民用船舶动力装置技术特点及选型过程研究

引言

近年来，随着水运行业的逐步发展，针对民用船舶的技术领域也有了更深入的关注。动力装置作为民用船舶的核心设备，其重要性不言而喻。现代民用船舶的动力装置主要有四种，即柴油机、汽轮机、核动力装置、燃气轮机。下文对几类动力装置的技术特点进行详尽阐述，并基于此对民用船舶动力装置的选型原则及步骤进行重点研究。

1 柴油机动力装置

船用柴油机按其转速分，有低、中、高速三类，其中低、中速柴油机在二千载重吨以上船舶应用最多[1-2]。从近年完工的民用船舶的功率范围来看，功率为1万马力以下的船舶动力装置多采用低速和中速柴油机，其中船用中速机很大一部分在这功率范围内；1～2 万马力挡低速柴油机居多，中速机相对较少，2～3 万马力挡则以低速机为主；3 万马力以上多采用汽轮机[3]，少数采用低速柴油机。

1.1 船用柴油机分类

船用柴油机的型式很多，按其不同的特征，具有多种分类方式，船用柴油机分类主要如下。

1.1.1 低、中、高速柴油机

船用柴油机可以按发动机的转速分为低速、中速、高速三类[4-5]。一般认为，转速在250 r/min 以下的列为低速柴油机；转速在250～1 000 r/min 之间统称为中速柴油机，转速在1 000 r/min 以上的则为高速柴油机。

我国国产船用柴油机已形成系列机型。实船使用的单机功率范围可从10 马力到12 000 马力，并在向更大的功率方向发展，转速范围从115～3 000 r/min，可供各类船舶的主机及辅机选用。不仅如此，中速大功率柴油机和多机并车的动力装置的研制也在同步进行。

1.1.2 四行程柴油机和二行程柴油机

船用柴油机按工作循环的方式可分为四行程柴油机、二行程柴油机两类，四行程柴油机每完成一个工作循环，需四个活塞行程，绝大多数中速柴油机都属于四行程柴油机，二行程柴油机是每完成一个工作循环，需二个活塞行程[6]，低速柴油机均属此类。

1.1.3 直流扫气式柴油机和弯流扫气式柴油机

在二行程柴油机中，按照扫气形式的不同又可分为直流扫气式柴油机和弯流扫气式柴油机两种。其中弯流扫气又分回流和横流两种扫气形式。

直流扫气式和弯流扫气式的柴油机各有优缺点。直流扫气的优点是排气干净，换气质量好，气缸套下部受热均匀，且不易发生变形，通过排气阀定时调整，使排气阀提早关阀，避免了过后排气损失等。但其具有显著的缺点，主要是气缸盖上有一套复杂的排气阀及传动机构，管理检修麻烦，增加了故障的可能性，影响发动机的可靠性，并且其噪音也较大。因此，一定程度上限制了其使用范围，弯流扫气的缺点主要在于其换气质量较直流扫气稍差。而其最大优势是气缸盖上并无排气阀，结构简单，且检修管理较为便捷。由于对弯流扫气进行了持续改进，使上述两种换气形式都具有令人满意的换气质量。在该情况下，结构简单、管理方便就成为业界关心的主要问题，因此弯流扫气的优越性就变得更为明显，并具有较高的技术吸引力。到目前为止，我国已有的及正在研制的机型中，弯流扫气式也多于直流扫气式，这也是客观需要的反映。

1.2 提高船舶柴油机动力装置经济性方面的动向

近年来，国外在提高船用柴油机技术经济方面的动向有以下几个方面。

1.2.1 降低油施，提高性能

1）降低燃油消耗。近年来，由于能源危机的影响，燃油价格得以急剧上升，节约燃油是实现经济运营的主要因素。经不断努力，二行程低速机的燃油耗率已得以大幅降低，而四行程中速机的燃油耗率不但有所降低，而且还能尽量采用劣质燃料油。

2）提高单缸功率。其途径是采用高增压以提高平均有效压力，从而提高单缸功率。随着高增压比的增压器出现，平均有效压力得以进一步提升。

3）回收废热。过去从柴油机的排气及冷却水中回收废热[7]，用于废热锅炉及造水装置。近年来提出用废热产生动力以驱动发电机，从而满足航行中的电力需要，因此需要对此类复合循环进行进一步探讨，这对工质选择、热交换器及热循环等都需作深入的研究。

1.2.2 提高发动机的可靠性和耐久性

船用发动机必须具有较高的可靠性、耐久性及经济性。同时，在提高整机平均有效压力的同时，更需注意其可靠性和耐久性，并使维修保养过程尽量简易。现在，一般都努力延长发动机的维修间隔期。为此，在柴油机设计方面应采取相关措施以提高整机的可靠性及耐久性。如用锻钢制造气缸盖并钻孔冷却，即可降低燃烧窒壁热应力及机械应力，采用箱式机架，增强整体刚性，提高各部件、燃油阀、排气阀的耐久性，增大轴承的承载能力，改进润滑油供油系统等[8]。

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