27000dwt杂货船动力装置设计解析.docx
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27000dwt杂货船动力装置设计解析
武汉理工大学
毕业设计（论文）
17000吨杂货船动力装置设计
学院（系）：
能源与动力工程学院
专业班级：
能动0802班
学生姓名：
于秋晨
指导教师：
周宏基
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
于秋晨
2012年5月22日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书
2、不保密囗。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
年月日
导师签名：
年月日
本科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名：
于秋晨专业班级：
能动0802
指导教师：
周宏基工作单位：
武汉理工大学能源与动力工程学院
设计（论文）题目:
17000吨杂货船动力装置设计
设计（论文）主要内容：
1）动力装置设计技术文件
2）动力装置设计图纸
3）外文翻译
4）专题论文
5）本专业文献综述
要求完成的主要任务及达到的技术经济指标:
主要任务包括:
1技术文件:
1）机械设备估算书
2）机电设备明细表
3）轮机说明书
2图纸:
机舱布置图（共3张）
管系布置图3张
3外文翻译
4专题论文
5本专业相关文献综述
要求:
1）技术文件字迹清晰、概念正确、计算准确、内容完整,设计依据交待清楚,计量单位及表达正确。
2）图纸按规范及国标要求绘制,图面清晰整洁,内容完整,表达正确,字迹规范,其中至少一张用电脑绘制。
3）外文翻译译文不少于5000个汉字,附外文原文复印件,要求译文忠实于原文,表达流畅。
4）专题论文:
不少于2000个汉字。
5）本专业文献综述：
阅读的文献量最少为20篇，其中英文3篇。
指导教师签名：
系主任：
院长签名（章）
武汉理工大学
本科生毕业设计（论文）开题报告
1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）
1.1目的及意义
我国是世界航运大国，航运业在我国经济建设方面具有极其重要和不可替代的作用。
特别改革开放以来，我国航运业快速发展，目前我国外贸进出口货物运输的80％以上是通过航运来完成的。
航运业对促进国民经济增长和对外贸易发展做出了很大的贡献，在我国的外贸运输中有着支配地位。
杂货船作为一种重要的运输船有着突出的特点：
（1）船舱大能装载大量货物，吨位小，吃水小，机动灵活，能自由方便进出大小港口；
（2）造价低，营运成本低，且自带起重装置，对港口要求小，
但随着集装箱船的出现，市场对杂货船的动力性，经济性和安全性提出了更高的要求：
如何选择船舶机械设备，在保证动力性的前提下使造船成本进一步降低；如何合理的安排机舱内各机械与管路，提高船舶的安全性和经济性；如何优化设计船舶动力装置，以获得更高的速度，使杂货船更加的具有竞争力。
1.2国内外研究现状
船舶动力系统主要由推进装置、辅助装置、管路系统、甲板机械、自动化设备和防污染设备等组成,其中又以推进装置最为重要。
现在,船舶推进装置主要是以船用柴油机作为船舶推进动力带动螺旋桨所组成,船用柴油机逐渐成为船舶推进动力的主流动力装置。
最近50年,船用柴油机取得了巨大的发展，并逐渐代替蒸汽轮机与燃气轮机成为船舶的主机。
杂货船由于速度不需要太快，目前杂货船万吨以下使用中速柴油机作为主机。
万吨以上的主要使用低速速柴油机。
与蒸汽机、燃气轮机等其它动力装置相比,柴油机的最大优点就是它具有较高的热效率。
随着二次大战后世界经济的复苏和发展,船舶渐渐向大型化和高速化方向发展,推进装置的功率也变得越来越大了。
上世纪50年代初,柴油机单机最大功率已达到8千马力,所使用的燃料为柴油,与同功率情况下的蒸汽轮机相比,柴油机则具有更好的经济性。
而且自从能源危机爆发后，柴油机的燃油质量进一步降低，大大的提高了柴油机的经济性。
自此，柴油机开始在船舶上广泛利用起来。
而柴油机的功率也由原来的几百千瓦发展到现在的上万千瓦，动力性不断的提高，而且现在的柴油机采用涡轮增压技术与可变喷油定时机构使船舶安全性和经济性也提升不少。
长冲程低速柴油机被广泛的运用在杂货船的动力系统中，像B.&.W.公司和M.A.N.公司研制的L-GB/GBE系列柴油机，上海造机有限公司制造的6RTA52机，这些机器被广泛的作为船用主机，长冲程低速柴油机通过加长活塞行程和提高最高燃烧压力，从而降低发动机额定转速，提高推进器的输出功率比，使单缸功率提高到目前3000多千瓦，燃油消耗率和润滑油消耗率大幅度减小，大大的降低了成本。
随着船舶动力的提高，一些船舶设备也在不断的更新发展：
减速齿轮箱，摩擦离合器等一些传动装置不断的提高制造材料的品质，减速齿轮箱能传递的功率范围也越来越大。
而且由于人们对环境的保护，对污染加大了控制，杂货船上的一些监控检测装置也在不断的发展：
油水分离器，自动检测装置等效率越来越高。
但在船舶动力装置高速发展的时代，杂货船由于本身的局限性，无法使船舶大型化，因此在动力装置上一直得不到发展，现在万吨以下的杂货船主机功率只有2000~3000Kw，万吨以上的杂货船主机功率只有4000kw左右，像一艘13000DWT杂货船主机功率只有3310Kw，航速只有12Kn，因此优化杂货船动力装置，以提高其动力性，经济性以及安全性刻不容缓。
2、基本内容和技术方案
2.1基本内容
（1）专题文献翻译、开题论文及文献阅读报告。
（2）主机选型设计。
（3）机舱主要设备计算及选型。
（4）机舱主要设备说明。
（5）用CAD绘制3张机舱布置图，3张管系图。
（6）专题小论文。
2.2技术方案
（1）主机选型。
①确定主机类型与数目：
低速柴油机，单机，螺旋桨数目：
单桨。
②计算推进功率：
由统计数据或母型船数据进行概算；或由船的功率图谱进行估算；或者通过计算，通过给出的船舶数据计算出阻力，推力系数，扭矩系数，推力载荷系数，第一基本系数，第二基本系数，效率等并可以确定螺旋桨主要数据。
③通过初级匹配计算分析选定主机功率，螺旋桨最佳转速与直径，并选择合适的主机型号，最后通过终极匹配计算分析出相匹配的螺旋桨要素及校核所能达到的航速。
（具体见《船舶动力装置设计》P26~32）
（2）轴系设计。
①通过已知条件计算确定轴线数目，轴线的长度与位置（主机位置），轴线尽量与基线水平②通过计算确定中间轴承的位置及间距（《动力装置设计》P48~49）③计算确定尾轴轴承的间距，尾轴承支点位置。
④确定传动轴：
螺旋桨轴，尾轴，推力轴，中间轴的材料；计算传动轴的基本周径，轴承直径，轴系布置，确定轴承材料，螺旋，密封装置，联轴器，弹性联轴节，离合器，减速齿轮箱，各支承部件等部件的型号。
⑤轴系合理校中。
⑥强度校核：
通过力的分析，计算扭矩等数据，确定传动轴不会断裂。
（3）机舱设备选型。
由主机参数，轴系参数选择合适的机械设备包括减速齿轮箱，电站，原动机，废气锅炉，辅锅炉，焚烧炉，离心分离机，主空压机组，机舱风机，油水舱柜等。
电站通过计算电力负荷确定电站容量和配置。
锅炉确定：
先计算锅炉容量，辅锅炉通过全船耗用蒸汽量（包括辅机耗汽量、各热交换器的蒸汽耗量、各油舱柜加热蒸汽耗量、生活杂用所需蒸汽量及漏损）确定，废气锅炉容量由主机功率及其排气参数确定。
（4）管系布置。
分别对海水冷却管系，燃油管系，滑油管系，压缩空气管系进行设计以达到可靠，操纵性强，经济的要求（具体要求见《船舶动力装置设计》P145~156）。
根据管内流体流速，流体流经管子的能量损失和流质确定管径，管壁厚度，选择合适的材料。
根据管路水力计算确定应配置的泵的性能参数。
（5）机舱布置。
由主机大小，轴系长度确定机舱长度从而确定机舱大小与机舱数目，对机舱内机械设备进行布局以保证在船舶平衡不倾斜，并在船舶倾斜摇摆时机械设备能正常工作。
具体还要考虑管路的走向，机舱安全，经济等要求，争取最优安排。
（6）编写机电设备明细表与轮机说明书，说明机舱布置和设计中个机械设备的型号，规格以及在动力系统中起到的作用，包括：
主机，减速齿轮箱，轴带发电机，高弹联轴节，柴油机发电机组，桨轴，尾管，螺旋桨，锅炉，冷凝器，空压机，热交换器，油水分离器，起重机，焚烧炉污水处理装置，离心泵，转子泵，燃油分离机，管路设备，润滑油分离机等设备以及各系统：
冷却系统，燃油系统，滑油系统，压缩空气系统，排气系统，机舱蒸汽系统，机舱给水系统，机舱凝水系统，消防系统等的作用。
（7）绘制CAD图。
总布置图，横剖图，总剖图，管系图。
3、进度安排
第1——2周：
外文翻译，开题报告。
第3——4周：
主机选型设计。
第5——6周：
机舱主要设备计算及选型。
第7——10周：
用AutoCAD绘图。
第11——12周：
周专题小论文写作。
第13——14周：
论文整理并答辩。
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
摘要
本文对17000DWT杂货船主动力装置的计算及选型做出了一定的论述与分析，并对机舱布置做了系统说明。
对同类船舶（杂货船）的动力装置选型和机舱设备布置做了一个参考样板。
船舶动力装置是船舶正常航行，作业，停泊及船员，旅客正常工作和生活的保证。
它的主要任务是产生一定的能量，然后将这些能量分配到各个机舱设备，从而实现船舶的正常行驶与作业。
是船舶的核心部分。
本文的主要内容有两个，一个是主推进动力装置的设计，它包括了船舶阻力的计算，主机的选型，机桨的匹配，以及机舱设备的选择。
其中，阻力的计算使用的是爱尔法，对于中小船舶，爱尔法计算更为精确；而主机的选择则是通过初步匹配来确定；机舱设备的选择是根据经验公式，主机，母型船等来确定，包含了燃油系统，滑油系统，冷却水系统，压缩空气系统，舱底水系统，压载水系统，消防系统，生活水系统和机舱通风系统。
另一个内容则是机舱的布置，将选择出来的机电设备在机舱内进行布置。
并完成轮机说明书及管系布置图。
关键字：
船舶动力装置机舱设备选型管路系统
Abstract
Thispaperhasmadethedetaileddiscussionandanalysisonthemainpropulsionsystemcalculationaswellasselectiondesignandestimationwithselectionofequipmentcabinabout17000DWTGeneralcargoship.Itprovidedanoptimumdesigntemplateformainpropulsionsystemdesignselectionofequipmentcabinaboutthesimilarship.
Themarinepowerplantisthenecessarypartwhichcanensurethattheshipnormalnavigation,operation,parkingandcrewmembers,passengers,normalworkandlife.Itismaintaskistoproduceacertainenergyanddistributethisenergytoeachengineroomequipmentwhichcanensuretheshipworkandsailwell.It’stheheartoftheship.Themainpartsofthispaperhastwo:
oneisaboutthedesignforthemainpropulsionpowerplantwhichincludecomputingtheresistance,choosingthemainengine,matchingthemainengineandthepropellerandchoosingtheequipment.WecalculatetheresistanceoftheshipbyusingAyrewhichismoreaccurateforthesmallandmediumships.Weusetheprimarymatchingandultimatematchingtodeterminethemainengine,andwedeterminetheequipmentaccordingtotheempiricalequation、themainengine、theparentshipandsoon.Itincludefuelsystem,lubricatingsystem,coolingwatersystems,compressedairsystems,bilgewater,ballastwatersystems,firesystems,livingsystemsandcabinventilationsystem.
Anotheroneisaboutthearrangementoftheengineroom.Wedecoratetheequipmentwhichwechooseintheengineroom.What'smore,weshouldfinishtheturbinemanualandthepipinglayout.
KeyWords:
ShipPowerpointEquipmentLectotypePipelinesystem
1设计已知条件
1船型
本船为杂货船，单机单桨尾机舱布置。
2船舶主尺度
总长：
148m
垂线间长：
144.3m
水线长：
145.6m
型宽：
22m
型深：
13.6m
设计吃水：
8m
载重量：
17000t
排水量：
21000m3
3航速，续航力
设计航速：
13kn
续航能力：
15000海里
4燃油种类：
主机在海上航行时使用180cst/50º燃油，进出港起动和起动时使用柴油。
柴油发电机组使用柴油。
燃油锅炉燃油则使用180cst燃油，仅在点火时使用柴油。
5环境参数：
环境气压：
0.1013Mpa（760mmHg）
相对湿度：
60%
环境温度：
45℃
海水温度：
32℃
2主机选型论证
2.1概述
主机是一艘船舶的“心脏”，是船舶活动力的来源，因此主机选型是整个动力装置设计过程中的核心内容。
主机的性能直接影响到传播的其他各项参数，如船舶的操纵性，营运经济性，可靠性，振动及噪声以及机舱布置等等。
表征主机的主要性能参数包括：
额定功率，额定转速，平均有效压力，燃油和滑油消耗率，输出扭矩等。
在主机的选择过程中，要在保证动力的前提下，主机尽量轻，尺寸尽量小，以增加船舶载重量；对滑油燃油的要求尽量低，造价低，以减少成本。
2.2给定技术参数
总长：
148m；设计水线长：
145.6m；垂线间长：
144.3m型宽：
22m
型深:
13.6m；设计吃水：
8m。
排水体积:
21000m3；续航力:
15000海里；设计航速：
13kn。
2.3主机功率计算与选型
2.3.1用爱尔法估算船舶有效功率
用爱尔法估算船舶有效功率见《船舶原理（上）》P279——P286进行计算：
已知条件：
设计水线长：
，垂线间长：
，型宽：
，设计吃水
，排水量：
，速度：
。
宽度吃水比数
；方形系数
；
；
；傅汝德数
。
1系数修正：
（1）方形系数
修正：
标准
图7-3（《船舶原理》上P281）
标准
=0.78或查表7-5（《船舶原理》上P280）
《船舶原理》上P281表7-6
（1）
∴
（2）宽吃水比B/T修正：
修正值
（2）
∴
（3）浮心纵向位置
修正：
由于标准纵向浮心位置为
不清楚，所以默认为实际纵向浮心位置与标准纵向浮心位置重合。
∴
（4）水线长度
修正：
修正值
（3）
2实际设计船的有效功率：
（4）
2.3.2初级匹配
推进因子的确定
1）我们用泰勒公式计算伴流分数ω，因为泰勒公式适用于海船，对单螺旋桨船有:
2）推力减额分数t
对单螺旋桨船：
；式中：
对流线型舵或反应舵：
k=0.5~0.70；
对方形舵柱的双板舵：
0.70~0.90；
对单板舵：
k=0.90~1.05。
在这里选择流线型舵，k取0.7，故
3）相对旋转效率ηr
对单螺旋桨船：
ηr=0.98～1.05；这里取ηr=0.99
4）轴系传递效率ηs
对无减速齿轮箱的船：
ηs=0.96~0.98，这里取0.98。
螺旋桨根据母型船确定为5.5m，初步匹配计算过程如下：
序号
名称
代号
单位
计算公式及来源
数据
1
螺旋桨直径
D
m
给定
5.5
2
船身效率
ηh
1.16
3
进速
Va
kn
8.476
4
船体有效功率
Pe
kW
给定
2214
5
转速
n
r/min
假定
100
110
120
130
6
直径系数
δ
64.89
71.38
77.87
84.36
7
螺距比
P/D
查
—δ图谱，由δ等值线与最佳效率曲线的交点得到
0.65
0.62
0.55
0.57
8
淌水效率
η0
0.59
0.57
0.54
0.51
9
功率系数平方根
5.3
5.7
6.3
7
10
收到功率
Pd
kW
2538.16
2806.27
3518.97
4570.05
11
主机功率
Ps
kW
2616.12
2892.47
3627.05
4710.42
12
螺旋桨克服的有效推功率
Pts
kW
1737.12
1855.51
2204.28
2703.64
根据上表数据用Excel画图，得到下图：
根据Excel图得到：
转速n=121r/min，主机功率=3700kW。
主机选择：
考虑到功率储备约为10%~15%，所以主机功率在4200kW以上，经过选择有三款主机比较适合：
1）ManB&W7S35MC7，功率4410kW，转速147r/min，燃油消耗率171g/kW·h；
2）MITSUBISHIUEC37LSⅡ，功率4850kW，8缸机，转速140r/min，燃油消耗率171g/kW·h。
3）MITSUBISHIUEC40LSE，功率4710kW，6缸机，转速124r/min，燃油消耗率171g/kW·h。
根据比较最终选择第三款三菱UEC40LSE，这是三菱近几年研制出的柴油机，在性能等方面都不错。
2.3.3终结匹配
由于所给条件有限，没有给出指定航速有效功率曲线，故无法进行终结匹配。
3机电设备估算选型
本部分包括了船舶燃油系统、滑油系统、压缩空气系统、冷却水系统、舱底水系统、压载水系统、通风系统、消防系统、供水系统管路以及主要设备的计算。
估算公式，除特别说明外，均来自《船舶设计手册轮机手册》和《民用船舶动力装置》。
所选设备型号、排量、压头等均来自各个公司的主页。
辅机与锅炉根据母型船与经验得出。
3.0已知条件
1主机（一台）
型号：
MITSUBISHIUEC40LSE
形式：
四冲程，涡轮增压，船用柴油机
缸数：
6
直径：
400mm
行程：
1770mm
最大持续功率（MCR）：
4710kW
最大持续功率时转速：
124r/min
螺旋桨设计点功率：
4003.5kW
燃油消耗率：
171g/kW·h
启动系统：
压缩空气启动系统
2柴油机发电机组（3台）
柴油机：
康明斯KTA19-G4
型式：
直列，四冲程，六缸
缸径：
159mm
行程：
159mm
功率：
450kW
转速：
燃油消耗率：
208g/kW·h
3应急柴油机发电机组
柴油机：
康明斯6BTTA59-G2
功率：
100kW
型式：
四冲程，6缸
燃油消耗率：
208g/kW·h
4锅炉
本船设有废弃—燃油组合锅炉一台，正常行驶时使用废弃锅炉，不足时使用燃油锅炉，它的主要参数如下：
型号：
ZYS2/100-0.7
型式：
立式烟水管全自动组合锅炉
蒸汽产量：
2t/h
燃油消耗率：
290Kg/h
蒸汽压力：
0.7Mpa
3.1燃油系统
本船所选用的主机在正常行驶时使用180cst/50º燃油，进出港起动和起动时使用轻柴油，柴油发电机组使用柴油，燃油锅炉燃油则使用180cst燃油，仅在点火时使用轻柴油。
3.1.1主机耗油量
（4）
式中：
—主机耗油量，t；
—主机持续功率，4003.5kW；
—主机耗油率，171g/kW·h；
Z—主机台数，1台；
—续航力，15000/13=1153.85h
3.1.2辅机耗油量
（5）
式中：
—辅机燃油消耗量，t；
—辅机燃油消耗率，g/kW·h；
—续航力h，t2=1153.85h；
k—辅机负荷系数，取0.6；
—辅机标定功率kW，450kW；
3.1.3辅锅炉油耗量
（6）
式中：
k—使用系数，取0.5；
mg—辅锅炉燃油消耗率，t；
—辅锅炉燃油消耗率，290kg/h;
t—使用时间，1000h;
3.1.4燃油消耗量
主机和辅锅炉燃油中重油和轻柴油使用比例为9：
1。
3.1.4.1重油消耗量
（7）
3.1.4.2轻柴油消耗量
（8）
3.1.5燃油储存量
船舶进港后燃油仍需10%的裕度，以轻柴油为储备，故：
重油：
轻柴油：
3.1.6油舱容积
3.1.6.1重油舱
（9）
式中：
V1—重油舱容积，m3
ρr1—重油密度，0.93t/m3；
Cr—容积系数，1.1；
C0—储备系数，1.1；
Cf—风浪系数，1.2；
3.1.6.2轻柴油舱
（10）
式中：
V2—重油舱容积，m3
ρr2—重油密度，0.85t/m3；
3.1.7日用油柜容积
3.1.7.1主机日用油柜
（11）
式中：
VZ—主机日用油柜容积m3
t1—供油时间，取10h
3.1.7.2辅机日用油柜容积
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