8）根据上述计算结果选择发电机组的单机功率和数量，并核算各状态下发电机负荷百分率。一般，发电机应有10%20%的储备功率。最后用可能短时需要的最大负荷Pmax校验发电机的过载能力是否满足。,总有功功率 P=（K0PK0P）1.05 总无功功率 Q=（K0QK0Q）1.05 在某运行状态下负荷的平均功率因数cos可用下法求得，即 tan= Q/ P =tan1 （Q/ P） 参考：王焕文。舰船电力系统及自动装置。北京：科学出版社，2004,上午7时58分,114,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.2.4.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。,1.2.5.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,上午7时58分,115,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,1.2.5.机组形式 发电机主要型式,a)为提高寿命，减少维修量，一般选用中速机，以能燃用劣质燃油 b)但如机舱长度受限制，选用高速机，只能燃用柴油,上午7时58分,116,6.1 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 4)辅助柴油发电机组的合理化,上午7时58分,117,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,2)轴带发电机 轴带发电机的型式 1)变螺距螺旋桨（CPP）船舶的轴带发电机 可以采用一般的船用交流发电机组。但是在轴带发电机和主轴之间需采用中间传动机构，以提高轴带发电机的转速，使发电机体积不致太大 2)定螺距螺旋桨（FPP）船舶的轴带发电机 为使轴带发电机的频率稳定在允许的范围内就必须配备自动调节装置。当前，经常采用的是转速补偿装置和频率补偿装置,上午7时58分,118,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,上午7时58分,119,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,转速补偿装置 是将轴带发电机发出的频率可变的交流电，经可控硅整流后向直流电动机供电，由直流电动机拖动另一台三相交流同步发电机发电，经自动电压调节器调节后，向电网提供电压、频率恒定的交流电。控制系统根据三相同步发电机的转速与给定转速的偏差来调节可控硅整流装置的控制角，从而调节直流电动机的输入电压，保证其转速的恒定。 频率补偿装置 在现代船舶上应用最为广泛。轴带发电机的有效转速范围可根据船舶运行控制的具体情况进行设定。变频器中设有三相逆变器，通过调节轴带发电机的励磁来实现调频。若主机负载增加和转速下降致使电网频率过低，则发电机的励磁增加，从而能在恒定电压下输出更大的有功电流。向电网输出的有功功率的增加会使频率上升，直至功率输出和消耗平衡，该平衡点取决于系统整定值；相反，若电网频率过高，励磁下降，发电机在恒定电压下输出的有功电流减少，电网频率亦会随之下降,上午7时58分,120,6.1 船舶动力装置设计的内容与程序,轴带发电机运行中存在的问题 船舶在进出港口和靠离码头时，一般都不使用轴带发电机，而是使用辅助柴油机。 在选用轴带发电机组时，一般不考虑连续并联运行的要求。于是，船舶在航行中需临时停车，或在进出港时，须考虑与辅助柴油发电机组进行带电转换。带电转换必须在主机额定转速的60110的范围内方可进行。主机在紧急停车和紧急倒车时，可以采用两种转换方法：一种是主机转速降到60以下，采用失电转换；另一种是主机转速维持在额定转速60，带电转换后再急剧降低主机转速。若来不及带电转换就要求主机停车，此时只能使用应急电源。,上午7时58分,121,1.3 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,上午7时58分,122,2.辅锅炉 2.1 一般干货船(散货船、杂货船