集装箱船及其动力装置

船舶动力装置概论[集装箱船及其动力装置的选择分析]专业：[船舶与海洋工程]班级：[]学号：[]学生姓名：[]完成时间：2019年12月14日-1-目录一、集装箱船概览..........................................21.1集装箱船的优点....................................21.2集装箱船的发展趋势................................3二、大型集装箱船对动力装置的要求...........................3三、动力装置的选择.........................................3四、集装箱船中几种具有竞争力的动力装置对比.................44.1大型低速柴油机......................................44.2大型中速柴油机......................................54.3蒸气透平机..........................................64.4燃气轮机............................................64.5核动力装置..........................................7五、提高柴油机动力装置功率的途径...........................75.1提高柴油机的强化程度................................75.2增加气缸数..........................................75.3增大气缸直径........................................85.4双机动力装置........................................8-2-集装箱船及其动力装置的选择分析针对大型集装箱船，讨论其对推进主机的要求，选择大型低速柴油机作为其动力装置，并分析了提高柴油机功率的途径及柴油机及附属设备改进的主要措施。一、集装箱船概览集装箱船可分为全集装箱船和半集装箱船两种，其结构和形状跟常规货船有明显不同。集装箱船装卸速度高，停港时间短，大多采用高航速，通常为每小时20—23海里。近年来，美国，英国，日本等国进出口的杂货约有70%--90%使用集装箱运输。1.1集装箱船的优点（1）可以节约装卸劳动力，减少运输费用。一般货船采用单件或小型组合件形式装运，费力又费时。集装箱船采用国际统一规格的集装箱运输货物，打破了一捆、一包单件装卸的传统形式，大大减轻装卸工人劳动强度，加快了装卸速度，减少人工装卸费用。（2）利用集装箱船运输，可以减少货物的损耗和损失，保证运输质量。这是因为货物在生产工厂里就装进一只只集装箱，中途经公路、铁路、水上运输，均不开箱，可把货物直接运到用户手中。这样，可减少货物在运输途中损耗和遗失，还可节约包装费用。（3）集装箱船装卸效率高。一艘集装箱船的货物装卸速度大约是相同吨位的普通货船三倍左右，而大型高速集装箱船的装卸速度差不多是同吨位普通货船的4—5倍。减少了船舶停靠码头时间，加快船舶周转，提高船舶、车辆及其它交通工具的利用率。由于集装箱船进行集装箱运输具有上述优点，所以，集装箱船和集装箱运输得到迅速发展。-3-1.2集装箱船的发展趋势20世纪70年代初，集装箱船舶的载箱量一般在700~1000TEU左右；到1996年，集装箱船舶载箱量从5000TEU增至7000TEU。船舶大型化的发展往往突破人们认识和想象的界限。4年后，劳氏船级社提出，按现有集装箱码头设施水平，能作业的最大集装箱船舶为10000TEU；2007年，13000TEU级集装箱船舶诞生；如今，马士基18000TEU级集装箱船舶已投入运营。可以说，目前集装箱船型仍远远小于船舶建造能力，集装箱船舶大型化仍有进一步提升的空间。现代集装箱船正向着大型化、高速化，多用途方向发展。二、大型集装箱船对动力装置的要求集装箱船对于主推进动力装置的要求是能够提供足够大的功率和有着良好的可靠性。（1）集装箱船的大型化和高速化决定了所需的推进动力装置必须具有足够大的功率，即大型集装箱船所需的功率。（2）集装箱船所装的货物价值较高，并且通常在很紧的时间表下工作，航班的延误意味着重大的经济损失，甚至一艘船的延误会打乱整个货物运输服务体系。因此，主推进动力装置的可靠性对于保证船舶运行至关重要，甚至要求主推进动力装置有足够的功率储备，在必要时能够赶回时间，保证船舶的正点运行。（3）集装箱船的停港时间较短，因此要求主机的主要部件能够长期可靠运转，并有较长和明确的大修周期，以安排主机的维修工作。很明显，柴油机在这些方面都有着明显的优势。三、动力装置的选择正如一般自然规律，船型的发展，是被船用动力装置——推进用的主机和其他辅机——所大大影响着的。海上集装箱船的出现，由于要求有很大的功率，以保持营运速度在22~24海里之间。因此，集装箱船的迅速发展和被广泛使用，不仅在船体设计和货物处-4-理方法方面，发生了很大的变化，而且对船舶动力装置——推进用的主机和其他辅机设计的改进、主机输出功率量的提高、航速的加快等等方面，也产生了巨大影响。虽然，除了极少数的例外，在今天世界上所有的海上集装箱船使用的各类动力装置中，蒸气透平机和柴油机这两个主要对手的竞争继续不减。但是近年内，大型低速十字头柴油机已超过45000匹轴马力。另外，由多部中速筒状活塞柴油机组组成的原动机装置的发展，以及此型原动机单机功率已经达到20000匹轴马力以上，柴油机现在已成为海上船用动力装置中有力竞争者，而燃气轮机动力装置和核动力装置也被安装在海上集装箱船上。四、集装箱船中几种具有竞争力的动力装置对比4.1大型低速柴油机安装在海上集装箱船中的各类大型低速柴油机系列中，虽然在设计上有差别，但仍有许多共同性的相当一致的特点。如大缸径、二冲程、增压等。但是，应当指出，海上集装箱船用的大型低速十字头二冲程柴油机，由于使用很大直径的气缸以后，就必须克服包括活塞、气缸及气缸盖在内的金属材料里热应力所出现的各种问题。到现在为止，气缸直径似乎已达到了实际上的最大限度。然而，如让机器所使用的平均有效压力大大提高，那么气缸尺寸，就可相应减小。由于要提高每缸的输出功率，而这型机器又不可能增加转速，所以只能通过增加平均有效压力来取得更大的马力。目前有不少大型集装箱船一设计采用的都是三部大缸径低速柴油机。这些集装箱船，每艘安装的轴马力总数约为80000匹。如果使用证明是成功的，并能和同吨位的蒸气透平机船相竞争的话，结果将会牺牲中速机而大量生产低速机。虽然，现在使用的12缸低速柴油机的最大持续功率几达50000匹辅马力。除了用一个推进器在超过这个功率时有困难外，可以看到，活塞、气缸盖、排气阀等大另件的尺寸和重量必然会受到限制。尽管大型柴油机是可靠的，但在海上复杂的环境中航行时仍然会有可能发生损坏事故船舶在艰巨的海上停行和在摆-5-动中处理很重的重物是相当困难的。然而，尽管推进器的设计和船体设计问题限制了发动机功率到45000辅马力或甚至更小。事实上却又不能阻止大缸径发动机，船公司会装备比现在最大的12缸发动机缸数较少的发动机，也可能换用现在大发动机制造厂已经使用的发动机的类似设计，而将缸径冲程减少一些。因为从船公司的观点来看，所有这些低速柴油机发动机的尺寸、重量和营运需要都是重要因素。至于将来，从低速柴油机结构形式发展来看，虽然这种推进机器的结构设计将是要解决的。不过有几点基本发展方向是可以肯定的：（1）采用单流扫气系统（2）在每个气缸上采用多排气阅(最好3个或4个)（3）机器工作部件将进一步简化4.2大型中速柴油机如前所述，近年来有不少大型集装箱船都采用每轮安装三部大缸径低速机——轴马力总数约为80000匹。不过，无论如何，对于中速机的要求总是存在的，特别是当其通过进一步发展有更先进的设计，每缸输出马力有了增加的时候，要求量必然会有增加。因为从下述两部中速机取代一部大型低速机的对比中可以看到它的优点：(1)创始投资可以降低(2)机房可以较短(3)机房高度可以大大降低(4)机重大量减轻。(5)操纵灵活性增加鉴于这些优点，对某些类型的船舶，尤其是集装箱船和“开进开出船”显然是值得使用的。但是，中速柴油机与低速柴油机比较，它的一个不可避免的缺点就是，相同功率输出量，工作部件的数目大大增加。虽然燃油消耗大致相近，但中速筒状活塞机的润滑油消耗量是十字头型发动机的三倍以上。其次是，除非燃料受到小心控制、发动机在适合的温度下运转、活塞环设计正确和材料恰当而不至于损坏和在槽里能自由活动、使用台适的相当高碱度的专用清洁剂油，否则曲-6-柄轴的腐蚀会达到严重的地步。可是无论如何，中速柴油机却总具有机身轻，体积小和消耗燃料低等优点。4.3蒸气透平机由于和其他类型的船用推进机器相比，在制造尺度上几乎没有什么限制及比现存的任何柴油机具有提供更大马力的优点。加之，至今所取得的改进效果。该类型的动力装置将在一段时间内，被集装箱船作为主要推进动力装置而使用。至于安装在集装箱船上的蒸气透平机未来的改进似乎主要是在制造方法上。以及如何使机器使用寿命更长更可靠。目前先进的蒸气透平机装置使用105．1公斤／厘米(1480磅／英寸)的压力，541℃(1005~cF)的回热温度，热效率大约已经提高到35~35．5。但是，与同功率的大型低速柴油机和中速筒状活塞机的相对热效率比较，其热效率还是比较低的。因此，燃料消耗较大。4.4燃气轮机大型的工业燃气轮机，在使用渣油时，出现的问题还未完全满意地解决。冶金工业的水平限制了燃气轮机的进口溢度。跟柴油机比较，它的热效率较低。同时，喷咀和叶片的腐烂、腐蚀和积垢问题至今也还未完全解决。所以，重级工业型燃气轮机是否在作为海上集装箱船用推进动力装置——主机上能占一定的位置，将决定于其燃料费用能否达到内燃机那样的程度。重级工业型燃气轮机所用燃油就算比一般船用燃油贵得多，它仍比飞机喷气型燃气轮机为优。这种优点是在于在制造上能较易的造出一个低消耗燃油的发生器，如果重级工业型燃气轮机再配上一套废气锅炉和蒸气透平机的话，那么将会取得的较低的耗油水平，不过这样就会使整套主机变得复杂，不易受船东的欢迎。至于高速的航空燃气轮机对大战舰是适用的。然而战舰的工作条件和经济性跟商船是完全不同的。军舰在和平时期的航行时问，一年内大都不超过1000小时，而在商船作为主机每年必航行5000~7000小时。-7-4.5核动力装置由于能源缺乏问题今已成为全球性的共同性问题，尤其是在工业较发达的资本主义国家和世界主要海运国家更是如此。因此，目前似乎已很少有人怀疑到将来核推进装置会取代其它燃烧石油燃料的机器。现在核推进装置的经济性较差尤其需要昂贵的基本安全装置。随着越来越多的核动力装置运转知识的获得和实践经验的积累，更简化的反应堆和防护材料毫无疑问将得到发展，这必然降低极高的初成本，而提高其竞争地位和能力。据国外资料报道。海上集装箱船用核动力装置可能是用一种先进的高压、石墨缓冲、气冷的反应堆，配上高压热燃气驱动的冲动推进的燃气轮机的方法。目前核潜艇上用的相当小的沸水反应堆被当作是核能商业利用的过渡解决办法。另一种可能性是直接把核能化为电能去驱动电动机。然而，专家们估计，要实现这个梦想还要做许多工作。通过上述比较，可以清楚地看到，集装箱船用现代化的有效的高压回热蒸气轮机和大型低速和多机中速柴油机的海上霸权之争，将继续多年。而核动力装置的竞争能力和地位也还在不断提高和加强。五、提高柴油机动力装置功率的途径为了满足下一代超大型集装箱船对主机功率的要求，必须进一步提高柴油机动力装置的推进功率。目前主要考虑下述方案：5.1提高柴油机的强化程度这是在不改变柴油机重大结构尺寸的条件下提高柴油机功率的唯一途径，需要综合材料的性能、零部件的结构、燃油的喷射和燃烧过程等各个方面，保证柴油