集裝箱船及其動力裝置

1、專業(yè)：船舶與海洋工程班級： 學(xué)號： 學(xué)生姓名： 完成時間：2021年11月7日船舶動力裝置概論集裝箱船及其動力裝置的選擇分析目錄一、集裝箱船概覽.21.1 集裝箱船的優(yōu)點.21.2 集裝箱船的發(fā)展趨勢.3二、大型集裝箱船對動力裝置的要求.3三、動力裝置的選擇.3四、集裝箱船中幾種具有競爭力的動力裝置對比.44.1大型低速柴油機.44.2大型中速柴油機.54.3蒸氣透平機.64.4燃?xì)廨啓C.64.5核動力裝置.7五、提高柴油機動力裝置功率的途徑.75.1提高柴油機的強化程度.75.2增加氣缸數(shù).75.3增大氣缸直徑.85.4雙機動力裝置.8- 2 -集裝箱船及其動力裝置的選擇分析針對大型集裝箱船

2、，討論其對推進主機的要求，選擇大型低速柴油機作為其動力裝置，并分析了提高柴油機功率的途徑及柴油機及附屬設(shè)備改進的主要措施。一、集裝箱船概覽集裝箱船可分為全集裝箱船和半集裝箱船兩種，其結(jié)構(gòu)和形狀跟常規(guī)貨船有明顯不同。集裝箱船裝卸速度高，停港時間短，大多采用高航速，通常為每小時2023海里。近年來，美國，英國，日本等國進出口的雜貨約有70%-90%使用集裝箱運輸。1.1 集裝箱船的優(yōu)點（1）可以節(jié)約裝卸勞動力，減少運輸費用。一般貨船采用單件或小型組合件形式裝運，費力又費時。集裝箱船采用國際統(tǒng)一規(guī)格的集裝箱運輸貨物，打破了一捆、一包單件裝卸的傳統(tǒng)形式，大大減輕裝卸工人勞動強度，加快了裝卸速度，減少人

3、工裝卸費用。（2）利用集裝箱船運輸，可以減少貨物的損耗和損失，保證運輸質(zhì)量。這是因為貨物在生產(chǎn)工廠里就裝進一只只集裝箱，中途經(jīng)公路、鐵路、水上運輸，均不開箱，可把貨物直接運到用戶手中。這樣，可減少貨物在運輸途中損耗和遺失，還可節(jié)約包裝費用。（3）集裝箱船裝卸效率高。一艘集裝箱船的貨物裝卸速度大約是相同噸位的普通貨船三倍左右，而大型高速集裝箱船的裝卸速度差不多是同噸位普通貨船的45倍。減少了船舶停靠碼頭時間，加快船舶周轉(zhuǎn)，提高船舶、車輛及其它交通工具的利用率。由于集裝箱船進行集裝箱運輸具有上述優(yōu)點，所以，集裝箱船和集裝箱運輸?shù)玫窖杆侔l(fā)展。1.2 集裝箱船的發(fā)展趨勢20 世紀(jì) 70 年代初，集裝箱

4、船舶的載箱量一般在 7001 000 TEU 左右；到 1996 年，集裝箱船舶載箱量從 5 000 TEU 增至7 000 TEU。船舶大型化的發(fā)展往往突破人們認(rèn)識和想象的界限。4 年后，勞氏船級社提出，按現(xiàn)有集裝箱碼頭設(shè)施水平，能作業(yè)的最大集裝箱船舶為10000TEU；2007年，13000TEU級集裝箱船舶誕生；如今，馬士基18000TEU級集裝箱船舶已投入運營?？梢哉f，目前集裝箱船型仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于船舶建造能力，集裝箱船舶大型化仍有進一步提升的空間。現(xiàn)代集裝箱船正向著大型化、高速化，多用途方向發(fā)展。二、大型集裝箱船對動力裝置的要求集裝箱船對于主推進動力裝置的要求是能夠提供足夠大的功率和有著良

5、好的可靠性。（1）集裝箱船的大型化和高速化決定了所需的推進動力裝置必須具有足夠大的功率，即大型集裝箱船所需的功率。（2）集裝箱船所裝的貨物價值較高，并且通常在很緊的時間表下工作，航班的延誤意味著重大的 經(jīng)濟損失，甚至一艘船的延誤會打亂整個貨物運輸服務(wù)體系。 因此，主推進動力裝置的可靠性對于保證船舶運行至關(guān)重要，甚至要求主推進動力裝置有足夠的功率儲備，在必要時能夠趕回時間，保證船舶的正點運行。（3）集裝箱船的停港時間較短，因此要求主機的主要部件能夠長期可靠運轉(zhuǎn)，并有較長和明確的大修周期，以安排主機的維修工作。很明顯，柴油機在這些方面都有著明顯的優(yōu)勢。三、動力裝置的選擇正如一般自然規(guī)律，船型的發(fā)展

6、，是被船用動力裝置推進用的主機和其他輔機所大大影響著的。海上集裝箱船的出現(xiàn)，由于要求有很大的功率，以保持營運速度在 2224海里之間。因此，集裝箱船的迅速發(fā)展和被廣泛使用，不僅在船體設(shè)計和貨物處理方法方面，發(fā)生了很大的變化，而且對船舶動力裝置推進用的主機和其他輔機設(shè)計的改進、主機輸出功率量的提高、航速的加快等等方面，也產(chǎn)生了巨大影響。雖然，除了極少數(shù)的例外，在今天世界上所有的海上集裝箱船使用的各類動力裝置中，蒸氣透平機和柴油機這兩個主要對手的競爭繼續(xù)不減。但是近年內(nèi)，大型低速十字頭柴油機已超過45000匹軸馬力。另外，由多部中速筒狀活塞柴油機組組成的原動機裝置的發(fā)展，以及此型原動機單機功率已經(jīng)

7、達(dá)到20000匹軸馬力以上，柴油機現(xiàn)在已成為海上船用動力裝置中有力競爭者，而燃?xì)廨啓C動力裝置和核動力裝置也被安裝在海上集裝箱船上。四、集裝箱船中幾種具有競爭力的動力裝置對比4.1大型低速柴油機安裝在海上集裝箱船中的各類大型低速柴油機系列中，雖然在設(shè)計上有差別，但仍有許多共同性的相當(dāng)一致的特點。如大缸徑、二沖程、增壓等。但是，應(yīng)當(dāng)指出，海上集裝箱船用的大型低速十字頭二沖程柴油機，由于使用很大直徑的氣缸以后，就必須克服包括活塞、氣缸及氣缸蓋在內(nèi)的金屬材料里熱應(yīng)力所出現(xiàn)的各種問題。到現(xiàn)在為止，氣缸直徑似乎已達(dá)到了實際上的最大限度。然而，如讓機器所使用的平均有效壓力大大提高，那么氣缸尺寸，就可相應(yīng)減小

8、。由于要提高每缸的輸出功率，而這型機器又不可能增加轉(zhuǎn)速，所以只能通過增加平均有效壓力來取得更大的馬力。目前有不少大型集裝箱船一設(shè)計采用的都是三部大缸徑低速柴油機。這些集裝箱船，每艘安裝的軸馬力總數(shù)約為80000匹。如果使用證明是成功的，并能和同噸位的蒸氣透平機船相競爭的話，結(jié)果將會犧牲中速機而大量生產(chǎn)低速機。雖然，現(xiàn)在使用的 12缸低速柴油機的最大持續(xù)功率幾達(dá)50000匹輔馬力。除了用一個推進器在超過這個功率時有困難外，可以看到，活塞、氣缸蓋、排氣閥等大另件的尺寸和重量必然會受到限制。盡管大型柴油機是可靠的，但在海上復(fù)雜的環(huán)境中航行時仍然會有可能發(fā)生損壞事故船舶在艱巨的海上停行和在擺動中處理很

9、重的重物是相當(dāng)困難的。然而，盡管推進器的設(shè)計和船體設(shè)計問題限制了發(fā)動機功率到45000輔馬力或甚至更小。事實上卻又不能阻止大缸徑發(fā)動機，船公司會裝備比現(xiàn)在最大的12缸發(fā)動機缸數(shù)較少的發(fā)動機，也可能換用現(xiàn)在大發(fā)動機制造廠已經(jīng)使用的發(fā)動機的類似設(shè)計，而將缸徑?jīng)_程減少一些。因為從船公司的觀點來看，所有這些低速柴油機發(fā)動機的尺寸、重量和營運需要都是重要因素。至于將來，從低速柴油機結(jié)構(gòu)形式發(fā)展來看，雖然這種推進機器的結(jié)構(gòu)設(shè)計將是要解決的。不過有幾點基本發(fā)展方向是可以肯定的：（1）采用單流掃氣系統(tǒng) （2）在每個氣缸上采用多排氣閱 (最好3個或4個)（3）機器工作部件將進一步簡化 4.2大型中速柴油機如前所

10、述，近年來有不少大型集裝箱船都采用每輪安裝三部大缸徑低速機軸馬力總數(shù)約為80000匹。不過，無論如何，對于中速機的要求總是存在的，特別是當(dāng)其通過進一步發(fā)展有更先進的設(shè)計，每缸輸出馬力有了增加的時候，要求量必然會有增加。因為從下述兩部中速機取代一部大型低速機的對比中可以看到它的優(yōu)點：(1)創(chuàng)始投資可以降低(2)機房可以較短(3)機房高度可以大大降低(4)機重大量減輕。(5)操縱靈活性增加鑒于這些優(yōu)點，對某些類型的船舶，尤其是集裝箱船和“開進開出船”顯然是值得使用的。但是，中速柴油機與低速柴油機比較，它的一個不可避免的缺點就是，相同功率輸出量，工作部件的數(shù)目大大增加。雖然燃油消耗大致相近，但中速筒

11、狀活塞機的潤滑油消耗量是十字頭型發(fā)動機的三倍以上。其次是，除非燃料受到小心控制、發(fā)動機在適合的溫度下運轉(zhuǎn)、活塞環(huán)設(shè)計正確和材料恰當(dāng)而不至于損壞和在槽里能自由活動、使用臺適的相當(dāng)高堿度的專用清潔劑油，否則曲柄軸的腐蝕會達(dá)到嚴(yán)重的地步。 可是無論如何，中速柴油機卻總具有機身輕， 體積小和消耗燃料低等優(yōu)點。4.3蒸氣透平機由于和其他類型的船用推進機器相比，在制造尺度上幾乎沒有什么限制及比現(xiàn)存的任何柴油機具有提供更大馬力的優(yōu)點。加之，至今所取得的改進效果。該類型的動力裝置將在一段時間內(nèi)，被集裝箱船作為主要推進動力裝置而使用。至于安裝在集裝箱船上的蒸氣透平機未來的改進似乎主要是在制造方法上。以及如何使機

12、器使用壽命更長更可靠。目前先進的蒸氣透平機裝置使用1051公斤厘米(1480磅英寸)的壓力，541(1005cF)的回?zé)釡囟?，熱效率大約已經(jīng)提高到35355。但是，與同功率的大型低速柴油機和中速筒狀活塞機的相對熱效率比較，其熱效率還是比較低的。因此，燃料消耗較大。4.4燃?xì)廨啓C大型的工業(yè)燃?xì)廨啓C，在使用渣油時，出現(xiàn)的問題還未完全滿意地解決。冶金工業(yè)的水平限制了燃?xì)廨啓C的進口溢度。跟柴油機比較，它的熱效率較低。同時，噴咀和葉片的腐爛、腐蝕和積垢問題至今也還未完全解決。所以，重級工業(yè)型燃?xì)廨啓C是否在作為海上集裝箱船用推進動力裝置主機上能占一定的位置，將決定于其燃料費用能否達(dá)到內(nèi)燃機那樣的程度。重級

13、工業(yè)型燃?xì)廨啓C所用燃油就算比一般船用燃油貴得多，它仍比飛機噴氣型燃?xì)廨啓C為優(yōu)。這種優(yōu)點是在于在制造上能較易的造出一個低消耗燃油的發(fā)生器，如果重級工業(yè)型燃?xì)廨啓C再配上一套廢氣鍋爐和蒸氣透平機的話，那么將會取得的較低的耗油水平，不過這樣就會使整套主機變得復(fù)雜，不易受船東的歡迎。至于高速的航空燃?xì)廨啓C對大戰(zhàn)艦是適用的。然而戰(zhàn)艦的工作條件和經(jīng)濟性跟商船是完全不同的。軍艦在和平時期的航行時問，一年內(nèi)大都不超過1000小時，而在商船作為主機每年必航行50007000小時。4.5核動力裝置由于能源缺乏問題今已成為全球性的共同性問題，尤其是在工業(yè)較發(fā)達(dá)的資本主義國家和世界主要海運國家更是如此。因此，目前似乎已

14、很少有人懷疑到將來核推進裝置會取代其它燃燒石油燃料的機器?，F(xiàn)在核推進裝置的經(jīng)濟性較差尤其需要昂貴的基本安全裝置。隨著越來越多的核動力裝置運轉(zhuǎn)知識的獲得和實踐經(jīng)驗的積累，更簡化的反應(yīng)堆和防護材料毫無疑問將得到發(fā)展，這必然降低極高的初成本，而提高其競爭地位和能力。據(jù)國外資料報道。海上集裝箱船用核動力裝置可能是用一種先進的高壓、石墨緩沖、氣冷的反應(yīng)堆，配上高壓熱燃?xì)怛?qū)動的沖動推進的燃?xì)廨啓C的方法。目前核潛艇上用的相當(dāng)小的沸水反應(yīng)堆被當(dāng)作是核能商業(yè)利用的過渡解決辦法。另一種可能性是直接把核能化為電能去驅(qū)動電動機。然而，專家們估計，要實現(xiàn)這個夢想還要做許多工作。通過上述比較，可以清楚地看到，集裝箱船用現(xiàn)

15、代化的有效的高壓回?zé)嵴魵廨啓C和大型低速和多機中速柴油機的海上霸權(quán)之爭，將繼續(xù)多年。而核動力裝置的競爭能力和地位也還在不斷提高和加強。五、提高柴油機動力裝置功率的途徑為了滿足下一代超大型集裝箱船對主機功率的要求，必須進一步提高柴油機動力裝置的推進功率。目前主要考慮下述方案：5.1提高柴油機的強化程度這是在不改變柴油機重大結(jié)構(gòu)尺寸的條件下提高柴油機功率的唯一途徑，需要綜合材料的性能、零部件的結(jié)構(gòu)、燃油的噴射和燃燒過程等各個方面，保證柴油機機械負(fù)荷和熱負(fù)荷在允許范圍以內(nèi)。5.2 增加氣缸數(shù)以往的直列柴油機的氣缸數(shù)一般不超過12 缸，目前有繼續(xù)增加的趨勢。為了使曲軸的重量保持在易于控制的水平上，曲軸必須分段制造，盡管這方面的技術(shù)是現(xiàn)成的，但是生產(chǎn)這種多缸發(fā)動機仍可能遇到技術(shù)上的挑戰(zhàn)。對于增加氣缸數(shù)的另一種考慮是采用V 形柴油機（圖1），這將節(jié)約30%的機器長度和15%