轮机概论.ppt

第一章船舶动力装置概述 楼海军 第一节船舶动力装置的组成和类型 一 船舶动力装置的概念 装置 乃是为了达到某一目的所设置的所有机器 设备及系统的总称 以具有某种特定的功能为特征 船舶动力装置 这一术语已应用了几十年 但一直没有明确而统一的定义 实际上它是和 轮机 这一术语紧密联系在一起的 在1807年 世界上第一艘用蒸汽机驱动推进器的 克莱蒙特 号轮 开创了船舶以动力机械推进的新纪元 当时蒸汽机带动一个桨轮推进器 这种推进器的大部分露在水面 人们称之为 明轮 把装有明轮的船称为 轮船 而把产生蒸汽的锅炉和驱动明轮转动的蒸汽机等成套设备称为 轮机 当时的 轮机 仅仅是推进设备的简称 但随着科学技术的发展和进步 不仅船舶推进设备更加复杂和完善 而且为了适应船舶营运 人员生活和安全等方面的需要 还增设了诸如船舶电站 起货机械 饮水 供汽 压载 舱底 消防等系统 大大丰富了轮机的内容 并且至今还在不断扩大与完善中 因此 轮机 是个内容相当广泛的技术范畴 船舶动力装置 的基本含义和 轮机 相同 是为了满足船舶航行 各种作业 人员的生活和安全需要所设置的全部机械 设备和系统的总称 它的任务是多方面的 但主要任务可概括为 为船舶提供各种形式的能量 机械能 电能 热能 并转换和利用这些能量 二 船舶动力装置的组成 根据组成船舶动力装置的各种机械 设备和系统所起作用的不同 将整个动力装置分为以下几个部分 1 推进装置 推进装置也称主动力装置 是船舶动力装置中最主要的部分 它包括主机 传动设备 轴系和推进器 主机发出动力 通过传动设备及轴系驱动推进器产生推力 使船舶克服阻力以某一航速航行 2 辅助装置 是产生除推进装置所需能量以外的其它各种能量的装置 其中包括船舶电站 辅助锅炉装置和压缩空气系统 它们分别产生电能 蒸汽和压缩空气供全船使用 3 管路系统 简称管系 用以输送流体 是由各种容器 管路 泵 滤器 热交换器等组成 按用途不同可分为两类 1 动力系统 指为主机和发电副机安全运转服务的管系 用来输送燃油 润滑油 海水 淡水 蒸汽和压缩空气 它包括燃油系统 滑油系统 冷却系统 蒸汽系统和压缩空气系统等 2 辅助系统 指为船舶航行 人员生活和安全服务的系统 有时也称为船舶系统 它包括压载 舱底水 通风 饮水 空调和消防系统等 4 甲板机械 指为保证船舶航行 停泊及装卸货物需要所设置的机械设备 如舵机 锚机 起货机等 5 自动化设备 指为改善船员工作条件 提高装置工作效率和操作的准确性 以及减少维护工作所设置的设备 主要由对主 副机及其它机械设备进行遥控 自动调节 监视和报警的设备组成 三 船舶动力装置的类型 以推进装置的类型进行分类 1 蒸汽动力装置 在蒸汽动力装置中 有往复式蒸汽机和汽轮机两种 1 往复式蒸汽机最早应用于海船 由于它具有结构简单 运转可靠 管理方便等优点 在过去很长的一段时期内占据着统治地位 但由于其经济性差 尺寸重量大 不能适应机组功率增长的需要 现在已经被其他船用发动机所代替 2 回转式汽轮机自从十九世纪末问世并装船使用以来 由于受到柴油机的挑战 一直发展比较缓慢 这种发动机运转平稳 摩擦 磨损较少 振动 噪声较轻 但热效率低 要配置重量 尺寸较大的锅炉 冷凝器 减速齿轮装置以及其它辅助机械 因此装置的总重量和尺寸均较大 这就限制了它在中小船舶中的应用 不少资料表明 在功率超过22000kw 30000hp 和船速超过20kn时 汽轮机动力装置比柴油机动力装置更为优越 2 燃气动力装置 1 柴油机动力装置 柴油机不仅是热效率最高的一种热机 而且还具有起动迅速 安全可靠 装置的重量较轻 功率范围大 从几kw至数万kw 等一系列优点 因此船舶主机及发电副机现在多用这种发动机 在中 大型民用船舶上所使用的柴油机有大型低速和大功率中速两大类 这两种柴油机在激烈竞争的同时又互相促进 都在迅速的发展着 大型低速柴油机动力装置自60年代起发展的特别迅速 一方面是由于当时船舶向大型化 高速化发展 需要大功率的发动机 另一方面由于废气涡轮增压技术的进步 可燃用更低质燃料 降低了比油耗 为大型低速机发展提供了可能 70年代两次能源危机的冲击和相继出现的航运事业不景气 从节能需要出发 船舶已不再向大型化和高速化方向发展 除专业化船舶外 一般货船的航速降至14kn左右 为了适应这种形势 大型低速柴油机的尺度不但不再增加 而且缸径也都回到1000mm以内 并出现了缸径只有260mm的低速机 如s26mc mce 从70年代末至今围绕着节能这一中心 大型低速柴油机的结构差不多年年都在改进 大体每隔两年就推出一种新机型 可以认为 降低耗油率提高经济性 仍然是今后发展的方向之一 大功率中速柴油机动力装置的重量和尺寸较小 可燃用重质燃料 是低速机的有力竞争者 在中速机装置中 可通过合理选配减速比 使螺旋桨的转速最佳化 从而显著提高推进装置效率 单缸功率的提高和单机功率的扩大 以及可用多台 2 4台 发动机通过减速器驱动一个螺旋桨的可能性 都给中速机的发展创造了有利的条件 特别是在机舱尺寸要求严格的滚装船 集装箱船和客船上 中速机的应用就更为广泛 目前中速机的耗油率虽然有明显下降 但仍然略高于低速机 运转中噪声也比较大 预计中速机今后还会有进一步发展 2 燃气轮机动力装置 本世纪30年代燃气轮机制造业开始兴盛起来 第一批作为商船主机的是在50年代 它的优点是单位重量和尺寸小 机动性高 操纵管理简便 便于实现自动化 但它的经济性差 进排气管道大 机舱布置困难 不能直接倒车 装置较复杂 叶片及燃气发生器均在高温高压状态下工作 寿命较短 由于以上原因 这种动力装置在商船上应用较少 3 核动力装置 核动力装置的优点是所用燃料的重量极轻 大大增加船舶续航力 同时核燃料燃烧不用空气助燃 不用设进排气系统 但由于造价高 核分裂反应释放出大量放射性物质要严加防护 操纵管理检查系统复杂 因此在商船上应用甚少 随着液体燃料资源的日趋枯竭 核动力装置的竞争能力有可能加强 第二节对船舶动力装置的要求 一 可靠性 船舶动力装置的好坏 首先取决于它在各种营运条件下 能否可靠地和不间断地进行工作 因此 对任何船舶动力装置首先提出的要求就是工作可靠性要高 二 经济性 民用船舶在满足可靠性的前提下 要求尽量提高其经济性 对于船舶动力装置的经济性不能只从主机耗油率一项指标去衡量 还要考虑造船初投资费 燃润油价格 管理维修费 折旧费 船员工资 保险和港口各项费用 所以对动力装置的经济性要全面考虑 综合分析 三 机动性 船舶机动性是安全航行的重要保证 船舶起航 变速 倒航和回转的性能是船舶机动性的主要体现 而船舶的机动性取决于动力装置的机动性 后者可由以下几项指标体现 1 发动机由起动至达到全功率所需的时间 这段时间的长短主要取决于发动机的型式 低速柴油机需30分钟以上 影响发动机加速时间长短的因素是它的运动部件的质量惯性和受热部件的热惯性 而后者更为重要 在这方面中速柴油机优于低速柴油机 2 螺旋桨换向所需的时间和可能的换向次数 螺旋桨换向所需的时间通常是指由发出换向指令起到螺旋桨开始反方向回转的时间 柴油机的起动换向性能较好 在机动航行时一般十几秒内就可完成换向过程 但在船速较快且不进行紧急刹车时 换向时间则大为延长 换向次数取决于空气瓶的容积和发动机的起动性能 换向时间和换向次数 以电力传动和调距桨装置最佳 3 船舶由前进变为倒航所需的时间 或滑行的距离 由于船舶惯性大 船舶由前进变为后退所需的时间 总是大于发动机或螺旋桨换向所需要的时间 船舶开始倒航前滑行的距离主要取决于船舶的初速 排水量 装置的换向性能和倒车功率 滑行距离不能太大 一般要求货船不能大于船体长度的6倍 而客船不得超过4倍 4 发动机的最低稳定转速及转速限制区域 低速柴油机的最低稳定转速一般不高于标定转速的30 中速机不高于40 高速机不高于45 它主要取决于喷油设备的结构和制造质量 在使用转速范围内如存在引起船体或轴系共振的临界转速 则规定为转速禁区 最低稳定转速越低 在使用的转速范围内共振区越少 越窄 则动力装置的机动性能就越好 四 续航力 是指船舶不需要补充任何物资 燃油 滑油 淡水等 所能航行的最大距离或最长时间 续航力是根据船舶的用途和航区确定的 续航力不但和动力装置的经济性 物资储备量有关 也和船舶航速有很大关系 除以上要求外 还要求便于维护管理 有一定的自动化程度 并满足造船和验船规范 第二章船舶柴油机动力装置 楼海军 柴油机是内燃机中的一种 而内燃机又是热机的一种 所谓热机是指把热能转换成机械能的动力机械 柴油机 汽油机 蒸汽轮机 燃气轮机以及蒸汽机是热机中较典型的机型 其中 蒸汽机与蒸汽轮机同属外燃机 汽油机 柴油机 燃气轮机同属内燃机 柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机 它使用柴油或劣质油做燃料 在汽缸内与空气混合形成可燃混合气 缸内燃烧采用压燃式发火 第一节柴油机的基本结构 1 柴油机是以燃油作为燃料的往复式内燃机 在柴油机中 燃油的燃烧是在机器的燃烧室内进行 并把燃料燃烧所产生的热能转变为机械功 气缸体 气缸盖和活塞等三个部件组成密闭的燃烧室 柴油机是一种往复式机械 活塞在缸内作往复运动 由于工作机械 螺旋桨 发电机 等通常是以旋转的方式工作的 这就需要将活塞的往复运动变为输出轴的旋转运动 把活塞从工质得来的动力传递出去 该任务是由活塞 连杆和曲轴组成的传递动力组件来完成的 2 辅助装置和系统 1 起动装置的作用是把柴油机从静止状态转动到足够的转速 使汽缸内的空气压缩后温度升高到足以使柴油机发火燃烧 机器开始正常运转 2 燃油系统则定时定量地将符合燃烧要求的油供入气缸 3 为了使废气排净 使新鲜空气进足 由配气机构定时地开关气阀 4 为了使柴油机持久而可靠地工作 还需要有润滑系统把滑油供应到各个磨擦面进行润滑 并由冷却系统来降低机件和滑油的温度 5 为了提高运转的准确性和可靠性以及操纵的灵活性 一般柴油机还安装有调速器以及各种安全装置并有专门的操纵机构 换向机构等 3 常用术语 1 活塞在气缸中运动的最上端位置 也就是活塞离曲轴中心线最远的位置 称之为上止点 2 活塞在汽缸中运动的最下端位置 也就是活塞离曲轴中心线最近的位置 称之为下止点 3 活塞从上止点移到下止点的距离称之为行程 它等于曲轴曲柄半径的两倍 4 活塞移动一个行程 相当于曲轴转动180 曲轴转角 第二节柴油机的工作原理 1 柴油机的基本工作原理 采用压缩式发火使燃料在汽缸内燃烧 以高温高压的燃气工质在汽缸中膨胀推动活塞作往复运动 再通过活塞一连杆曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动 从而带动机械工作 2 柴油机的工作循环 根据柴油机的工作特点 燃油在柴油机汽缸中燃烧必须通过进气 压缩 燃烧 膨胀和排气五个过程的全部热力循环过程称为柴油机工作过程 3 二冲程或四冲程柴油机 在柴油机中可用活塞的两个行程或四个行程来完成柴油机的一个工作循环 相应称为二冲程或四冲程柴油机 一 四冲程柴油机的工作原理 图2 2中的4个简图分别表示柴油机工作循环五个过程进行的情况以及活塞 曲轴 气阀等部件的有关动作位置 第一行程 进气行程 活塞从上止点下行 进气阀被打开 由于汽缸容积不断增大 缸内压力下降 依靠大气与缸内的压差 新鲜空气经气阀被吸入汽缸 进气阀一般在活塞到达上止点前提前打开 下止点后延迟关闭 该进气持续角用曲轴转角表示约为220 250 第二行程 压缩行程 活塞从下止点向上运动 自进气阀关闭开始压缩 一直到活塞到达上止点为止 第一行程吸入的新鲜空气经压缩后压力增高到3 6mpa 温度升至600 700 在压缩过程的后期由喷油器喷入气缸内的燃油与高温空气混合 加热 并自行发火燃烧 过程约持续140 160 曲轴转角 第三行程 燃烧和膨胀行程 活塞在上止点附近由于燃油猛烈燃烧 使缸内压力和温度急剧升高 压力约达5 8mpa 甚至15mpa以上 温度约为1400 1800 或更高 高温高压的燃气膨胀推动活塞下行做功 由于气缸容积增大 压力下降 在上止点后某一时刻燃烧基本完成 膨胀过程一直到排气阀开启时结束 膨胀终了时的缸内压力约为250 450kpa 气体温度约为600 700 该过程约持续120 140 曲轴转角 第四行程 排气行程 在上一行程末气阀开启时 活塞尚在下行 废气靠汽缸内外压差经排气阀排出 当活塞由下止点上行时 废气被活塞推出汽缸 此时的排气过程是在略高于大气压力 约1 05 1 1atm 且在压力基本不变的情况下进行的 排气阀一直延迟到上止点后才关闭 该过程约持续230 260 曲轴转角 进行了以上四个行程 柴油机就完成一个工作循环 当活塞继续运动时 又一个新的工作循环又按同样的顺序重复进行 四冲程柴油机每完成一个工作循环 曲柄回转两转 每工作循环中只有第三行程是做功的 其它行程都为第三行程服务 都需要外界供给能量 柴油机常做成多缸 这样进气 压缩 排气行程的能量可由正在做功的气缸供给 如果是单缸柴油机 那就由较大的飞轮供给 四冲程柴油机的进 排气阀启闭时刻是在上 下止点的前后某一时刻 其开启角都大于180 曲柄转角 进 排气阀的启闭时刻称为气阀正时 通常气阀正时均以上 下止点前后的曲柄转角表示 分别称为进 排 气阀提前 滞后角 用曲柄转角表示气阀正时的圆图称为气阀正时圆图 气阀提前开启与延后关闭目的 是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量 以利于燃油的燃烧 并可减少排气耗功 在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着 这段重叠着的曲柄转角称为进 排气阀重叠角 亦称气阀重叠角 在气阀叠开期间 利用废气的流动惯性 除可避免废气倒冲入进气管外 尚可抽吸新鲜空气进入气缸 并利用压力差在将新气吸入气缸的同时将燃烧室内的废气扫出汽缸 实现所谓的燃烧室扫气 二 二冲程柴油机的工作原理 用活塞的两个行程来完成一个工作循环的柴油机称为二冲程柴油机 在二冲程柴油机中 没有单独的进气与排气过程 其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后120 150 内同时进行 因此在结构上 二冲程必须采用气缸下部扫气口一排气口 或气缸下部扫气口一气缸盖上排气阀的换气机构 而且必须设置一个专门的扫气泵以提高进气压力 使进气能从扫气口进入汽缸并将废气清扫出汽缸 图为一种二冲程柴油机的工作原理图 该柴油机使用特设的罗茨式扫气泵 采用扫气口一排气口方式换气 扫气泵设在柴油机的一侧 其转子由柴油机带动 空气从泵的吸口吸入 经压缩后储存在较大容积的扫气箱d中并保持一定压力 在柴油机膨胀行程中 柴油机活塞下行 先将排气口打开 缸内废气经排气口进入到排气管g中 当气缸内压力降低到扫气压力时 活塞下行将扫气口打开 扫气空气由扫气箱d经扫气口e进入气缸同时将废气排出气缸 于是进气与排气同时进行 一直到下止点 点0 并转而上行把扫气口关闭为止 扫气结束 活塞继续上行把排气口关闭 至此 换气过程全部结束 而开始进行压缩 燃烧和膨胀过程 这两个过程与四冲程机基本相同 通常 二冲程柴油机的燃烧和膨胀行程约占90 120 曲轴转角 换气过程约占120 150 曲轴转角 压缩行程约占120 曲轴转角 二冲程机与四冲程机比较 在相同的工作条件下 其功率约为四冲程机的1 6 1 7倍 而且其回转也比四冲程机均匀 但二冲程机的换气质量比四冲程机差 第三节柴油机的换气与增压 一 柴油机的换气 柴油机每完成一个工作循环都必须把废气排出气缸 并把新鲜空气吸入气缸 从排气过程 扫气过程到进气过程结束的整个气体交换过程称为换气过程 换气过程的质量将影响柴油机的功率 经济性 可靠性以及排气污染 是柴油机工作优劣的先决条件 1 换气过程 由于四冲程柴油机进排气过程是分别在两个过程中完成的 新气与废气互不掺混 因而其换气质量较高 而二冲程机换气时间短 换气与排气同时进行 新气与废气掺混 换气质量差 缸内新气少 残留废气多 所以二冲程机对换气型式要求较高 二冲程机常见的换气形式一般为 1 简单横流扫气 如图2 6 a 进气口位于汽缸中心线的两侧 空气从进气口一侧沿汽缸中心线向上 然后在靠近燃烧室部位回转到排气口一侧 再沿汽缸中心线向下把废气从排气口清扫出汽缸 2 回流式扫气 如图2 6 b 所示 进排气口在气缸下部同一侧且进气口在排气口的上方 进气沿活塞顶面向对侧的缸壁流动 到气缸盖再转向下流动 把废气从排气口清扫出气缸 在船用大型柴油机中 man kz型柴油机为回流式扫气 3 半回流扫气 如图2 6 c 进气口布置在排气口的下方及两侧 气流在缸内的流动特征兼有横流与回流的特点 某些早期的半回流扫气形式 在排气管中装有回流控制阀 在船用大型柴油机中sulzerrd rnd rla rlb等型柴油机均为半回流扫气形式 4 直流扫气 如图2 6 d 气缸下部均布一圈进气口 在气缸口有一圈排气阀 1 6个 空气从气缸下部进气口进入气缸 沿气缸中心线上行驱赶废气从气缸盖上的排气阀排出气缸 该扫气型式使空气与废气不易掺混 扫气效果较好 同时排气阀的启闭由排气凸轮控制 不受活塞运动的限制 所以排气阀可以与进气阀同时关闭 在船用柴油机中b w uec等机型是传统的排气阀 扫气口直流扫气式柴油机 现代船用超长行程柴油机man b wmc mce sulzerrta机型也是排气阀 扫气口直流扫气式柴油机 2 换气机构 保证柴油机按规定顺序和时刻完成进 排气过程的机构称配气机构 通常是由气阀机构 气阀传动机构 凸轮轴和凸轮轴传动机构组成的 二冲程气口换气的柴油机不需用专门的换气机构 而四冲程柴油机和二冲程气口一气阀式直流扫气柴油机则是通过专门的换气机构来完成的 它是这类型柴油机的重要组成部分 四冲程柴油机曲轴转两转气阀应开关一次 即要求凸轮轴转一转 因此 齿轮传动要使曲轴与凸轮轴之间的转速比为2 1 为保证曲轴与凸轮轴之间的 正时 关系 防止相对位置装错 在传动齿轮上打有互相啮合的装配记号 大型低速二冲程柴油机因曲轴在凸轮轴之间的距离较远 转速低 多采用链条传动 二 柴油机的增压 随着生产的发展 一方面要求柴油机的功率适应增加的负荷的要求 另一方面又要把柴油机的重量和尺度限制在一定范围内 为此就要求在单缸容积内增加进气量 从而相应的多喷入燃油 以提高柴油机的功率 柴油机中把用增加进气压力来提高功率的方法称之为增压 为此必须装设一个压气泵 如果压气泵是由柴油机带动的 则进气压力的提高会使柴油机消耗于压力泵的功率增多 一般用这种机械增压的压力不会超过0 17 103kpa 柴油机的排气温度还很高 约为400 500 约含燃油燃烧所发出热量的1 3 而且该能量品质较高 如果把废气能量充分利用起来 使之用于涡轮增压器 则涡轮增压器既可使柴油机的功率增加 又可提高柴油机的经济性 将柴油机排出的废气送入涡轮机中 使涡轮机高速回转带动离心式压气机工作 从而提高进气压力以实现增压 该方式称之为废气涡轮增压 废气涡轮机和压气机同称为废气涡轮增压器 废气涡轮增压系统 1 废气涡轮增压的两种基本形式1 定压涡轮增压2 脉冲涡轮增压2 废气涡轮增压系统1 单独增压系统2 串联增压系统3 串联旁通增压系统4 并联增压系统 三 增压器的喘振 当增压器压气机流量减少到一定限度 压气机的工作就会变得极不稳定 气流产生强烈脉动 排出压力忽高忽低 压气机产生强烈振动 并发出沉重的喘息声和吼叫声 这种现象称为增压器的喘振 引起增压器的喘振的原因 增压系统与柴油机配合失调柴油机在低速高负荷下运行脉冲增压系统一缸熄火或各缸负荷严重不均运行中的暂时失配环境温度的变化 第四节柴油机的类型和典型结构 一 柴油机的类型 根据柴油机所用场合 目的不同 对其要求也不同 其类型很多 如按工作循环可分为四冲程和二冲程机两类 按是否增压可分为非增压和增压柴油机等 1 直列式和v型柴油机 船用柴油机通常均为多缸机 可满足功率 机动性 可靠性等多方面的要求 多缸柴油机的排列可分为直列式 v型 w型等 船用柴油机多为直列式和v型两种 具有两个或两个以上直列缸 并是一列布置的柴油机称直列式柴油机 具有两个或两列汽缸 中心线夹角呈v型 并共用一根曲轴输出动力称为v型机 直列机的缸数一般不超过12缸 缸数超过12通常用v型机 v型机一般用于中 高速柴油机 2 高速 中速 低速柴油机 柴油机的速度可以用曲轴转速n或活塞平均速度cm来表示 低速柴油机n 300r mincm 6 0 7 2m s中速柴油机3001000r mincm 9 0 14 2m s中 低速柴油机一般用作船舶的主机 高速机一般用于发电原动机 救生艇发动机及应急发电机 应急空压机 应急消防泵的原动机等 3 筒形活塞式和十字头式柴油机 用活塞销连接活塞与连杆的柴油机称筒形活塞式柴油机 用沿着导板滑动的十字头连接活塞与连杆的柴油机称十字头式柴油机 十字头式柴油机设有填料函 燃烧产物不易漏入曲柄箱污染滑油 这为十字头式柴油机用劣质油作燃料燃烧创造了有利条件 但重量和高度较大 且结构也较复杂 4 右旋和左旋柴油机 从柴油机功率输出端看 正车时沿顺时针方向旋转的柴油机称右旋机 一般布置在右舷 从柴油机功率输出端看 正车时沿逆时针方向旋转的柴油机称左旋机 一般布置在左舷 单台布置的柴油机通常为右旋机 5 可逆转和不可逆转主机 可由操纵机构改变自身转向的柴油机称可逆转柴油机 曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机称不可逆转主机 二 船舶柴油机型号 每种柴油机都有自己的代号 称为型号 下面介绍几种主要的型号 1 我国国产柴油机型号 1 低速柴油机 例 6esdz43 82b 其代号含意为 气缸数二冲程十字头式可倒转增压缸径 cm 行程 cm 改进序号 2 中 小型柴油机型号 例 8e350zcd 其代号含意为 气缸数二冲程缸径 mm 增压船用可倒转2 sulzer柴油机 主要有rd rnd rndm rla rlb rta rtam等产品 例 6rta84m 其代号的含义为 气缸数焊接线构 二冲程 十字头式超长冲程直流扫气机型发展序号 气缸直径 cm 改进代号 3 man低速柴油机 例 k9z60 105e 其代号的含义为 十字头式气缸数二冲程 单作用缸径 cm 行程 cm 改进代号4 b w船用柴油机 例 1284vt2bf 180 其代号的含义为 气缸数缸径 cm 二冲程 单作用 十字头式设计特征船用行程 cm 5 man b w船用柴油机 例 5l s 60mc mce 其代号的含义为 气缸数长冲程 超长冲程 缸径 cm 二冲程 十字头 定压增压强化经济型6 三菱船用柴油机 例 8uec85 180d 其代号的含义为 气缸数直流扫气废气涡轮增压十字头式缸径 cm 行程 cm 系列号 第五节柴油机的工作系统 一 燃油系统 功用 为保证船舶的正常营运 为主机 辅机和锅炉等提供足够数量并合乎质量要求的燃油 1 油的选择 1 燃油的粘度和凝点 燃油一般以油的粘度进行分类 粘度是表示燃油流动时的内部阻力 粘度的大小可以用绝对粘度和相对粘度来表示 前者表示内摩擦系数的绝对值 后者是在某一条件下的相对值 属于绝对粘度的有运动粘度和动力粘度 属于相对粘度的有恩氏 雷氏 赛氏粘度 动力粘度表示面积为1cm2 相距为1cm的两个流体薄层 以1cm s的速度作相对运动时该流体所产生的阻力的达因数 单位为泊 h 1h的1 用厘泊 cpa 表示 运动粘度是动力粘度与密度的比值 一般用st表示 或用其1 即cst表示 恩氏粘度是在某一测定温度下 从恩氏粘度计流出 200cm3油所需时间与20 时同体积蒸馏水从该粘度计流出所需时间的比值 用符号 et表示 雷氏粘度为某一油品在100 37 8 时 从雷氏粘度计中流出50cm3所需的时间 单位为秒 s 雷氏粘度又有雷氏1号 redn01 和雷氏2号 redn02 两种 赛氏粘度为某一油品在100 时 从赛氏粘度计中流出60cm3所需的时间 单位为秒 s 国际标准化组织规定50 时的运动粘度为通用粘度 但航运界常用雷氏1号粘度 大型低速机合适的进机粘度一般为10 25cst或60 110s redno1 2 燃油的种类和牌号 我国船舶柴油机所用燃油基本上有三种 轻柴油 重柴油 重质燃料油三种 轻柴油 10 0 10 20 35五个牌号 它们都是以油的凝点为牌号的 如 35号轻柴油其凝固点为 35 重柴油 10 20 30三个牌号 也是以凝点的数值为牌号的 如20号重柴油的凝点是20 燃料油 20 60 100 200四个品种 是以80 时的运动粘度为代号分类的 在国际船用燃料油市场上 常把燃油分成以下四类 船用轻柴油 marinegasoil 相当于国产 35号轻柴油 船用柴油 marinedieseloil 其粘度相当于国产20号重柴油 但质量要好些 特别是其凝点较低 中间燃料油 intermediatefueloil 相当于我国的内燃机燃料油 其粘度一般在200 300s 雷氏粘度 船用燃料油 marinefueloil 它为石油蒸馏剩余的渣油 粘度多在3500s以上 3 应用 救生艇发动机和应急发电机要选用轻柴油 发电柴油机多选用重柴油 但现在新型发电柴油机也可用与主机相同的燃料油 船用主机一般用内燃机燃料油 船用主锅炉可以使用船用燃料油 亦即渣油 2 燃油系统 一般由燃油注入 贮存 驳运 净化和供给五个基本环节组成 二 润滑系统 通常是由曲柄箱强制润滑系统 增压器润滑系统 气缸润滑系统等组成 1 增压器润滑系统 增压器使用汽轮机油润滑 其润滑系统通常有两种润滑方式 一种是自身封闭式润滑 不需要另设润滑系统 一种是重力一强制混合润滑系统 2 汽缸油润滑系统 1 十字头式柴油机 汽缸注油润滑使用专用的润滑系统及设备 气缸注油器 注油接头 把气缸油经缸壁上的注油孔 一般均布8 12个 喷注到汽缸壁表面进行润滑 其注油量可控 喷出的气缸油不予回收 国外称 一次过润滑 once through 2 在某些中速筒型活塞柴油机中 气缸润滑除采用飞溅润滑方式外 还采用注油润滑作为汽缸润滑的辅助措施 3 曲柄箱油润滑系统 曲柄箱滑油系统按照发动机机构不同有湿油底壳式 干油底壳式两种 1 湿油底壳式的滑油存放在发动机油底壳内 借助滑油泵把滑油抽吸上来 经滑油冷却器后送至各润滑部件 然后借助重力回流入曲柄箱的油底壳内 这种系统设备少 无需另设滑油循环柜 滑油变质后可以全部更换 多用于小型船舶主机和海船发电机之中 其缺点是润滑会受到高温燃气的作用而容易变质 2 干油底壳式润滑是专设的滑油循环柜存放滑油 改善了滑油的工作条件 这种系统多用于大 中型船舶主机中 三 冷却系统 为了使受高温燃气和摩擦作用的部件保持稳定的工作性能 必须对它们进行冷却 冷却系统的任务就是把冷却介质送到受热的部件 将多余的热量带走 对冷却系统的基本要求 确保供给足量 连续和适宜的冷却介质 工作安全可靠 便于维护管理和经济耐用 根据工作特点的不同 冷却系统可分为以下三种 1 开式冷却系统 开式冷却系统的设备和管路少 维护管理方便 水源丰富 是船上应用最早的冷却方式 但由于冷却介质为舷外水 水质和水温变化较大 易使冷却水腔积垢 并且使被冷却部件内外温差过大 柴油机效率低 可能出现裂纹 漏水等严重事故 所以该种冷却方式主要用于某些小型柴油机的冷却 以及对冷却液要求不高和对水质要求不严格的设备 2 闭式冷却系统 系统中主机的冷却介质是淡水 柴油机在正常运转时 淡水经缸套冷却水泵和进水总管进入主机 冷却后经除气 稳压和节流由排出总管排出 最后经壳管式冷却器又回到汽缸冷却水泵 通过淡水不停地循环 把主机需要散出的热量带出 在冷却器中传给海水 由海水带至舷外 膨胀水柜的作用 使水受热后有膨胀的余地 补水 放气 投药处理及保证淡水泵有足够的压头等作用 为满足备车时的需要 系统中设有预热泵和加热器 船上柴油副机有自己独立的淡水冷却系统 在大多数船上它与主机的缸套水系统之间设腰接阀而互相连通 当主机完车之后 转换腰接阀 使副机的循环淡水对主机进行预热 以便于下次起动 为利用余热 可将部分缸套水引入造水机 以加热淡水 使海水在一定真空下蒸发 冷凝制成淡水 3 集中式冷却系统 闭式冷却系统由于克服了开式冷却系统的水质差和温度受外界环境影响大的弊病 因此在船上得到广泛应用 但在该种冷却方式中 除了众多的冷却器用海水冷却外 也还有一些其它设备直接用海水冷却 使不少设备部件和管路仍暴露于海水的腐蚀之下 为此从60年代起又发展了集中式冷却系统 集中式冷却系统几乎所有设备都用淡水冷却 而淡水吸收的热量则在中央冷却器中传给海水 用于中央冷却器的海水系统 只包括海水泵 过滤器 阀件和长度极短的海水管路 该种冷却方式优点 使系统的设备 管路 阀件受腐蚀减少 整个系统的维修工作量大为减少 但系统常采用板式热交换器 这种热交换器常采用钛金属板 使得投资费用增加 对维修技术的要求较高 第六节柴油机的操纵系统 船舶的航行状况经常发生变化 例如 进出港和靠离码头 要求船舶多次改变航速和航向 在海洋中要求定速航行 在大风浪中 由于船舶阻力增大 为防止主机超负荷 应限制主机的负荷和转速 在紧急情况下 应能紧急刹车 强迫主机停车和倒转 因此要求船舶主机应具有起动和停车 定速和变速 超速和限速 超负荷和限制负荷 正车和倒车的能力 为满足这些功能 而设置的起动 换向和调速装置称之为柴油机的操纵机构 一 起动装置 柴油机是一种压缩发火式内燃机 必须保证在压缩终了时的温度和压力保持一定值 因此必须保证柴油机有一定的起动转速 通常称柴油机起动所要求的最低转速为起动转速 柴油机起动转速的范围一般是 高速柴油机 80 150r min 中速柴油机 60 70r min 低速柴油机 25 30r min 柴油机起动方式可分为 人力手摇起动 电动起动 压缩空气起动三种 通常 小型柴油机和救生艇发动机采用手摇或电动起动 船舶主机和柴油发电机几乎全部采用压缩空气起动 二 换向装置 要使船舶从前进变为后退 或相反 既可靠改变桨的转向来实现 也可靠改变桨的螺距角使推力发生变化 称为调距桨 来实现 目前 多数船舶使用前者实现航向的改变 在这种方式中 可通过轴系上的换向装置来完成 间接传动方式 也可通过主机的换向来完成 大型低速柴油机多采用后者 要使柴油机换向 应先停车 然后使柴油机反向起动起来 因此必须改变喷油正时 排气阀正时 以满足反向起动和反向运转对正时的要求 上述正时均由凸轮控制 从前而改变空气分配器 喷油泵和进 排气阀等凸轮与曲轴的相对位置 为改变柴油机的转向而改变各种凸轮相对于曲轴位置的机构称之为换向装置 三 调速装置 柴油机的不同转速和功率是通过改变每一循环的喷油量来完成的 在一定的外负荷条件下 若供给柴油机一定的燃油量 使柴油机的功率与外界负荷相平衡 柴油机就在某一转速下稳定运转 船用柴油机的外界负荷是经常变动的 欲使柴油机的功率与新的外界负荷相适应 就应及时改变喷油量 通常喷油量的改变是通过调速装置来完成的 1 船舶发电柴油机 要求在外界负荷变化时能保持恒定的转速 以保持发电机的电压和频率恒定 满足并车及供电需要 若负荷减少而喷油量不变 则柴油机和功率大于外界负荷使转速升高 转速上升又进一步增大了功率的不平衡 使转速继续升高而导致飞车 反之 若外界负荷增大 最终会导致停车 因此必须装设定速调速器 以保证在外界负荷变化时能保持转速稳定 2 船舶主机 与发电柴油机不同 若外负荷增大而喷油量不变 则主机会减速 桨的功耗下降稳定在一个新的功率平衡点上 反之 若外界负荷减小而喷油量不变 则会稳定在一个较高转速的新平衡点上 故船舶主机有自平衡能力 如不需主机转速恒定 可无需装调速器 但为了在某些特殊情况下 如桨露出水面 断轴 掉桨 的安全 我国规定必须装设极限调速器 对于长航线船舶 为避免海况变化使得柴油机工况不稳定 必须装设调速器 1 按照转速调节范围可分为 1 极限调速器 只有当柴油机转速超过极限时才起作用 目前已很少单独在船上使用 2 定速调速器 保持柴油机转速恒定 3 全制式调速器 可任意选定转速 并保持该转速恒定 广泛应用于船舶主机和发电柴油机中 4 双制式调速器 有两个转速控制点 能改善柴油机的怠速工况的稳定性和限制最高转速 2 按结构原理可分为 1 机械式调速器 一般用于中 小功率柴油机上 2 液压调速器 一般用于大 中型柴油机上 3 超速保护装置 船舶柴油机除了要装设调速器外 为防止调速器损坏时造成柴油机的损害 还要装设超速保护装置 我国规定 凡功率超过220kw以上的船舶柴油机和发电柴油机应装设此设备 以防止主机转速超过120 标定转速和柴油发电机转速超过115 标定转速 该装置必须与调速器分开设立并独立运行 只有在转速超过规定时才起作用 四 操纵系统 是将起动 换向 调速等装置联结成一个整体并可以集中控制柴油机的机构 操纵系统按操纵方式可分为 1 机旁手动操纵 操作台设在机旁 2 机舱集控室控制 在机舱的适当部位设置专用的控制室 3 驾驶室遥控 在驾驶台由驾驶员直接控制柴油机 机旁手动操纵是操纵系统的基础 其优先级最高 亦即切换至机旁手动操纵时 其它两种操纵方式不起作用 其次为机舱集中室控制 最后是驾驶室控制 第七节柴油机的运转特性 柴油机的特性反映出柴油机的动力性 经济性和使用性能 是柴油机的固有特性 由于柴油机应用场合和工作条件的不同 其性能指标和工作参数有很大差异 一 柴油机的速度特性 指将喷油泵油量调节机构固定在某一位置上 然后改变柴油机的负荷 使柴油机转速变化 在这种条件下测得的柴油机主要性能指标和工作参数随转速变化的规律 根据喷油泵的油量调节机构固定位置不同 亦即每循环供油量不同 柴油机的速度特性可分为 全负荷速度特性 超负荷速度特性 部分负荷速度特性 1 全负荷速度特性 测定时 柴油机先开空车 逐渐增速 再通过测功器逐渐增大负荷 同时通过调速器增加供油量 使柴油机在标定转速下发出标定功率和标定转矩 然后将油门固定 逐次增加柴油机的转速和降低转速 使柴油机在最低稳定转速和标定转速之间的各个不同转速下稳定运转测出其在各转速下的性能参数 由此可以整理出以转速为横坐标各性能参数为纵坐标的全负荷速度特性 如图中曲线3所示 2 超负荷速度特性 测定方法是把油门固定于产生110 标定功率的油门上 所测出的性能曲线 如图中曲线2所示 3 部分负荷速度特性 如果把油门固定于比标定功率油量小的各个位置上 通过上述方法所测得的曲线称为部分负荷速度特性 由于油量调节机构固定的位置不同 可测得若干条柴油机部分负荷速度特性曲线 如图中曲线5和6所示 作为船舶推进柴油机在实际使用时 考虑到航行条件和船舶污染情况 为保证主机在各种运转条件下均能长期可靠运行 主机都留有适当的功率储备 即船上实际使用的最大功率要低于标定功率一定值 此时实际的全负荷速度特性线应按图中的曲线4考虑 二 柴油机的推进特性 在船舶推进系统中 船 机 桨三者之间处于同一系统中 组成一个统一的能量转换系统 在稳定运行时 主机发出的功率和转矩应与桨得到的功率和扭矩相同 不计及传动损失 桨所得到的功率则用来克服船舶阻力 使船舶保持一定的速度航行 因为桨所需的功率与转速的三次方成正比 主机带动螺旋桨工作 就必须满足桨的功率要求 根据主机的功率与桨所需的功率相等的原则 主机的功率与转速的关系也是三次方的关系 柴油机按桨特性工作时 各性能指标和工作参数随转速变化的规律 称为柴油机的推进特性 三 柴油机的限制特性 柴油机在运转中 如果因某个零件或部件发生故障而停车 则必然会危机船舶的航行安全 为此对柴油机的热负荷和机械负荷都应有一定的限制 即要防止超功率也要防止超扭矩 即要防止超转速也要防止超温度 限制特性是指限制柴油机在各种转速下的最大有效功率 使柴油机的机械负荷和热负荷不超出为保证它可靠工作而规定的允许范围 限制特性是速度特性的一种 实际常用的限制特性有 1 等转矩限制特性 一般低速机和中速柴油机常以转矩作为限制参数来建立转矩限制特性 在等转矩的情况下 功率与转速成正比 如图2 30中直线7所示 2 等排温限制特性 为限制柴油机的热负荷 可以用柴油机的等平均排温曲线作为限制特性 第八节柴油机的主要工作指标 柴油机的性能通常可以从动力性 经济性 运转性 冷车起动 排气污染等 可靠性和耐久性等方面加以衡量 而这里主要是从动力性和经济性来考虑 动力性和经济性指标可以分为指示指标和有效指标两类 1 指示指标 是以汽缸内示功图所表示的工作循环指示功为基础的 只考虑缸内燃烧不完全及传热等损失 而未考虑各运动副之间的摩擦损失 该指标主要用来评定缸内工作循环的完善程度 2 有效指标 是以在输出轴上所得到的有效功为基础 既考虑了热损失也考虑了机械损失 它是评定柴油机工作性能的最终指标 一 指示指标1 平均指示压力 平均指示压力pi表示一个工作循环中单位汽缸容积的作功能力 pi值大 说明汽缸作功能力大 工作循环比较完善 在船舶实践中 可以通过由示功器测得的少p v示功图进行计算得出柴油机作功能力的大小 如所得示功图面积为 f mm2 长度为l mm 平均高度为hi f l mm 则平均指示压力pi hi m mpa 式中 m 示功弹簧比例 mm mpa 2 指示功率 假设每个汽缸每个工作循环的指示功为 wi pivh 则一个汽缸的指示功为 wi pivhmn 60 n m s 整台机的指示功率为 pi pivhmni 60000 kw 式中 pi 平均指示压力 pa或n m2 vh 汽缸工作容积 m3 n 柴油机转速 r min m 每转工作行程数 四冲程机m l 2 二冲程机m 1 i 汽缸数 对于既定的柴油机 vh m为定值 令vhm 6000 c则 pi cpini kw 3 指示热效率和指示油耗率 柴油机的指示热效率为指示功的热当量与消耗的燃料热量的比值 即 i wi qxr 3600pi gfhu式中 wi 指示功 j qxr 加入汽缸的总热量 j gf 柴油机每小时油耗量 kg h hu 所用燃料的低发热值 kj kg pi 指示功率 kwo指示油耗率以1kw指示功率每小时消耗的燃油量来表示 即 gi gf pi则 i 3600 gihu 二 有效指标1 有效功率和机械效率 从柴油机曲轴飞轮端传出的功率称为有效功率 用pe表示 也可以说用指示功率减去机械损失功率pm即为有效功率 即 pe pi pm机械损失功率包括摩擦损失功率 带动辅助机械消耗的功率 进排气过程的泵气损失 只存在于增压四冲程机中 机械效率 m是有效功率与指示功率之比 即 m pe pi p pm pi 1 pm pi机械效率 m取决于 设计制造质量 柴油机负荷 转速 滑油温度 水温等 2 有效燃油消耗率和有效热效率 有效油耗率是指每1kw有效功率每小时所消耗的燃油量 即 ge gf pe或ge gi mkg kw h 有效热效率是指曲轴有效功与所消耗的热量之比 即 e we qxr wi qxr we wi i m e 3600 ge hu3 平均有效压力 是指柴油机每一工作循环每单位汽缸工作容积所作的有效功 仿照指示压力的公式 可以算得 pe pe cni或pe pi m同样 平均机械损失压力pm也可以写成为 pm pm cni 则平均有效压力可写成 pe pi pm 三 其它常用参数 1 最高爆发压力 燃烧过程中汽缸内工质的最高压力称最高爆发压力pz 它是引起柴油机周期性机械负荷的主要外力 会引起各部件的应力和变形 造成疲劳损坏 磨损和振动 2 排气温度 非增压柴油机的排气温度是指废气管内的排气温度 增压柴油机的排气温度是指汽缸盖排气道出口处废气的平均温度 用tr表示 3 活塞平均速度 在曲轴一转两个行程中活塞运动速度的平均值称活塞平均速度cm 即 cm 2sn 60 sn 30 m s 4 行程缸径比 行程缸径比 s d 是柴油机的主要结构参数之一 它对柴油机的重量及尺寸 机械负荷 热负荷 振动性能等都有重大的影响 第九节柴油机的运行管理 一 备车 开航前的备车是技术管理的重要环节之一 任何船舶都应有这个过程 其目的是保证船舶动力装置处于随时可起动和运行状况 备车时间一般在0 5 6h之间 其基本内容包括校对时钟 车钟 对舵 暖机 各系统准备 转车 冲车和试车等 1 暖机 1 暖机 是指预先加热柴油机冷却系统 滑油系统及燃油系统 并开启各泵来提高机体温度和向各运动件摩擦表面供应滑油的过程 2 目的 在于减少由于起动后温度突变而使得部件产生的热应力 并可改善柴油机的起动性能和发火性能 减少汽缸内的低温腐蚀等 2 各系统的准备 为保证柴油机能够正常运行 各工作系统如滑油 冷却水 燃油 压缩空气等均应处于正常工作状态 3 转车 冲车和试车 以上工作准备完毕后 通常在开航前15 30min进行转车 冲车和试车 进行前 应征得驾驶员同意 驾驶员检查船首 船尾情况 确认正常后 才可通知机舱冲 试车 转车 是利用盘车机将主机转动几圈 目的是检查各运动部件和轴系的回转情况及缸内有无大量积水 冲车 在转动确认正常后要脱开盘车机 利用压缩空气对主机进行起动操作 其目的是利用压缩空气将缸内小杂质 残水和积油从示功阀冲出 从而检查起动系统工作是否正常 试车 冲车正常后关闭示功阀 正 倒车交替起动 供油发火 各运转几转 其目的是检查起动 换向 燃油系统 油量调节机构及调速器等是否正常 并检查各缸发火是否正常及运转中有无异响 试车完毕后 机舱应将车钟放至停车位置 表示试车完毕 驾驶台随时可用车 二 运行中的工作 1 机动航行 船舶在进出港 移泊 过运河 浅水及窄航道航行中 柴油机工况多变 必须进行正确的操纵及管理 1 在起航和加速过程中 不要突然加大油门 应随船速的增加不断将油门加大 以防主机超负荷 2 在进行倒车操纵时 为避免柴油机超负荷 倒车起动油门不可过高 其加速过程也不可过快 3 从开始起航到船舶定速 该时间不可过短 决不允许柴油机刚刚运行几分钟 就将操车手柄转至全速 这样会引起柴油机超热负荷 缸套产生裂纹 对于不同的机型 该时间的长短不一 影响该时间长短的因素有两个 一是发动机运动部件的质量惯性 二是受热部件的热惯性 一般来说 质量惯性和热惯性都小 有利于加速 而后者更为重要 在这方面中速机优于低速机 对于现代的大型低速机而言 从起动至全功率的时间至少需要30min以上 4 当船舶航行于浅水区 由于船舶阻力加大 必须降油门运行 以防主机超负荷 5 大风浪天航行 为防止主机飞车和主机超负荷 也必须把飞车设定转速降低及降油门运行 2 正常航行 船舶正常航行中 驾驶台与机舱应注意联系 1 每班下班前 轮机员应向驾驶员告知主机平均转速 海水温度 值班驾驶员向轮机员报告本班平均航速 风向和风力 2 每日正午驾驶台和机舱应核对时钟 并交换正午报告 3 轮机人员发现有不正常状态要减速和停车时应先通知驾驶台 得到许可后方可减速和停车 如情况紧急 可以先降速后通知 当驾驶台需要改变主机的转速或停车时 也应提前通知机舱 以便进行必要的准备 在船舶定速航行中 如果驾驶台想练习操舵也应提前征得轮机部同意后方可进行 因为舵角的变化会引起船舶阻力的变化 从而导致柴油机超负荷 三 到港后的工作 船舶抵港后 驾驶台通知完车后 主机停止工作 但滑油和冷却水应继续工作半小时以上 以保证机器的温度能较为均匀地逐步下降 其它系统可停掉 停泊后 如需主机吊缸和洗炉 应征得船长同意后方可进行