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2
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(3)
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船舶尺寸
当船舶载货浮于水面时,其排水量与船舶所排水的重量相等,因此,船舶排水量与在密度为1.025t/m3,的海水中不同装载的船舶总重量相等。
船舶排水量包括船舶空载排水量及船舶载重量,其中,船舶载重量即为船舶装载容量,包括船舶推进所需的燃料以及其他必需品。
因此,在任何情况下,船舶载重量代表了船舶实际排水量与空载排水量之间的差值,以吨为单位表示为:
船舶载重量=船舶排水量一船舶空载排水量(t)有时候,“吨”一词并不总能表示同样的重量。
除公吨外,还有英吨(1016kg),也叫“长吨”,而“短吨”约为907kg。
船舶空载排水量并不常用来指示船舶尺寸大小,相反,基于船舶载重能力的船舶载重量,包括燃油、滑油等常用来指示船舶的尺寸。
机械布置
当今船上主要安装有三种类型的机械。
它们各自的优点随着技术的进步和提高以及经济方面的因素(如燃料价格)而变化。
因此,在这里仅从工程的角度来谈机械的布置。
这三种布置涉及直接传动低速柴油机、带有齿轮箱的中速柴油机和带有齿轮箱驱动螺旋桨的蒸汽轮机。
为有效工作,螺旋奖必须在低转速下运转。
因此,不管原动机的转速如何,螺旋桨必须保持转速为80~100r/min。
低速柴油机的转速在此低转速范围之内,因此其曲轴可以和螺旋桨轴直接相连;
而中速柴油机的转速范围为250~750r/min,因此不能直接和螺旋桨轴直接相连,(但)可采用减速齿轮箱来降低转速用于驱动螺旋桨。
蒸汽轮机的转速很高,可达6000r/min。
同样,必须采用减速齿轮箱来降低转速用于驱动螺旋桨。
低速柴油机常见的典型低速柴油机的平面图和正面图如图1-1所示。
在该布置图中,柴油机为六缸直接驱动式。
(图中)唯一可见的辅助设备为位于上层的柴油发电机和下层的空压机。
机舱中
3的其他辅助设备包括另外的发电机、油水分离器、造水机、若干泵和换热器。
辅锅炉和废气换热器可安装于通往烟囱的机舱上部空间。
在(机舱)上层,还有各种各样的工作间、仓库和机械控制室。
带齿轮减速器的中速柴油机
图1-2所示的火车轮渡船的机舱布置采用四台中速柴油机(500r/min)。
其齿轮装置以170r/min的转速双螺旋驱动两个变距桨。
减速装置驱动轴带发电机,用于提供海上所需电力。
在最低高度的机舱空间中,这种在机舱底部还布置有各种各样的泵及辅助机械。
废气锅炉及其烟囱位于左右两舷,紧靠船体板。
三台柴油发电机、焚烧炉和其他辅助设备位于一单独发电机房,其前面为集控室。
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第2课船用柴油机是如何工作的
柴油机是一种内燃机,通过把燃油喷入高温高压的燃烧室而发火。
船用柴油机是一种在船上使用的柴油机。
其工作原理如下:
一定量的新鲜空气被吸入或泵入气缸并被运动的活塞压缩至很高的压力。
空气被压缩时,温度升高,便点燃喷入气缸的油雾。
燃油的燃烧对缸内空气的加热,使空气膨胀并迫使发动机活塞对曲轴做功,随之驱动螺旋桨。
两次喷油期间的运转过程叫一个工作循环。
它由一些程序固定的过程组成。
这个循环可在二行程或四行程内完成。
四冲程柴油机的工作循环需要四个独立的活塞行程,即吸气、压缩、膨胀和排气。
如果我们把吸气和排气行程与压缩和膨胀行程结合起来,四冲程柴油机就变成了二冲程柴油机。
如图2-1(a)~(d)所示。
二冲程循环从活塞离开其行程底部,即下止点(BDC)向上运行开始,气缸侧面的进气口即扫气口是打开的(图2-1(a)),排气口也是打开的。
经压缩的新鲜空气充入气缸,通过排气口将上一行程的残余废气吹出。
当活塞上行至其行程的1/5时,关闭进、排气口,随后空气在活塞上行中被压缩(图2-1(b))。
当活塞上行到行程顶部,即上止点(TDC)时空气的压力和温度都升高到很高的数值。
(此时)喷油器把很细的油雾喷入炽热的空气中,燃烧开始,从而产生更高的压力。
随着高压气体的膨胀,活塞被推动下行(图2-1(c)),直到它打开排气口,废气开始排出(图2-1(d)),活塞继续下行直到它打开进气口,另一个循环开始。
在二冲程柴油机中,曲轴转一转产生一个动力冲程,即做功行程,而在四冲程柴油机中,曲轴转两转才产生一个动力行程。
这就是为什么从理论上说,二冲程柴油机能产生相同尺寸的四冲程柴油机的2倍功率,然而,扫气不充分和其他损失使功率势降低到大约1.8倍。
在船上,每种柴油机都有它的作用。
低速(即90~120r/min)主推进机柴油机以二冲程工作。
在此低速下,机桨间不需减速齿轮箱。
四冲程柴油机(通常以中速运转,转速在250~750
5r/min)用于发电机,并且有时做推进主机,用减速箱提供90~120r/min的转速。
工作循环
柴油机可设计成二冲程循环或以四冲程循环工作,二者解释如下:
四冲程循环
图2-2示出了典型的两转四冲程循环的过程顺序。
该图通常从上止点(TDC,发火)开始绘制,因此就从上止点(TDC,扫气)开始解释。
上止点又叫内止点。
沿该图顺时针看,开始时进排气阀都是打开的(所有现代四冲程柴油机均有气阀机构)。
如果柴油机是自然换气或带有径流增压器的小型高速机,气阀的重叠时间,即两气阀同时开
启的时间将很短。
排气阀将在上止点后(ATDC)100左右关闭。
推进柴油机和绝大多数1000r/min以下运转的辅助发电柴油机几乎都采用涡轮增压,并设计成在这一时刻让大量的扫气空气贯穿流动以控制适当的叶片温度。
在这种情况下,排气阀将保持开启直到上止点后500~600关闭。
随着活塞在其吸气行程向外或下止点下行,它
将吸入大量新鲜空气。
为使吸入空气量达到最大,并补偿因阀落座造成的开启量减少或吸气惯性作用,进气阀总保持开启,直到下止点后大约250~300(1450~1550BTDC)。
充入的空气随后被上行的活塞压缩至大约5500C。
依柴油机的型号和转速而定,大约在100~200BTDC,喷油器喷入精细雾化的燃油。
喷入的燃油在20~70内着火(也依机型而定),活塞在膨胀行程下行,在300~500的期间内燃烧。
活塞的运动通常有利于诱导空气助燃。
在1200~1500ATDC,排气阀打开(EVO)。
这样选择正时能迅速将缸内气体排至排气管。
6这样可以:
(a)保留足够的能量驱动废气涡轮增压器;
(b)减小缸内压力在下止点时达到最小值以减小排气行程消耗的泵气功。
上行的活塞驱赶残留的废气,在700~800BTDC,进气阀打开,这样向外流动的气体的惯性加上正压差(此时通常在气缸中是存在的),就产生了空气对废气的贯穿气流以清扫气缸。
如果柴油机是自然换气的,进气阀开启(IVO)约在上止点前100。
工作循环重新开始。
二冲程循环
图2-3示出了典型二冲程循环的工作过程,正如其名称所指,工作循环是在曲轴转一周内完成的。
二冲程柴油机总是有进气口,该气口被下行的活塞打开时使空气进入气缸。
废气可以经与进气口临近的排气口由同一活塞控制排出(回流扫气),或经气缸另一侧的排气口排出,或经排气阀排出(直流扫气)。
从上止点开始,燃烧已经进行。
排气在上止点后1100~1200开启,进气在随后200~300,即上止点后1300~1500开始以迅速吹扫气缸。
用这种方式,以音速流动的废气惯性促使空气迅速流过气缸,以产生最小的(新废气)掺混,因为所有未排出的废气都会降低下一行程的空气量。
在压缩行程,排气口应当在进气口前关闭以使充气量最大,但如果两个过程是同一活塞控制的,发动机的几何形状会妨碍其及时关闭。
这种情况可在有排气阀的柴油机中实现。
在任何情况下,进气口都将在下止点后,以和下止点前开启时相同的角度被关闭,即在下止点后1300~1500关闭,排气口在同样的角度范围关闭。
喷油在上止点前约100~200开始,角度依转速而定。
燃烧同四冲程机一样持续300~500。
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第3课柴油机结构
机座和机架
在大多数情况下机座是焊接结构,用螺栓固定在构成船舶双层底的底座上。
它在横向借助于侧楔垫螺栓,在纵向借助于端楔垫螺栓固定。
曲轴安放在机座横梁的轴承上,这些轴承称作主轴承。
每个轴承由两块轴瓦组成,两块
轴瓦由在机座上加工出的瓦座支撑,用双头螺栓和轴承盖固定,即推力轴承位于发动机的尾部,可同机座制成一体,也可同机座分开。
在机座上平面装有若干铸铁或锻钢制成的A形机架,机架安装在机座的横梁上,并用
螺栓固定。
A形机架顶部有一个结实的框架结构叫扫气箱。
该扫气箱分若干段,每段均带有垂直法兰,通过螺栓可将它们在链传动装置前1~3缸的部分连成一体,链传动装置后4缸~6缸的部分连成一体。
链传动装置将曲轴和凸轮轴连在一起,封闭在链传动箱的壳体内。
气缸和气缸盖
在扫气箱上部,每个气缸装有一个坚固的铸铁框架。
这些框架称作气缸体或冷却水套,并带有垂直法兰,与扫气箱一样,可用螺栓将各框架连成首尾一组。
机座、机架和气缸体用长贯穿螺栓连到一起,形成一个较大的坚实结构,减少了使用时产生的变形及振动。
气缸套由铸铁制造,缸套表面有时镀铬。
气缸套有些向下延伸到扫气箱。
缸套与扫气箱顶部的密封由橡胶圈实现,橡胶圈安装在缸套上切削的环槽内。
在气缸套伸入扫气箱内的部位有一列开口就是所谓的扫气口。
气口的高度是这样布置的,当活塞位于下止点时,活塞上缘刚好打开气口。
气口在缸套上以大约200的倾角钻成,其结果是使扫气旋转。
缸盖装在缸套顶部的平面上,并由机械加工的凸肩定位。
密封圈嵌入在缸盖锥形部分车削的环槽中。
将密封圈嵌入锥形面时必须十分小心。
气缸盖和气缸套用旋入缸体中的双头螺栓固定。
缸套上有钻孔,用于润滑,新型的缸套在其最上部钻孔用于冷却。
每个缸盖上有一个大型的中心孔,用于安装排气阀,还有两到三个用于装喷油器;
还有些孔用来安装起动阀、安全阀、示功阀,以及排气阀冷却水腔的进出口。
活塞及活塞杆活塞由其下部——铸铁制成的活塞裙,以及上部——耐热钢制成的活塞头组成。
它们用
螺栓连在一起并固定在活塞杆上。
活塞部件相互间的位置由活塞头上车削的凹槽和定位销来固定。
每个活塞装有五至六道活塞环,活塞环装在头部镀铬的环槽中。
最上面的两三道活塞环是带斜切口的窄环,紧接下去的两道活塞环是带有重叠搭口的宽环。
最下面的那道环是刮油环。
所有活塞环顶部和底部的外缘都稍有倒角,以便在新活塞环磨合期间缸套上留有油膜。
为了控制热应力,某些现代柴油机采用薄壁集中冷却活塞。
在这种情况下,活塞头内部有一插件,它用来对冷却液流导向,由此可增强传统的“鸡尾震荡”效应。
活塞杆从顶部法兰到与十字头中心相对位置处锉孔。
一根长管从此插入接近孔底。
管的外径小于孔的直径,因此在活塞杆和管子之间形成一个环形空间。
活塞杆的下端直径减小,插入十字头内孔中,并用螺帽将十字头与活塞杆紧固。
活塞杆
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上装有定位销,以确保各部件的正确装配。
在十字头两端轴颈处,各装有十字头滑块。
十字头滑块由发动机机架内的一十字头导板导向。
十字头滑块在十字头上的位置由定位销确定,并用锥头螺栓紧固在十字头上。
十字头滑块表面浇有白合金,为确保提供足够的滑油,白合金表面开有水平沟槽。
十字头短且坚固,轴承的结构设计使轴承与轴颈间的承受压力沿整个轴承长度均匀分
布。
为改善轴承工作条件,在后来的设计中,减少了轴承承受压力,提高了圆周速度。
活塞由强力润滑系统供给的油来冷却。
冷却油经管路导入,经伸缩管或铰接管及活塞杆内的环形空间流进活塞的冷却空间,再由活塞经活塞杆内管、十字头中的管道以及开槽管排入发动机上装有观察镜的“控制箱”中。
曲轴箱与扫气箱之间的密封,通过位于扫气箱底部的活塞杆填料箱来完成。
每个填料箱都装有两个密封环和三个刮油环。
密封环装在最上面,它分为四段通过圈簧将其箍紧在活塞杆周围。
连杆和主轴承
十字头轴承和曲柄销轴承都由铸钢制成,分成上下两部分,由紧配螺栓紧固在连杆上。
其锁紧螺母是防松的。
在下端轴承和连杆端部之间装有压缩比调整垫片。
轴承面浇有白合金,并开有油槽,以提供必要的润滑冷却油。
不同厚度的垫片可插入轴瓦间,以调整轴承间隙(0.20~0.30mm)。
主轴承支撑曲轴,每道轴承由两片轴瓦组成。
瓦背由铸钢制成,表面浇有白合金并开有适当形状的油槽。
轴瓦由轴承盖和双头螺栓紧固,并用不同厚度的垫片调至必要的间隙(约0.30mm)。
所有的轴承都由发动机的强力润滑系统来润滑,所提供的滑油一部分通过管道流到各个主轴承盖,一部分流到十字头,再由十字头通过连杆中的通道流到曲柄销轴承。
曲轴曲轴是组合式的,锻造的主轴颈以红套的方式插入铸钢制成的曲柄臂(半组合式)中。
曲柄相互错开以使不同的曲柄间有相同的夹角。
为了平衡所需,在曲柄销轴颈上钻有较大的孔。
第4课燃油系统
单燃料系统
普通(燃油)系统包括从燃料储存舱到气缸喷射的整个燃油流动过程。
就离心分油机推荐使用而言,总是认为燃油在交付时是受到污染的,因此应当在使用前彻底净化以清除固体及液体污染物。
油中的固体污染物主要是铁锈、沙子、灰尘以及精炼过程中的催化剂。
液体污染物主要是水即淡水或者海水。
油中的杂质会致使燃油泵、喷油器损坏,导致缸套磨损加剧和排气阀座损毁。
使用没有充分净化的燃油还可能会加剧气路和透平增压器叶面的脏污。
只有使用离心分油机才能保证燃油有效净化。
最新的渣油离心处理的实验结果表明,尤其是存有分离催化粉末杂质时,离心分油机串联运行,即用分水机/分杂机串联模式,能达到最佳清洁效果。
对于传统的离心分油机来说这个建议是正确的。
对于更现代化的、可以处理在15℃时
9
密度大于991kg/m3燃油的机型来说,应遵循制造商的具体说明。
考虑到某些燃油标准的燃油分级中不包括密度界限和实际交付的燃油有时候密度会过15℃时991kg/m3传统界限这样的实际情况,离心分离处理作了改进,以确保能处理更高密度的燃油。
这样的设备可以把15℃时密度高达1010kg/m3的燃油中的油水充分分离,因此,该密度成为燃油等级中新的密度极限值。
因此如果安装了合适的分油机,发动机完全可以使用高密度的燃油。
分油机应按照厂家说明并联或者串联使用。
设计特性和工作原理
燃油系统是重质燃油和柴油共用的加压的系统。
加压的目的主要是避免为使重油达到喷射所需的10~15cSt的黏度而进行加温时系统中可能会出现的沸腾和气穴现象(图4-1)。
海上运行从燃油舱来的燃油在进入日用柜之前必须经离心分油机(净化)处理。
燃油从日用柜进入到供油系统。
在供油系统中,燃油经供油泵泵送进入4bar压力的循环系统。
供油系统可以包括一个细滤器。
供油泵设溢流阀的旁通管路回油,以此保持循环回路中的压力稳定而不受实际消耗量的影响。
循环回路中的泵将油压从供油压力提高到7~8bar的稳定进机压力。
具体进机压力由安装在主机上的弹簧加载的溢流阀保持。
由温度或者赫度控制的加热器加热重油直到达到所需的黏度。
为保护主机喷射系统的组件,50μm全流通细滤器必须尽可能靠近主机安装,副机已安装这样的滤器。
供入到主机的过量燃油通过放气箱再循环,如果(系统中)有气体,也在这里经过除气阀被释放掉,以避免系统中产生气穴现象。
系统的灵活性使得在需要时可以通过遥控三通阀使副机以柴油运转,三通阀应靠近副机
安装。
一个独立的增压泵从日用柜向副机供油并使多余的油返回到日用柜。
为保证在船舶失电的情况下增压泵可以运转,增压泵必须能够立即由压缩空气驱动或者由应急发电机提供电源
驱动。
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每台副机前就近安装了一个转阀用来在加压系统和开式的柴油系统间转换。
在船舶失电的情况下,副机上的三通阀将自动转换到柴油供油系统。
副机内部的管系将在几秒钟内充满柴油做好起动准备。
港内运行在港内时,主机停车,但是仍然需要有一台或者多台发电机供电,(因此)供油泵应该保持运转。
当管系中存有重油的时候应保持一台循环泵处于运行(状态)。
在主机进出口之间旁通管路上有溢流阀,在需要时,如对主机燃油系统检修时,可将主机旁通。
在这种旁通期间,(旁通管路中的)溢流阀取代了主机内部溢流阀的作用。
11
第5课中央冷却水系统
设计特点与工作原理
中央冷却系统是传统海水冷却系统的一种替代形式,在冷却器位置、液流控制及系统预热方面基于相同的原理,只是额外具有一个中央冷却器和一套泵。
中央冷却器是唯一与海水接触的部件,它的使用最大程度地减少了维护工作。
系统所有其他部件按MANB&
W说明使用闭式防蚀淡水系统。
为了实现主机和副机停车时预热,低温(冷却)系统和高温(冷却)系统直接相连。
因为中央冷却系统所有的冷却淡水都是防蚀和通用的,所以只需一个膨胀水箱用于对高低温冷却系统的除气。
水箱可容纳由于温度变化引起的水体积的变化。
为了防止冷却水系统中气体聚积,膨胀水箱下设一个除气柜。
在除气柜和膨胀水柜之间安装警报器,这样当释放过量的气体时操作人员将会得到警报,因为这是机器部件故障的信号。
航行中的运行
海水泵从海底门泵水,经过中央冷却器排出舷外。
有些船厂则选择无泵吸入系统。
在淡水侧,中央冷却水泵在冷却回路中循环(泵送)低温淡水,直接通过主机、副机滑油冷却器和扫气空冷器。
副机缸套水冷却系统装有机带水泵和与低温系统相连的旁通系统,而主机缸套水系统具有独立泵回路,使缸套水泵从主机到造水机和缸套水冷却器回路中循环。
安装在缸套水冷却器出口的热力控制三通阀将已经被冷却的水和未经冷却的水混合,使
得机器出口温度维持在80~85℃(图5-1)。
港内运行
在港内运行期间,当主机停止运行,但一台或者多台副机运行时,阀A关,阀B开。
一个小型中央水泵提供必需的循环水流量供空冷器、滑油冷却器、缸套水冷却器和副机使用。
副机机带泵和上面提到的一体化的回路使副机出口处的缸套水达到理想的温度。
主机和停止的副机由运转中的副机预热。
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第6课起动系统
柴油机是按所需方向,以适当顺序向各缸通入压缩空气起动的。
所供压缩空气以30~40bar的压力存于气罐或气瓶内,随时可用。
有时压缩空气通过减压阀降压以备他用。
空气瓶靠空压机充气。
船级社对空气系统的设计包括空气瓶和空压机的数量及容量、辅助及放残设备的设置有严格要求。
所储存的压缩空气量可进行多达12次的起动。
起动空气系统通常装有连锁装置,若其他设备没准备好,则不允许柴油机起动。
压缩空气通过大口径管道进入遥控操作的止回阀或自动阀,进而到达气缸起动阀。
气缸起动阀开启,空气进入相应的气缸。
气缸起动阀及自动遥控阀由控制空气系统控制。
按所需运转方向,每个气缸起动阀在(活塞)经过上止点后立即开启,在排气口适当开启前关闭。
这13样,在压缩空气经主管路进入柴油机的起动系统时,至少进入活塞处于对应做功冲程某一位置的某些缸中,结果,施加于活塞上的压力迫使柴油机转动。
当达到足够高转速,如30r/min时,起动空气切断,燃油喷入,使气缸发火并正常连续运转。
控制空气来自主空气管并通入由柴油机起动操纵杆控制的起动控制阀。
当操作起动手柄时,控制空气使控制导阀手动开启或(当驾驶台安装控制系统时)靠气动液压缸开启。
控制空
气也通入空气分配器。
空气分配器通常由柴油机凸轮轴驱动,它将控制空气通入气缸起动阀。
此控制空气按所需运转方向以恰当的顺序通入。
当不用气缸起动阀时靠弹簧保持关闭。
当它由控制空气打开时,压缩空气便直接从空气瓶进入气缸。
柴油机着火后,起动手柄拉回。
控制空气控制阀回复到关闭位置,控制空气管路和遥控空气起动阀放气并使其关闭。
起动空气系统连有许多连锁装置,以保护机器及人身安全。
它们是:
1.盘车机连锁阀。
在盘车机没脱开时,该阀可切断起动空气控制管路,防止柴油机起动。
2.控制空气连锁阀。
在柴油机运行时,当主控制杆操纵控制空气连锁阀时,防止起动空气系统工作。
控制空气在起动进行时,即在主控制手柄离开起动位置前,控制空气连锁阀保持开启,但在此之后保持关闭,且在主控制手柄移回停车位置前不再打开。
3.安装在控制箱上的机械连锁。
无论起动空气手柄在正车还是倒车位置,它均能防止主控制手柄偏离起动位置。
4.另一机械连锁。
在起动空气进入气缸前,它能防止主控制手柄移动。
在停车时它能防止燃油进入气缸。
滑油从压缩机出来流经空气管路,并沉积在内。
在气缸起动阀万一泄漏时,高温燃气便进入空气管,点燃滑油。
此时,如果起动空气通入柴油机,将加剧燃烧,导致空气管路爆炸。
为了防止此类事故的发生,气缸起动阀应妥善保养并对管路定期放残。
同时,应通过细心保养,使空压机排出的油保持在最小值。
为尽量减小爆炸的影响,管系内需安装阻焰器、安全阀、防爆帽或防爆片。
此外,系统内还要安装一个独立的止回阀(自动阀)以防压缩空气进一步进入系统。
空压机冷却水不足会导致排出的空气过热,并可能使通向空气瓶的管路发生爆炸。
用高温报警器和易熔塞即可预防此类可能发生的事故。
设计特性及工作原理
两台能自动起停的空气压缩机保持起动空气瓶的压力在30barn主机直接由空气瓶供给30bar压力的起动空气。
经减压站减压,压力为7bar的压缩空气作为操纵系统的控制空气以及应急系统用安全空气。
副机使用的起动及控制空气来自相同的主空气瓶,通过减压阀使压力降低至适于所选的四冲程MANB&
W辅助发动机。
装设应急空压机及空气瓶,以便副机应急起动(参见图6-1)。
14
若压缩机吸入了高湿度的空气湿度大,液气分离器将清除压缩空气(30bar)中的液滴。
当空气减压到7bar,比如用于主机操纵系统时,空气中的水分将很少,因此进一步除水没有必要。
15
第7
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