第一章 船舶动力装置概述

船舶动力装置

第一章船舶动力装置概述第一节船舶动力装置的组成、类型和发展第二节船舶动力装置的要求及性能指标第三节船舶动力装置的可靠性第四节提高船舶动力装置可靠性的措施第五节船舶动力装置的余热利用㈠船舶动力装置的含义和“轮机”的含义基本相同。满足船舶正常航行、作业、生活、安全所必需的全部机械、设备和系统的总称。可以说船舶动力装置包括船上所有的机械设备。第一节船舶动力装置的组成、类型和发展㈡船舶动力装置的组成

辅助装置

自动化设备

甲板机械

防污染设备管路系统

推进装置船舶动力装置⒈推进装置

主机：产生推进动力的原动机。传动装置：主机与轴系的连接装置。作用：合、并车，离合，倒顺，减速，隔振及调节推进装置的布置等等。离合器、减速箱、联轴器轴系：将主机发出的功率传递给螺旋桨，同时将桨旋转所产生的轴向推力传给船体以推动船舶前进。传动轴、轴承、密封件推进器：将主机发出的能量转换为推力的设备，如螺旋桨等。⒉辅助装置提供除推进动力以外的各种能源。船舶电站：供给辅助机械及全船所需要的电能，它由发电机、配电板及其它电气设备组成。辅助锅炉装置：民用船舶一般用它产生低压蒸汽，以满足加热、取暖及其它生活需要。它由辅助锅炉及为它服务的燃油、给水、鼓风、送汽设备及管路、阀件组成。压缩空气系统。⒊船舶管路系统管路系统：船为了完成一定任务而专门用来输送和排出液体或气体的管路、附件、机械设备和仪表的总称。它包括动力系统和辅助系统。动力管系：主要用来为主机和辅助机械服务的管路。如：燃油、滑油、冷却水、压缩空气、排气及废气利用管路。船舶系统：为保证船舶安全及船员和旅客的正常生活所需的系统。⒋甲板机械保证船舶航向、停泊及装卸货物所需要的机械设备。锚泊机械设备：包括锚机、绞盘等。操舵机械设备：包括舵机及操作机械、执行机构等。起重机械设备：如起货机、吊艇机及吊杆等设备。5.防污染设备处理含油污水、生活污水、油泥及各种垃圾。油水分离器、焚烧炉等。6.自动化设备包括对主、辅机和有关机械设备等的远距离控制、船舶动力装置参数及过程自动调节、检测和警报系统等。

㈢船舶动力装置的类型船舶动力装置的类型一般以主机的结构型式来命名。目前常见的有蒸汽动力装置、燃气动力装置、核动力装置等。1.蒸汽动力装置汽轮机动力装置是由锅炉、汽轮机、冷疑器、轴系、管系及其它有关机械设备等组成。汽轮机推进动力装置1—锅炉2—过热器3—主蒸汽管路4—高压汽轮机5—低压汽轮机6—减速齿轮7—螺旋桨8—冷凝器9—冷却水循环泵10—凝水泵11—给水泵12—给水预热器在大功率船舶动力装置中，汽轮机占有一定优势。高速客船、集装箱船、大型油船以及大中型船舶多采用汽轮机动力装置。优点：⑴单机功率远比活塞式发动机大。现代舰用汽轮机的单机组功率已达75000kW以上⑵汽轮机叶轮转速稳定，无周期性扰动力，因此机组振动小，噪声小。⑶磨损部件少，工作可靠性大，使用期限长，10万小时以上。⑷可使用低质燃油，滑油消耗率也很低。缺点：⑴装置总重量、尺寸大。⑵燃油消耗大，装置效率差，经济性较柴油机动力装置差。⑶备车时间长，机动性差。另外，从一个工况变换到另一个工况的过渡时间也较柴油机装置长2～3倍。⑷不能倒转，需设倒车汽轮机或倒车级（空转）汽轮机推进动力装置2.燃气动力装置

⒈）柴油机动力装置广泛应用。目前以柴油机作为主机的船舶占98%以上，柴油机船总功率占造船总功率的90%以上。优点：⑴有较高的经济性，在整个功率范围内燃油耗率较低，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低得多。运行费用比较低，续航力提高。⑵在低转速时有良好的扭矩特性，可用低质燃油，空气耗率低、排气红外辐射少。⑶重量轻，辅助设备较少，布置简单，单位重量指标较小。⑷具有良好的机动性，起动、加速、换向性能良好等。缺点：⑴柴油机尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到限制。⑵柴油机工作中的噪声、振动较大。⑶高中速柴油机的运转部件磨损厉害。⑷柴油机在低速时稳定性差，因此不能有较小的最低稳定转速，影响船舶的低速航行性能。2.）燃气轮机动力装置燃气轮机是在1947年开始应用于船舶，而得到迅速发展则在50年代后期。并且，船用燃气轮机主要用于军舰。从70年代起，英、美建造的大小型水面舰艇（除航空母舰外）绝大多数都是采用燃气轮机作为推进动力的。船用燃气轮机的组成和工作原理船用燃气轮机由压气机、燃气轮机和燃烧室组成。工作原理与汽轮机相似，只是在作功的工质方面有所不同。汽轮机中使用的燃料是在锅炉内燃烧，使锅炉中的水加热产生蒸汽，推动叶轮作功；而燃气轮机则利用燃料在燃烧室内燃烧，所产生的燃气推动叶轮作功。燃气轮机推进动力装置1-螺旋桨2-减速齿轮3-压气机4-燃烧室5-燃气轮机6-联轴器7-起动电动机轻型燃气轮机

GeneralElectricLM2500GasTurbine

船用燃气轮机的特点优点：⑴单位功率的重量、尺寸极小。⑵良好的机动性。⑶燃料消耗率不及柴油机，但也达到200~390g/(KW·h)，低负荷时经济性的恶化比汽轮机影响为小。缺点：⑴主机没有反转性，必须设专门的倒车设备。⑵必须借助于启动马达或其它启动机械启动。⑶由于燃气的高温（燃气温度700～800℃以上），叶片材料用的合金钢昂贵，工作可靠性较差，寿命短。⑷由于燃气轮机工作时空气流量很大，因此进排气管道尺寸大，舱内布置困难，甲板上较大的管道通过切口，影响船体强度。⒋核动力装置船用蒸汽轮机动力装置是由锅炉提供蒸汽，舰艇核动力装置就是用核反应堆代替燃烧重油的蒸汽锅炉，核动力装置的第二回路也是蒸汽轮机动力装置。优点：⑴具有极大的能量贮备，在限定舱室空间所能提供的能量比其它型式的动力装置大得多；(2)以极少的核燃料释放出巨大的能量；⑶不需要消耗空气而获得热能。缺点：⑴重量尺寸较大；⑵操纵管理检查系统比较复杂；⑶造价昂贵。核能推进系统的简单原理乏核能推进系统的简单原理三、柴油机动力装置发展趋势及管理重心的变化1、船舶动力装置发展的趋势。1）柴油机继续主导，并不断发展。①大型低速机：多缸、大缸径，少缸、小缸径。②大功率中速机：大型客船、滚装客船等。③控制技术：电子化、智能化。④双燃料发动机前景可观。2）豪华游轮：促进电力推进系统的发展。3）高速船：燃气轮机。（可靠性高、低NOX排放。4）成套供货方式。5）环境要求：安全、低排放。1）冗裕配置。DNV船级社特殊入级标志RPS等。2）低排放。新型船舶动力装置喷水推进吊舱推进全电力推进超导磁流体推进表面驱动对转螺旋桨高效一体舵桨新型船舶动力装置轮机管理重心的变化⑴设备检修方面。定时—视情⑵设备使用方面。机电综合⑶轮机人员业务要求方面。船电和自动化⑷人员业务培训方面。机电一体化⑸机电设备故障远程诊断方面。专家故障诊断⑹机舱资源的管理。人力资源第二节船舶动力装置的要求及性能指标一、对船舶动力装置的要求。1.可靠性。2.经济型。3.机动性。（起航时间、起动到全功率的时间、换向时间和次数、紧急倒车时间、最低稳定转速和转速禁区。）4.重量和尺寸。5.续航力。6.生命力。二、船舶动力装置的基本性能指标技术指标标志动力装置的技术性能和结构特征的参数。包括功率指标﹑质量指标和尺寸指标。经济指标代表燃料在该动力装置中的热能转换率。有燃料消耗率﹑装置总效率﹑推进装置热效率﹑每海里航程燃料耗量及动力装置的运转-维修经济性。性能指标代表动力装置在接受命令，执行任务中的服从性﹑坚固性和对外界条件﹑工作人员的依赖性。因此它包括机动性﹑可靠性﹑自动远操作性能﹑牵曳性能以及噪声振动的控制等指标。

1、技术指标功率指标船舶有效功率主机输出功率相对功率⑴功率指标它表示船舶作功的能力。为了保证船舶具有一定的航行速度，就要求推进装置提供足够的功率。而动力装置的功率是按船舶的最大航速来确定的。1)船舶有效功率

已知船舶的航行速度为Vs(m/s)

，运动阻力，则推进船舶的有效功率2)主机的输出功率

又称为主机的制动功率或有效功率

:推进效率:螺旋桨相对旋转效率

:敞水效率:船身效率:轴系传动效率功率指标

海军系数法估算主机所需功率的方法:式中:--排水量,t；：排水体积

--航速,kn；

CB--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：

功率指标推进装置功率传递过程推力功率收到功率轴功率最大持续功率Pmc指示功率Pi主机最大输出功率船舶有效功率主机摩擦损失及带动辅机所消耗的功率考虑持久系数及温湿度修正后的功率传动设备及各种轴承所消耗的功率尾轴承及其密封装置所消耗的功率螺旋桨与水的摩擦及尾流动能所损失的功率由推力减额及伴流等船体影响所损失的功率3)相对功率：即每吨排水量所需的主机有效功率

kW/t令

可知，相对功率与航速的三次方成正比，与排水量的立方根成反比，因此，高速船每吨排水量所需功率大。kW/t功率指标重量指标主机单位重量装置单位重量主机相对重量装置相对重量重量指标是相对于主机功率或者船舶的排水量而言

动力装置重量有三个不同的内涵，即动力装置干重(代表所有的机器、设备和管系的重量，不包括内部的工质和消耗物品及其存储量)、湿重(包括其内部所装工质和消耗物品重量，但不包括消耗品存储量）和总重(包括上述全部重量)。计算时常用湿重。·绝对指标

机舱总长度，占用面积，占用空间。

·相对指标1)面积饱和度：每平方米机舱面积所分配的主机有效功率2)容积饱和度：每立方米机舱容积所分配的主机有效功率尺寸指标对于不同的船舶，对机舱尺寸要求也不统一，为了表征机舱的面积和容积利用率的情况柴油机的燃料消耗率船舶主机日耗油量船舶日耗油量每海里航程的燃料消耗量经济指标指在单位时间内柴油机单位有效功率所消耗的燃料量主机、辅机、锅炉所消耗燃料总量由推进装置、柴油发电机组、燃油辅锅炉的热效率组成。船舶经济航速经济指标动力装置的总效率主机在24小时的燃油消耗量船舶航行每海里所消耗的燃油总量营运时能取得某种经济效果的航速1).推进装置的热效率2).柴油发电机组的热效率燃油辅助锅炉的热效率图1-3-1和随Vs变化的特性曲线称为节能航速，它不等于最大盈利航速。Tips:此项经济指标与船舶营运管理水平和轮机管理水平密切相关船舶经济航速节能航速：每小时燃油消耗量最低时的静水航速。最低营运费用航速：每航行1nmile固定费用及航行费用最低时的航速。最大盈利航速：每天能获得最大利益的航速。性能指标动力装置机动性动力装置自动化程度动力装置可靠性动力性（牵曳性）配合性能噪声的控制和有害振动的预防性能指标动力装置的性能指标由多方面因素综合而成.主机形式燃料种类发动机工作参数动力装置热线图形式推进传动形式主要辅助设备形式等第三节动力装置的可靠性

船舶的特殊性

1.船用产品在陆地难以充分模拟试验

2.产品数量少、更新快

3.零部件多，质量、功能各异，所需知识面广

4.设备使用环境苛刻、多变

5.故障的排除和修理很难得到陆上支持，船员能力有限

6.修理时间紧，条件差。特别是在风浪天

7.数据收集整理欠缺，对故障的了解欠缺航行的可靠性船舶故障的不同定义：

a.达不到正常航速，应用于班轮

b.不能维持最低航速，应用于大风浪天

c.失去操纵性，应用于靠离码头、窄水道船舶航行可靠性分析

1）操纵性：中速机高于低速机据目前的资料统计，低速机为0.988，中速机为0.9912）全损船的数量和吨位在增加，见表13）全损船中，散货船占的比例大，见表24）全损船中，人为因素造成故障占的比例大，约80%5）全损船中，老龄船占的比例大，90%以上为15年以上的老龄船。表11987~1991年世界全损船舶统计全损艘数全损总吨位占世界船舶总吨位的百分比198713911789730.319881477758560.2198915610780770.37199013912211250.3199118217084640.4！表21987~1991年世界全损船舶按船型统计198719881989船型艘总吨％艘总吨％艘总吨％油船91316361113144371191331346429散货船和混装船24639834548133654171630633728其它船型106407503351264978316412745827643总计13911789731001477758561001561078077100！表21987~1991年世界全损船舶按船型统计！19901991船型艘总吨％艘总吨％油船14224884182050166329散货船和混装船19704615582772007742其它船型1062916262413548672429总计13912211251001821708464100船舶机械故障分析各种机械故障中，主机故障占的比例大，约占38%。表3各种机械发生故障的比例机械种类主机柴油发电机机舱辅机甲板辅机各管路阀电动机其它说明人×小时（％）36.619.317.912.35.12.56.3

故障总次数为7521故障次数（％）3815.710.913.78.13.99.7船舶机械故障分析主机故障中，材质问题和污损问题占的比例大，分别为24.3%和24.7%。表4按主机故障原因分类的发生故障的比例（%）设计问题材料问题安装问题操作问题自然磨损腐蚀污损振动管理问题1.924.37.49.510.510.424.710.01.3船舶机械故障分析柴油机部件故障中，低速机的十字头轴承、气缸盖、增压器和活塞；中速机的主轴承、增压器、连杆大端轴承和活塞占的比例大。表5－1柴油机部件发生故障的比例劳氏船级社中国远洋运输总公司低速中速主机柴油发电机气缸盖14.64.913.713.15气缸套6.14.81.921.31活塞11.810.419.26.57气缸体4.31.9气阀2.68.53.842.63资料来源故障部位船舶机械故障分析表5－2柴油机部件发生故障的比例劳氏船级社中国远洋运输总公司低速中速主机柴油发电机十字头轴承18.70.27.69连杆大端轴承8.111.111.84曲轴、主轴承3.813.411.5234.2燃油泵1.12.37.693.94泵传动装置00.7传动齿轮2.35.77.696.57增压器12.611.75.763.94凸轮轴1.84.41.92资料来源故障部位船舶机械故障分析表5－3柴油机部件发生故障的比例劳氏船级社中国远洋运输总公司低速中速主机柴油发电机机座0.27.4曲轴箱0.10.95.76机架2.10.91.31调速器0.22.13.94基座1.21.8扫气通道1.00.2贯穿螺栓3.84操纵系统1.92连杆螺栓6.57其它7.46.77.554.03资料来源故障部位部件及系统故障影响重要性分析柴油机动力装置的故障分布在所有部件和分系统之中，由于在分系统中处于不同的位置，因此对柴油机动力装置的整体影响也不相同。了解各部件故障的相互影响和对整体可靠性的影响，可以掌握各部件的重要程度,从而为提高整个动力装置的可靠性提供足够依据。

Themeasuresofimprovingthereliability第四节提高船舶动力装置的可靠性的措施影响动力装置可靠性的因素设计：可靠度的基本保证安装：间隙、预紧力、找正.制造：材质、加工精度、工艺.管理：按要求操作，保证工作环境，及时保养、维修表6影响动力装置可靠性的因素设计制造管理推断营运特点和工作条件原材料使用操作选用设备的质量和数量加工机械文件管理系统设计、储备度及可靠度分配制造工艺维修制度安全系数和部件的降级使用装配工艺维修工艺设计数据的选取试验方法备件管理配套和布局质量检查方法人员培训人机工程质量管理道德观念和思想状况维修性作业人员管理使用环境标准化、简单化、自动化包装、运输、储藏提高管理水平据统计，人为因素造成的故障占80%。其中，

a:普通船员责任心不强占50%，表现为工作不仔细，检查不及时，违章操作。

b:干部船员管理水平低占50%。表现为业务水平低，维修保养不良，指挥不当，判断错误，操作错误。提高维修质量

1.消除妨碍人体感官功能发挥的因素，以便及时发现和判断故障

2.系统布置要符合人体特征，如身高、腕力、视力

3.操作维修场所要设适当的保护措施如防护罩、护栏、隔热

4.维修操作作业力求简单方便,缩短维修时间.5.在操作和维修环境严酷的情况下应考虑适当的保护措施、防错措施.6.要有良好的可达性对于维修性好坏的鉴别见表7表7－1维修性检查表（机械方面）机械方面1.在装配、更换备件、维修时能否看清全部备件？身体能否接近这些零件？2.在正常状态下，所有的测试点是否都有很好的接近性？3.在正常状态下，是否能保证所有现场易于使用专用工具？4.采用的装配方式是否考虑了易于拆装？5.是否对维修、试验、储存等有不符实际的实施要求？6.是否考虑了不使工作人员遭受突然事故的伤害？7.各组件能否独立的装置在希望的位置或容易维修的位置？表7－2维修性检查表（人机工程方面）人机工程方面1.指示器是否装的使操作人员能看请客度、指针、数字等？是否能方便、正确的读出数据？2.显示器是否使读数误差最小？3.调节器一类的仪表所采用的把手、旋钮等布置是否合适？是否有利于操作员转身？4.控制台是否设计的有宽敞的放腿位置？书写时是否有合适的表面和高度？是否有良好的隔声、隔振和照明？5.照明是否考虑了特定工作的要求？有无照明不足的仪表？6.是否把晃眼的因素控制的最小？7.在更换、修理组件和零件时，是否可以不拆下其它的任何零件？维修工作是否复杂？8.是否考虑了重量大的部件的搬运问题？9.产品和说明书符号、代码是否一致？充分利用技术管理指导性文件

a.制作操作规程

b.判断设备技术状态

c.制定维修计划与标准

d.指导维修保养做好可靠性数据的收集、整理和分析

1.改进设备的设计

2.改进维修保养的方法

3.修改标准和规范

4.提高故障的判断能力第五节船舶动力装置的余热利用一、船舶动力装置的余热利用方案⒈热平衡方程式

Q=Qm+Qg+Qb

x+y+z=1余热利用方案（a）仅用于供热。（b）供热、驱动汽轮发电机。（c）驱动汽轮发电机、给水加热。（d）供热、驱动汽轮发电机、主机冷却水加热产生低压蒸汽。（e）冷却水