船舶航速控制方案的设计 2.docx

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船舶航速控制方案的设计2

船舶航速控制方案的设计

摘要

船舶航速控制装置是一个复杂的工程系统，它包含着数量众多的机械和系统，而它们之间又有着密切的联系和相互影响。

主机为整个舰船提供动力，是航速控制装置系统中最重要的部分。

根据用途的不同，可以采用柴油机、汽轮机、燃气轮机、核航速控制装置作为舰船的主机。

在大型民用船舶和机动性、加速性要求高的军舰中，联合动力的使用非常普遍。

传动方式大致有直接传动和间接传动两种，传动设备可以包含轴系、离合器、齿轮箱、联轴器等等，这些功能部件形式多样、功能多样，可以根据实际情况作具体选择。

推进器主要是螺旋桨，在使用调距桨的舰船中，改变螺距也是一种比较实用的控制方式。

本文着力从柴油机方面入手研究船舶航速控制装置

关键词：

船舶航速控制装置；发动机；轴系；螺旋桨；仿真

Abstract

Arinepowerplantisacomplicatedengineeringsystem,itcontainsnumerousmachineryandsystems,andtheyhaveclosecontactbetweenandinfluenceeachother.Hostforthewholeshiptoprovidepowerinstailations,isthemostimportantpartofthesystem.Accordingtodifferentpurposesof,canusedieselengine,turbine,gasturbine,nuclearpowerplantasshipsmainframe.Inlargecivilianshipsandmobility,accelerationofthehighdemandofthecombinedpowerwarship,useaverycommon.Transmissionwaystoroughlydirecttransmissionandindirecttransmissiontwokinds,transmissionequipmentcancontainaxis,clutch,gearbox,couplingsetc,thesefunctionscomponentsarevarious,andthefunctionaldiversity,canchooseaccordingtoactualsituationindetails.Transmissionwaystoroughlydirecttransmissionandindirecttransmissiontwokinds,transmissionequipmentcancontainaxis,clutch,gearbox,couplingsetc,thesefunctionscomponentsarevarious,andthefunctionaldiversity,canchooseaccordingtoactualsituationindetails.Thrustersismainlyusedinthepropellerpitchpropeller（intheships,changethepitchisalsoamorepracticalcontrolmode.Atpresent,accordingtothemainenginetype,Marinepowerplantbasicallycanbedividedintofivetypes:

dieselpropulsionsystem,turbinepropulsionsystem,gasturbinepropulsiondevice,nuclearpropulsionsystem,jointpowerdevice.Becausedieselpowerdevicehasaveryhighefficiency,widerangeofmachineandpowermanyadvantagessuchasvanandmobilitygood,soitoccupiesinallkindsofshipofabsolutesuperiority;Ontheotherhand,nomatterwhatkindofMarinepowerplanttypeabove,inthedesignideas,methodsandstepshasgreatgenerality.ThisarticleemphaticallyfromthedieselengineaspectsresearchMarinepowerplant.

Keywords:

marinepowerplant;engine;shafting;propeller;simulation

第一章绪论

1.1课题的研究意义

1.1.1船舶航速控制装置研究的意义

船舶是水上运输、作业和保护国防的重要工具。

船舶航速控制装置为舰船提供一切动力，是舰船最核心的部分，它是为船舶的正常航行、作业、战斗和其他需要提供推进动力和各种二次能源（如电、蒸汽、热水、压缩空气等）的一套复杂的机电设备。

习惯上，船舶航速控制装置是船舶上的机电设备和系统的总称，一般由主推进装置、辅助供能装置、保障船舶生命力和安全的设备及保证船上人员正常生活所必需的设备和环境保护设备等组成。

综上所述船舶航速控制装置对于船舶的作用是显而易见的，船舶航速控制装置系统正在朝着多样化方向发展，构成形式也越来越复杂。

一方面研究船舶航速控制装置对船舶行业的发展是十分重要的，另一方面通过对船舶航速控制装置的研究可以拓展作者船舶知识面，为以后从事船舶工作打好基础。

1.2课题的研究背景

1.2.1船舶航速控制装置的研究背景

现在，船舶航速控制装置主要是以船用柴油机作为船舶推进动力来带动螺旋桨所组成的，船用柴油机作为船舶推进动力的主流航速控制装置。

最近五十年来，船用柴油机取得了前所未有的巨大发展。

单机功率不断的提高。

随着二战以后世界经济的复苏和发展，船舶逐渐向大型化和高速化方向发展，航速控制装置发动机的功率也越来越大了。

在柴油机大功率化的同时，油耗要求更低，可以使用劣质燃料的二冲程十字头式大型高增压低速超长冲程柴油机已经成为船舶航速控制装置的主要机型。

此外，船舶航速控制装置的经济性能也在逐步提高。

与国外先进航速控制装置相比,我国航速控制装置在很多方面存在问题。

例如，强化系数较大，作为表征柴油机强化度的指标,国外中高速柴油机的强化系数一般超过了24MPa·m/s,甚至超过了30MPa·m/s；而我国生产的同档功率柴油机的强化系数却在20MPa·m/s左右。

目前国内尚未采用高压共轨燃油喷射系统,相继增压系统,新工艺、新技术、新材料的应用也未能跟上国外先进柴油机的步伐。

近年来,我国船用中高速柴油机的技术水平获得较大发展,通过技术引进,不但掌握了国外柴油机先进技术,同时对我国柴油机制造厂家进行了相应的技术改进,补充和更新了一批关键工艺装备,积累了先进柴油机的制造经验。

在消化、吸收国外先进技术同时,也研制了部分新一代船用柴油机。

设计、研究和生产体系初具规模,但总体水平不高,关键零部件制造工艺落后,达不到高质量水平。

实用的船舶航速控制装置设计一般有以下要求：

性能要求：

为推进船舶和供应船上所需的各种能量，要求船舶航速控制装置可靠性高、机动性和操纵性好、燃料消耗费用低、振动小、噪声低。

对于军舰，还要求耐冲击和有核防护。

可靠性要求：

航速控制装置应在规定的航行环境（如风浪盐雾、冰区）和航行状态（如规定风浪下的摇摆、纵倾、横倾等）下安全可靠的运行，这是船舶最重要的性能要求。

为此，对航速控制装置的设计、制造、安装和试验均有专门的船舶建造规范和章程予以规定。

可靠性还取决于正确的操纵管理和设备的配置。

对重要辅助设备的配置需要考虑到有部分损坏时不致影响航速控制装置的正常运行。

机动性要求：

包括启动、加速、换向、倒车持续能力和低速稳定工作能力等性能。

机动性对于军舰和经常变负荷、变工况的船舶（如拖船、破冰船、渔船和救助船等）尤为重要。

各种航速控制装置的机动性各有优缺点。

柴油机和燃气轮机的启动性能好，但低速稳定性较差。

汽轮机低工况稳定性好，但启动性较差。

双机双桨航速控制装置能提高船舶的转向能力。

调距桨在加速、急停、倒航等机动性能方面较定距桨优越。

电力传动虽然两次能量损失较大，但由于有较好的操纵性能而在某些船上得到应用。

经济要求：

燃料消耗费用与燃料的种类、价格和消耗率等有关。

柴油机的燃料消耗率最低，低速柴油机已达163克/（千瓦•时）以下。

蒸汽航速控制装置可使用包括煤在内的各种燃料，而其他装置尚只能使用液体和气体燃料。

低速柴油机已能普遍燃用较高粘度的燃料油（即重油），甚至已有试用高粘度劣质燃料油的。

某些中速柴油机也能使用燃料油，因此可降低燃料费用。

高速柴油机和航空派生型燃气轮机用轻柴油，而工业型燃气轮机和大部分中速柴油机则使用重柴油。

进一步降低燃料消耗率和采用劣质燃料是航速控制装置的一个发展方向。

军舰因长时间低负荷运行，还应考虑低负荷时的经济性。

建造成本往往与热经济性有矛盾。

例如利用废热可以节约燃料，但要增加设备而使造价相应增加。

因此在采用新型航速控制装置和某种节能措施时必须考虑建造成本。

采用标准化、系列化产品，简化施工过程等都能降低建造成本。

1.3本文研究的内容与方法

1.3.1主要研究内容

船舶航速控制装置是一个复杂的工程系统，它包含着数量众多的机械和系统，而它们之间又有着密切的联系和相互影响。

主机为整个舰船提供动力，是航速控制装置系统中最重要的部分。

根据用途的不同，可以采用柴油机、汽轮机、燃气轮机、核航速控制装置作为舰船的主机。

在大型民用船舶和机动性、加速性要求高的军舰中，联合动力的使用非常普遍。

传动方式大致有直接传动和间接传动两种，传动设备可以包含轴系、离合器、齿轮箱、联轴器等等，这些功能部件形式多样、功能多样，可以根据实际情况作具体选择。

推进器主要是螺旋桨，在使用调距桨的舰船中，改变螺距也是一种比较实用的控制方式。

目前，按主发动机类型，船舶航速控制装置基本上可以分为五大类：

柴油机推进装置、汽轮机推进装置、燃气轮机推进装置、核动力推进装置、联合航速控制装置。

由于柴油机航速控制装置具有非常高的经济性、机型众多而且功率范围广范及机动性良好等优点，从而使它在各类船舶中占有绝对的优势；另一方面不论上述何种船舶航速控制装置型式，在设计观点、方法及步骤方面都具有很大的共性。

本文着力从柴油机方面入手研究船舶航速控制装置及仿真。

随着造船技术的发达和人们对高性能舰船的需求，航速控制装置系统在朝着多样化方向发展，构成形式也越来越复杂。

推进系统既可以是简单的单机单桨直接传动系统，也可以是多机多桨的联合航速控制装置。

归根到底，航速控制装置主要由主机、传动设备、推进器和船体这些基本功能部件组成。

如图1-1所示。

图1-1航速控制装置系统基本组成简图

由于作者本人水平、时间有限，在此将研究对象局限为“狭义的”航速控制装置系统，由主机、传动设备、螺旋桨以及舰船本体组成。

以工况较稳定的某万吨远洋货轮为例，设计并仿真其航速控制装置。

主要数据为：

船长L=184.72m,船宽B=18.435m,吃水T=9.8m,排水体积V=32000m3，航速Vs=9kn（m/s/0.5144）,此时的有效功率EHP=4474kW；伴流系数w=0.184，推力系数t=0.125，伴流不均匀性影响系数i1=i2=i3=1,轴系的转送效率ηc=0.97。

1.3.2主要研究方法

1、查阅相关文献，对船舶有一定认识。

2、分析船舶航速控制装置的工作原理。

3、完成船舶航速控制装置总体方案设计。

4、设计船舶轴系推进系统。

5、运用Pro-E对船舶轴系推进系统进行建模。

1.4本章小结

在大量文献阅读的基础上，本章阐述了船舶航速控制装置设计与仿真的研究意义，介绍了船舶航速控制装置及仿真技术的起步、发展和现状。

明确了本文的研究方向和主要内容。

确定了基本研究方法。

第二章总体方案设计

船舶航速控制装置包括几个系统和数量纵多的机械。

他们之间有着密切的联系和相互影响，形成一个复杂的工程系统。

这个工程系统的设计叫做总体设计。

本文从狭义航速控制装置的角度进行研究，其总体方案设计的要求是确定其组合型式，选定何种主机，传动轴系的数目，推进器的选择等。

2.1船舶航速控制装置的组合型式及其分类

本文研究的船舶航速控制装置即为推进装置，它的作用是：

由主机发出船舶推进所需要的功率，通过轴系与传动设备传给螺旋桨，从而使螺旋桨转动而产生推力，推动船舶运动。

图2-1是一种联合航速控制装置。

图2-1某舰推进装置布置图

从不同的角度看船舶航速控制装置的型式，就有不同的分类。

了解这些分类，可以对船舶航速控制装置有整体性认识。

2.1.1基本组合型式

根据主机、螺旋桨、轴系、传动方式的类型与数目的不同组合，就有不同型式的主推进装置，主要有下列四个方面的体现

1、按主机的类型与数目：

低速柴油机、中速柴油机、高速柴油机；单机、双机、多机等。

2、按螺旋桨类型与数目：

定距螺旋桨、变距螺旋桨；单桨、双桨和多桨等。

3、按轴系数目：

单轴、双轴、多轴等。

4、按传动方式：

机械传动、电力传动、液力传动；直接传动、间接传动等。

各种类型与数目的主机、螺旋桨轴系与传动方式都有其各自的技术特点。

按照不同船舶要求，适当地将上述四者予以合理组合，就构成各种各样具有不同特点的主推进装置，比较典型的如图2-2。

图2-2几种典型的推进装置组合型式

图2-2（a）是一种单轴系直接传动型式示意图。

图2-2（b）为双机双桨直接传动型式的示意图。

他们的共同优点是结构简单，使用寿命长，燃料费用低，维修保养方便，传动损失小，推进效率高等，其缺点是重量尺寸大，利用发动机倒车机动性差，非设计工况下运转时经济性差，低速和微速航行时受到限制。

图2-2（c）、（d）是齿轮减速推进装置的示意图。

推进装置配置了齿轮减速装置后，不仅可以单机单桨，而且可以多机并车驱动一个螺旋桨，这样便提高了推进装置的功率使用范围，从而简化了机型。

图2-2（e）、（f）是双机并车齿轮减速推进装置型式示意图。

2.1.2船舶航速控制装置的分类

船舶航速控制装置的基本介绍;主航速控制装置,又称推进装置,是为船舶提供推进动力,保证船舶以一定速度的各种机械设备,包括主机及其附属设备,是全船的心脏.主航速控制装置包括主机、传动设备、轴系、推进器等.当启动主机,即可驱动传动设备和轴系,使推进器工作.当推进器,通常是螺旋桨,在水中旋转时就能使船舶前进或后退.主航速控制装置以主机类型命名,主要有柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机、汽轮机和核航速控制装置等五类

1、柴油机推进装置——优点是热效率高,燃料消耗明显地低于蒸汽机航速控制装置.

2、蒸汽轮机航速控制装置----优点是结构简单,造价低廉,管理使用方便,制造工艺要求不高;缺点是热效率低,本身重量大。

3、燃气轮机推进装置——燃气轮机同柴油机和汽轮机比较,单机功率大、体积小、重量轻、加速性能好,能随时起动并很快发出最大功率.燃气轮机在高温、高压下工作,对燃油质量要求很高,热效率也比柴油机低得多。

4、汽轮机推进装置——优点是单机功率大,使用可靠,运转平稳,无振动和噪声,检修工作量小,锅炉可燃用劣质油.但汽轮机油耗比柴油机高。

5、核动力推进装置——在核动力推进装置中常见的有汽轮机齿轮减速式；汽轮机电传动式。

核航速控制装置主要用于大型军舰和潜艇

6、辅助航速控制装置----辅助航速控制装置是用于提供除推进装置以外的各种能量,供船舶航行、作业和生活需要的装置,包括为全船提供电力、照明和其他动力的装置,如发电机组、副锅炉等.

此外船舶航速控制装置的型式还可以根据主机能量传递给推进器的不同形式进行分类。

这样就可以分为直接传动和间接传动两种。

2.2各种型式航速控制装置的特点

2.2.1按主发动机型式

主发动机简称主机，用于船舶推进的热力发动机有蒸汽机、汽轮机、柴油机、汽油机和燃气轮机等。

对于无推进器的工程船舶,用于驱动主发电机、液压油泵或工程机械（如泥浆泵）等的发动机也称为主机。

1、柴油机航速控制装置[4]

目前柴油机航速控制装置在船舶航速控制装置中占着最重要的地位。

常见的型式有低速柴油机直接传动式定距桨推进装置；低速柴油机直接传动式调距桨推进装置；中速柴油机齿轮减速式定距桨推进装置；中、高速柴油机可反转齿轮减速式定距桨推进装置；中、高速柴油机齿轮减速式调距桨推进装置；中、高速柴油机电力传动式定距桨推进装置；中、高速柴油机喷水推进器推进装置。

在2000t以上的民用运输船舶中，柴油机的使用率，占总艘数的98%以上，装船总功率达到90%以上。

柴油机航速控制装置具有以下优点：

（1）良好的经济性，一方面其耗油率低，另一方面中高速柴油机还可以燃烧劣质燃料。

（2）中高速机在质量、尺寸方面具有较强的竞争力，而且辅助设备少，布置简单。

（3）良好的机动性，操作简单，启动方便，正倒车迅速。

（4）高可靠性能适应各类船舶。

当然柴油机航速控制装置也有缺点，主要有：

（1）单机功率仍较蒸汽轮机、燃气轮机装置小，柔其是中高速机。

（2）振动、噪声大。

（3）高速机的寿命较短。

（4）低速稳定性差。

进一步提高热效率，采用劣质燃料或混合燃料，采用机带或轴带发电机和辅机,减少辅机所需的功率等,是柴油机航速控制装置的发展方向。

2、蒸汽轮机航速控制装置

蒸汽机航速控制装置以蒸汽机为主机的航速控制装置，是最早在船舶上使用的航速控制装置。

蒸汽机因其热效率低、质量大、功率小，已渐被淘汰。

蒸汽轮机航速控制装置的主要优点有：

（1）功率大，现代船用蒸汽轮机的单机组功率可以达到7.5×104kw以上。

（2）蒸汽轮机系回转机械，回转稳定，无周期性扰动，因而振动小、噪声相对来说也是较低的。

（3）磨损部件少，可靠性高。

（4）可以使用劣质燃料，润滑油消耗也很低。

蒸汽轮机的主要缺点有：

（1）装置总质量尺寸大、主锅炉需要很多辅助机械和设备为其服务。

（2）装置经济性较差、尽管可以燃烧劣质燃料，但其耗油率很高。

（3）机动性差，即使在暖机情况下，也需要15——20min才能起动，加速到额定工况，工况变换的过渡时间也较长。

3、燃气轮机航速控制装置

以燃气轮机为主机的航速控制装置。

它具有质量小、尺寸小、启动快、加速性好、运行维护简便等优点，因而在舰艇上得到广泛应用。

从小型的气垫船到大型军舰，都有用燃气轮机作为主机的。

船用燃气轮机有航空派生型和工业型两种。

前者较轻巧，设备简单，但须燃用轻质燃料，通常为舰艇使用。

后者寿命较长，可燃用重柴油，一般用于民用船舶上。

燃气轮机航速控制装置有如下优点：

（1）单位功率的质量尺寸很小。

（2）良好的机动性。

（3）燃料消耗率不及柴油机低，一般达到200--390g/（kw·h）,低负荷时经济性的恶化比蒸汽轮机影响小。

燃气轮机航速控制装置具有以下缺点：

（1）燃气轮机一般不能反转，故须采用可逆转齿轮减速器、可逆转液力耦合器、电力传动装置或调距桨实现倒车。

必须借助于起动电机或其他起动机械起动。

（2）由于燃气的高温，叶片材料使用的合金钢昂贵，因此工作可靠性较差、寿命短，如燃气初温在750摄氏度以上的燃气轮机，寿命仅仅为500~1000h；

（3）由于燃气轮机航速控制装置工作时空气流量很大，一般为16~23kg/（kw·h）,因此进、排气管道尺寸较大，舱内布置困难，甲板上有较大的通过管道开口，影响船体强度。

4、联合航速控制装置

对于舰艇等军事船舶，为进一步提高战斗力，要求舰艇必须尽可能地提高航速和机动能力可以选用联合航速控制装置。

1）蒸汽轮机航速控制装置带燃气轮机加速装置

此种装置由于蒸汽轮机装置的一系列优点，与燃气轮机航速控制装置联合后，能适用于功率较大的轻型舰艇。

2）全工况蒸气轮机航速控制装置带燃气轮机装置

这类装置中，巡航燃气轮机航速控制装置可以采用复式线路（带中间冷却器及回热）工作的开式或闭式循环工作的燃气轮机。

3）柴油机与燃气轮机联合

这类装置中，柴油机作巡航机时，与燃气轮机两者都通过离合器与主减速器相连，采用倒顺离合器或调距桨实现倒车。

4）柴油机双机并车齿轮传动

中小型军舰、渡船和海洋救助拖轮等，要求有较大的推进功率，而机舱的容积和装置的质量大小又受到限制，因此常通过减速齿轮和离合器等将尺寸、质量较小的两台或多台中速柴油机的功率合并到一根螺旋桨轴上组成大功率的多机并车推进装置,如图2-3。

低负荷时，可脱开部分柴油机而使其余柴油机接近于全负荷运行。

多机并车装置能提高船舶低速航行的经济性和装置的可靠性。

图2-3柴油机双机并车齿轮传动装置

5）燃-燃并列联合装置

对于一些排水量较大的军舰，要求有较大的巡航功率，又要保证较高的全航速，这时巡航机组和加速机组采用功率较大且机型相同的燃气轮机。

巡航时只用巡航机组，加速时巡航机组和加速机组同时使用，称为燃-燃并列联合装置。

图2-4全燃联合航速控制装置机械设备布置图

图2-4为全燃联合航速控制装置的机械设备布置图。

燃气轮机加速机组（即主燃气轮机）与巡航机组并车，经减速齿轮箱和轴系驱动螺旋桨。

发电机组用柴油机作为原动机，设有四台柴油机，辅助锅炉设有两台。

大部分直接为燃气轮机服务的辅助设备都装在燃气轮机上。

5、核航速控制装置

核航速控制装置利用原子核的裂变能通过工作介质（蒸汽或燃气）推动汽轮机或燃气轮机以带动螺旋桨的一种航速控制装置。

已获得实用的唯一装置是压水堆-汽轮机推进装置。

以铀235为主的核燃料在压水堆内进行裂变并放出大量热能。

压力较高的冷却水在反应堆与蒸汽发生器之间进行循环，一方面使反应堆冷却，同时在蒸汽发生器中将热量传给水，产生蒸汽供给汽轮机作功。

核航速控制装置的特点是核燃料的消耗很少，续航力很大，这对远航军舰和破冰船是很有利的。

此外，它不需要空气助燃，发动机无需进气和排气，能为潜艇提供在水下长期航行的可能，同时大大提高潜艇的隐蔽性和水下作战能力。

它的缺点是必须备有质量和尺寸较大的防护屏装置和一整套安全防护设施，而且造价昂贵，操纵管理技术复杂，换料和核废物处理等都很麻烦，所以主要是在潜艇和大型水面舰上应用，而在民用船舶中尚难以推广。

2.2.2按传动型式

船舶航速控制装置还可按主机能量传递给推进器的形式分为直接传动和间接传动两种。

1、直接传动

直接传动推进装置是一种非常常见的非常基本的推进装置。

主发动机和螺旋桨之间除了传递功率用的轴系之外，是没有其他传动设备的。

在任何工况下，螺旋桨与主机具有相同的转速和转向，由于螺旋桨在较低转速时才有较高的效率，因此，直接传动推进装置一般都采用低速柴油机。

这种传动方式可减少中间环节的损失，传动效率高，设备简单。

低速柴油机固有的特点就直接成为这种推进装置的特点。

直接传动时，主机通过轴系与推进器直接相连，主机与推进器转速和转向相同。

这种传动方式可减少中间环节的损失，传动效率高，设备简单。

低速柴油机、蒸汽机等常采用这种传动方式。

2、间接传动

间接传动时，主机能量通过传动装置传给轴系和推进器，主机和推进器转速不相同。

传动装置有