轮机概论备笔记.doc

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第一章船舶动力装置概述第一节船舶动力装置的组成和类型一、船舶动力装置的概念：“装置”乃是为了达到某一目的所设置的所有机器、设备及系统的总称，以具有某种特定的功能为特征。“船舶动力装置”这一术语已应用了几十年，但一直没有明确而统一的定义。实际上它是和“轮机”这一术语紧密联系在一起的。在1807年，世界上第一艘用蒸汽机驱动推进器的“克莱蒙特”号轮，开创了船舶以动力机械推进的新纪元。当时蒸汽机带动一个桨轮推进器，这种推进器的大部分露在水面，人们称之为“明轮”，把装有明轮的船称为“轮船”，而把产生蒸汽的锅炉和驱动明轮转动的蒸汽机等成套设备称为“轮机”。当时的“轮机”仅仅是推进设备的简称。但随着科学技术的发展和进步。不仅船舶推进设备更加复杂和完善，而且为了适应船舶营运、人员生活和安全等方面的需要，还增设了诸如船舶电站、起货机械、饮水、供汽、压载、舱底、消防等系统，大大丰富了轮机的内容，并且至今还在不断扩大与完善中。因此，“轮机”是个内容相当广泛的技术范畴。“船舶动力装置”的基本含义和“轮机”相同，是为了满足船舶航行、各种作业、人员的生活和安全需要所设置的全部机械、设备和系统的总称。它的任务是多方面的，但主要任务可概括为：为船舶提供各种形式的能量(机械能、电能、热能)并转换和利用这些能量。二、船舶动力装置的组成：根据组成船舶动力装置的各种机械、设备和系统所起作用的不同，将整个动力装置分为以下几个部分。1．推进装置：推进装置也称主动力装置，是船舶动力装置中最主要的部分。它包括主机、传动设备、轴系和推进器。主机发出动力，通过传动设备及轴系驱动推进器产生推力，使船舶克服阻力以某一航速航行。2．辅助装置：是产生除推进装置所需能量以外的其它各种能量的装置，其中包括船舶电站、辅助锅炉装置和压缩空气系统，它们分别产生电能、蒸汽和压缩空气供全船使用。3．管路系统：简称管系，用以输送流体，是由各种容器、管路、泵、滤器、热交换器等组成。按用途不同可分为两类：1)动力系统：指为主机和发电副机安全运转服务的管系，用来输送燃油、润滑油、海水、淡水、蒸汽和压缩空气，它包括燃油系统、滑油系统、冷却系统、蒸汽系统和压缩空气系统等。2)辅助系统：指为船舶航行、人员生活和安全服务的系统，有时也称为船舶系统，它包括压载、舱底水、通风、饮水、空调和消防系统等。4．甲板机械：指为保证船舶航行、停泊及装卸货物需要所设置的机械设备，如舵机、锚机、起货机等。5．自动化设备：指为改善船员工作条件，提高装置工作效率和操作的准确性，以及减少维护工作所设置的设备。主要由对主、副机及其它机械设备进行遥控、自动调节、监视和报警的设备组成。 三、船舶动力装置的类型：以推进装置的类型进行分类。1．蒸汽动力装置：在蒸汽动力装置中，有往复式蒸汽机和汽轮机两种。1）往复式蒸汽机最早应用于海船，由于它具有结构简单、运转可靠、管理方便等优点，在过去很长的一段时期内占据着统治地位；但由于其经济性差、尺寸重量大、不能适应机组功率增长的需要，现在已经被其他船用发动机所代替。2）回转式汽轮机自从十九世纪末问世并装船使用以来，由于受到柴油机的挑战，一直发展比较缓慢。这种发动机运转平稳，摩擦、磨损较少，振动、噪声较轻。但热效率低，要配置重量、尺寸较大的锅炉、冷凝器、减速齿轮装置以及其它辅助机械，因此装置的总重量和尺寸均较大，这就限制了它在中小船舶中的应用。不少资料表明，在功率超过22000kW(30000HP)和船速超过20Kn时，汽轮机动力装置比柴油机动力装置更为优越。2．燃气动力装置：1)柴油机动力装置：柴油机不仅是热效率最高的一种热机，而且还具有起动迅速、安全可靠、装置的重量较轻、功率范围大(从几kW至数万kW)等一系列优点，因此船舶主机及发电副机现在多用这种发动机。在中、大型民用船舶上所使用的柴油机有大型低速和大功率中速两大类。这两种柴油机在激烈竞争的同时又互相促进，都在迅速的发展着。⑴大型低速柴油机动力装置自60年代起发展的特别迅速。一方面是由于当时船舶向大型化、高速化发展，需要大功率的发动机；另一方面由于废气涡轮增压技术的进步，可燃用更低质燃料，降低了比油耗，为大型低速机发展提供了可能。70年代两次能源危机的冲击和相继出现的航运事业不景气，从节能需要出发，船舶已不再向大型化和高速化方向发展，除专业化船舶外，一般货船的航速降至14kn左右。为了适应这种形势，大型低速柴油机的尺度不但不再增加，而且缸径也都回到1000mm以内，并出现了缸径只有260mm的低速机(如S26MC／MCE)。从70年代末至今围绕着节能这一中心，大型低速柴油机的结构差不多年年都在改进，大体每隔两年就推出一种新机型。可以认为，降低耗油率提高经济性，仍然是今后发展的方向之一。⑵大功率中速柴油机动力装置的重量和尺寸较小，可燃用重质燃料，是低速机的有力竞争者，在中速机装置中，可通过合理选配减速比，使螺旋桨的转速最佳化，从而显著提高推进装置效率。单缸功率的提高和单机功率的扩大，以及可用多台(2～4台)发动机通过减速器驱动一个螺旋桨的可能性，都给中速机的发展创造了有利的条件，特别是在机舱尺寸要求严格的滚装船、集装箱船和客船上，中速机的应用就更为广泛。目前中速机的耗油率虽然有明显下降，但仍然略高于低速机，运转中噪声也比较大。预计中速机今后还会有进一步发展。2)燃气轮机动力装置：本世纪30年代燃气轮机制造业开始兴盛起来，第一批作为商船主机的是在50年代。它的优点是单位重量和尺寸小，机动性高，操纵管理简便，便于实现自动化。但它的经济性差、进排气管道大、机舱布置困难、不能直接倒车、装置较复杂、叶片及燃气发生器均在高温高压状态下工作、寿命较短。由于以上原因，这种动力装置在商船上应用较少。3．核动力装置： 核动力装置的优点是所用燃料的重量极轻，大大增加船舶续航力。同时核燃料燃烧不用空气助燃，不用设进排气系统。但由于造价高，核分裂反应释放出大量放射性物质要严加防护，操纵管理检查系统复杂，因此在商船上应用甚少，随着液体燃料资源的日趋枯竭，核动力装置的竞争能力有可能加强。第二节对船舶动力装置的要求一、可靠性：船舶动力装置的好坏，首先取决于它在各种营运条件下，能否可靠地和不间断地进行工作。因此，对任何船舶动力装置首先提出的要求就是工作可靠性要高。二、经济性：民用船舶在满足可靠性的前提下，要求尽量提高其经济性。对于船舶动力装置的经济性不能只从主机耗油率一项指标去衡量，还要考虑造船初投资费、燃润油价格、管理维修费、折旧费、船员工资、保险和港口各项费用。所以对动力装置的经济性要全面考虑，综合分析。三、机动性：船舶机动性是安全航行的重要保证。船舶起航、变速、倒航和回转的性能是船舶机动性的主要体现。而船舶的机动性取决于动力装置的机动性，后者可由以下几项指标体现。1．发动机由起动至达到全功率所需的时间：这段时间的长短主要取决于发动机的型式，低速柴油机需30分钟以上。影响发动机加速时间长短的因素是它的运动部件的质量惯性和受热部件的热惯性，而后者更为重要。在这方面中速柴油机优于低速柴油机。2．螺旋桨换向所需的时间和可能的换向次数：螺旋桨换向所需的时间通常是指由发出换向指令起到螺旋桨开始反方向回转的时间。柴油机的起动换向性能较好，在机动航行时一般十几秒内就可完成换向过程，但在船速较快且不进行紧急刹车时，换向时间则大为延长。换向次数取决于空气瓶的容积和发动机的起动性能。换向时间和换向次数，以电力传动和调距桨装置最佳。3．船舶由前进变为倒航所需的时间(或滑行的距离)：由于船舶惯性大，船舶由前进变为后退所需的时间，总是大于发动机或螺旋桨换向所需要的时间。船舶开始倒航前滑行的距离主要取决于船舶的初速、排水量、装置的换向性能和倒车功率。滑行距离不能太大，一般要求货船不能大于船体长度的6倍，而客船不得超过4倍。4．发动机的最低稳定转速及转速限制区域：低速柴油机的最低稳定转速一般不高于标定转速的30％，中速机不高于40％，高速机不高于45％，它主要取决于喷油设备的结构和制造质量。在使用转速范围内如存在引起船体或轴系共振的临界转速，则规定为转速禁区。最低稳定转速越低，在使用的转速范围内共振区越少、越窄，则动力装置的机动性能就越好。四、续航力：是指船舶不需要补充任何物资(燃油、滑油、淡水等)所能航行的最大距离或最长时间。续航力是根据船舶的用途和航区确定的。续航力不但和动力装置的经济性、物资储备量有关，也和船舶航速有很大关系。除以上要求外，还要求便于维护管理，有一定的自动化程度，并满足造船和验船规范。第二章船舶柴油机动力装置柴油机是内燃机中的一种，而内燃机又是热机的一种。所谓热机是指把热能转换成机械能的动力机械。柴油机、汽油机、蒸汽轮机、燃气轮机以及蒸汽机是热机中较典型的机型。其中，蒸汽机与蒸汽轮机同属外燃机。汽油机、柴油机、燃气轮机同属内燃机。 柴油机是一种压缩发火的往复式内燃机。它使用柴油或劣质油做燃料，在汽缸内与空气混合形成可燃混合气，缸内燃烧采用压燃式发火。第一节柴油机的基本结构1.固定部件、运动部件和燃烧室：柴油机是以燃油作为燃料的往复式内燃机。在柴油机中，燃油的燃烧是在机器的燃烧室内进行，并把燃料燃烧所产生的热能转变为机械功。气缸体、气缸盖和活塞等三个部件组成密闭的燃烧室。柴油机是一种往复式机械，活塞在缸内作往复运动。由于工作机械(螺旋桨、发电机)等通常是以旋转的方式工作的，这就需要将活塞的往复运动变为输出轴的旋转运动，把活塞从工质得来的动力传递出去。该任务是由活塞、连杆和曲轴组成的传递动力组件来完成的。2.辅助装置和系统：1）起动装置的作用是把柴油机从静止状态转动到足够的转速，使汽缸内的空气压缩后温度升高到足以使柴油机发火燃烧，机器开始正常运转。2）燃油系统则定时定量地将符合燃烧要求的油供入气缸。3）为了使废气排净，使新鲜空气进足，由配气机构定时地开关气阀。4）为了使柴油机持久而可靠地工作，还需要有润滑系统把滑油供应到各个磨擦面进行润滑，并由冷却系统来降低机件和滑油的温度。5）为了提高运转的准确性和可靠性以及操纵的灵活性，一般柴油机还安装有调速器以及各种安全装置并有专门的操纵机构、换向机构等。3.常用术语：1）活塞在气缸中运动的最上端位置，也就是活塞离曲轴中心线最远的位置，称之为上止点。2）活塞在汽缸中运动的最下端位置，也就是活塞离曲轴中心线最近的位置，称之为下止点。3）活塞从上止点移到下止点的距离称之为行程，它等于曲轴曲柄半径的两倍。4）活塞移动一个行程，相当于曲轴转动180°（曲轴转角）。第二节柴油机的工作原理1.柴油机的基本工作原理：采用压缩式发火使燃料在汽缸内燃烧，以高温高压的燃气工质在汽缸中膨胀推动活塞作往复运动，再通过活塞一连杆曲柄机构将往复运动转变为曲轴的回转运动，从而带动机械工作。2.柴油机的工作循环：根据柴油机的工作特点，燃油在柴油机汽缸中燃烧必须通过进气、压缩、燃烧、膨胀和排气五个过程的全部热力循环过程称为柴油机工作过程。3）二冲程或四冲程柴油机：在柴油机中可用活塞的两个行程或四个行程来完成柴油机的一个工作循环，相应称为二冲程或四冲程柴油机。一、四冲程柴油机的工作原理：图2-2中的4个简图分别表示柴油机工作循环五个过程进行的情况以及活塞、曲轴、气阀等部件的有关动作位置。第一行程——进气行程。活塞从上止点下行，进气阀被打开。由于汽缸容积不断增大，缸内压力下降，依靠大气与缸内的压差，新鲜空气经气阀被吸入汽缸。进气阀一般在活塞到达上止点前提前打开，下止点后延迟关闭。该进气持续角用曲轴转角表示约为220°～250°。第二行程——压缩行程。活塞从下止点向上运动，自进气阀关闭开始压缩，一直到活塞到达上止点为止。第一行程吸入的新鲜空气经压缩后压力增高到3～6MPa，温度升至600～700℃ 。在压缩过程的后期由喷油器喷入气缸内的燃油与高温空气混合、加热、并自行发火燃烧，过程约持续140°～160°曲轴转角。第三行程——燃烧和膨胀行程。活塞在上止点附近由于燃油猛烈燃烧，使缸内压力和温度急剧升高，压力约达5～8MPa，甚至15MPa以上，温度约为1400～1800℃或更高。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行做功。由于气缸容积增大，压力下降，在上止点后某一时刻燃烧基本完成。膨胀过程一直到排气阀开启时结束。膨胀终了时的缸内压力约为250～450kPa，气体温度约为600～700℃。该过程约持续120°～140°曲轴转角。第四行程——排气行程。在上一行程末气阀开启时，活塞尚在下行，废气靠汽缸内外压差经排气阀排出。当活塞由下止点上行时，废气被活塞推出汽缸，此时的排气过程是在略高于大气压力(约1.05～1.1atm)且在压力基本不变的情况下进行的。排气阀一直延迟到上止点后才关闭。该过程约持续230°～260°曲轴转角。进行了以上四个行程，柴油机就完成一个工作循环。当活塞继续运动时，又一个新的工作循环又按同样的顺序重复进行。四冲程柴油机每完成一个工作循环，曲柄回转两转。每工作循环中只有第三行程是做功的，其它行程都为第三行程服务，都需要外界供给能量。柴油机常做成多缸，这样进气、压缩、排气行程的能量可由正在做功的气缸供给。如果是单缸柴油机，那就由较大的飞轮供给。四冲程柴油机的进、排气阀启闭时刻是在上、下止点的前后某一时刻。其开启角都大于180°曲柄转角。进、排气阀的启闭时刻称为气阀正时。通常气阀正时均以上、下止点前后的曲柄转角表示，分别称为进(排)气阀提前、滞后角。用曲柄转角表示气阀正时的圆图称为气阀正时圆图。气阀提前开启与延后关闭目的：是为了将废气排除干净并增加空气的吸入量，以利于燃油的燃烧，并可减少排气耗功。在上止点前后进气阀与排气阀同时开启着，这段重叠着的曲柄转角称为进、排气阀重叠角(亦称气阀重叠角)。在气阀叠开期间，利用废气的流动惯性，除可避免废气倒冲入进气管外，尚可抽吸新鲜空气进入气缸，并利用压力差在将新气吸入气缸的同时将燃烧室内的废气扫出汽缸，实现所谓的燃烧室扫气。二、二冲程柴油机的工作原理：在二冲程柴油机中，没有单独的进气与排气过程，其进气与排气过程几乎重叠在下止点前后120°～150°内同时进行。因此在结构上，二冲程必须采用气缸下部扫气口一排气口，或气缸下部扫气口一气缸盖上排气阀的换气机构，而且必须设置一个专门的扫气泵以提高进气压力，使进气能从扫气口进入汽缸并将废气清扫出汽缸。图2-4为一种二冲程柴油机的工作原理图。该柴油机使用特设的罗茨式扫气泵，采用扫气口一排气口方式换气。扫气泵设在柴油机的一侧，其转子由柴油机带动。空气从泵的吸口吸入，经压缩后储存在较大容积的扫气箱d中并保持一定压力。在柴油机膨胀行程中，柴油机活塞下行，先将排气口打开，缸内废气经排气口进入到排气管g中。当气缸内压力降低到扫气压力时，活塞下行将扫气口打开，扫气空气由扫气箱d经扫气口e进入气缸同时将废气排出气缸，于是 进气与排气同时进行，一直到下止点(点0)，并转而上行把扫气口关闭为止。扫气结束，活塞继续上行把排气口关闭。至此，换气过程全部结束，而开始进行压缩、燃烧和膨胀过程。这两个过程与四冲程机基本相同。通常，二冲程柴油机的燃烧和膨胀行程约占90°～120°曲轴转角；换气过程约占120°～150°曲轴转角；压缩行程约占120°曲轴转角。二冲程机与四冲程机比较，在相同的工作条件下，其功率约为四冲程机的1.6～1.7倍，而且其回转也比四冲程机均匀，但二冲程机的换气质量比四冲程机差。第三节柴油机的换气与增压一、柴油机的换气：柴油机每完成一个工作循环都必须把废气排出气缸，并把新鲜空气吸入气缸，从排气过程、扫气过程到进气过程结束的整个气体交换过程称为换气过程。换气过程的质量将影响柴油机的功率、经济性、可靠性以及排气污染，是柴油机工作优劣的先决条件。1．换气过程：由于四冲程柴油机进排气过程是分别在两个过程中完成的，新气与废气互不掺混，因而其换气质量较高。而二冲程机换气时间短，换气与排气同时进行，新气与废气掺混，换气质量差，缸内新气少，残留废气多。所以二冲程机对换气型式要求较高。二冲程机常见的换气形式一般为：(1)简单横流扫气：如图2-6(a)，进气口位于汽缸中心线的两侧，空气从进气口一侧沿汽缸中心线向上，然后在靠近燃烧室部位回转到排气口一侧，再沿汽缸中心线向下把废气从排气口清扫出汽缸。(2)回流式扫气：如图2-6(b)所示，进排气口在气缸下部同一侧且进气口在排气口的上方，进气沿活塞顶面向对侧的缸壁流动，到气缸盖再转向下流动，把废气从排气口清扫出气缸。在船用大型柴油机中，MAN、KZ型柴油机为回流式扫气。(3)半回流扫气：如图2-6(c)，进气口布置在排气口的下方及两侧，气流在缸内的流动特征兼有横流与回流的特点。某些早期的半回流扫气形式，在排气管中装有回流控制阀。在船用大型柴油机中sulzerRD，RND，RLA，RLB等型柴油机均为半回流扫气形式。(4)直流扫气：如图2-6(d)，气缸下部均布一圈进气口，在气缸口有一圈排气阀(1～6个)。空气从气缸下部进气口进入气缸，沿气缸中心线上行驱赶废气从气缸盖上的排气阀排出气缸。该扫气型式使空气与废气不易掺混，扫气效果较好。同时排气阀的启闭由排气凸轮控制，不受活塞运动的限制，所以排气阀可以与进气阀同时关闭。在船用柴油机中B＆W、UEC等机型是传统的排气阀——扫气口直流扫气式柴油机。现代船用超长行程柴油机MAN／B＆WMC／MCE、sulzerRTA机型也是排气阀——扫气口直流扫气式柴油机。2．换气机构：保证柴油机按规定顺序和时刻完成进、排气过程的机构称配气机构。通常是由气阀机构、气阀传动机构、凸轮轴和凸轮轴传动机构组成的。二冲程气口换气的柴油机不需用专门的换气机构，而四冲程柴油机和二冲程气口一气阀式直流扫气柴油机则是通过专门的换气机构来完成的，它是这类型柴油机的重要组成部分。四冲程柴油机曲轴转两转气阀应开关一次，即要求凸轮轴转一转。因此，齿轮传动要使曲轴与凸轮轴之间的转速比为2：1。为保证曲轴与凸轮轴之间的“正时” 关系，防止相对位置装错，在传动齿轮上打有互相啮合的装配记号。大型低速二冲程柴油机因曲轴在凸轮轴之间的距离较远，转速低，多采用链条传动。二、柴油机的增压：随着生产的发展，一方面要求柴油机的功率适应增加的负荷的要求，另一方面又要把柴油机的重量和尺度限制在一定范围内。为此就要求在单缸容积内增加进气量，从而相应的多喷入燃油，以提高柴油机的功率。柴油机中把用增加进气压力来提高功率的方法称之为增压。为此必须装设一个压气泵。如果压气泵是由柴油机带动的，则进气压力的提高会使柴油机消耗于压力泵的功率增多。一般用这种机械增压的压力不会超过0.17×103kPa。柴油机的排气温度还很高(约为400～500℃)，约含燃油燃烧所发出热量的1/3，而且该能量品质较高。如果把废气能量充分利用起来，使之用于涡轮增压器，则涡轮增压器既可使柴油机的功率增加，又可提高柴油机的经济性。将柴油机排出的废气送入涡轮机中，使涡轮机高速回转带动离心式压气机工作，从而提高进气压力以实现增压，该方式称之为废气涡轮增压。废气涡轮机和压气机同称为废气涡轮增压器。第四节柴油机的类型和典型结构一、柴油机的类型：根据柴油机所用场合、目的不同，对其要求也不同，其类型很多。如按工作循环可分为四冲程和二冲程机两类；按是否增压可分为非增压和增压柴油机等。1．直列式和V型柴油机：船用柴油机通常均为多缸机。可满足功率、机动性、可靠性等多方面的要求。多缸柴油机的排列可分为直列式、V型、W型等。船用柴油机多为直列式和V型两种。具有两个或两个以上直列缸，并是一列布置的柴油机称直列式柴油机。具有两个或两列汽缸，中心线夹角呈V型，并共用一根曲轴输出动力称为V型机。直列机的缸数一般不超过12缸，缸数超过12通常用V型机，V型机一般用于中、高速柴油机。2．高速、中速、低速柴油机：柴油机的速度可以用曲轴转速n或活塞平均速度Cm来表示。低速柴油机n≤300r／minCm＝6.0～7.2m／s中速柴油机3001000r／minCm＝9.0～14.2m／s中、低速柴油机一般用作船舶的主机。高速机一般用于发电原动机、救生艇发动机及应急发电机、应急空压机、应急消防泵的原动机等。3．筒形活塞式和十字头式柴油机：用活塞销连接活塞与连杆的柴油机称筒形活塞式柴油机；用沿着导板滑动的十字头连接活塞与连杆的柴油机称十字头式柴油机。十字头式柴油机设有填料函，燃烧产物不易漏入曲柄箱污染滑油，这为十字头式柴油机用劣质油作燃料燃烧创造了有利条件。但重量和高度较大，且结构也较复杂。4．右旋和左旋柴油机：从柴油机功率输出端看，正车时沿顺时针方向旋转的柴油机称右旋机，一般布置在右舷。从柴油机功率输出端看，正车时沿逆时针方向旋转的柴油机称左旋机，一般布置在左舷。单台布置的柴油机通常为右旋机。5．可逆转和不可逆转主机： 可由操纵机构改变自身转向的柴油机称可逆转柴油机。曲轴仅能按同一方向旋转的柴油机称不可逆转主机。二、船舶柴油机型号：每种柴油机都有自己的代号，称为型号。下面介绍几种主要的型号：1．我国国产柴油机型号：(1)低速柴油机：例：6ESDZ43／82B，其代号含意为：气缸数二冲程十字头式可倒转增压缸径(cm)／行程(cm)改进序号(2)中、小型柴油机型号：例：8E350ZCD，其代号含意为：气缸数二冲程缸径(mm)增压船用可倒转2．sulzer柴油机：主要有RD、RND、RNDM、RLA、RLB、RTA、RTAM等产品。例：6RTA84M，其代号的含义为：气缸数焊接线构、二冲程、十字头式超长冲程直流扫气机型发展序号、气缸直径(cm)改进代号3，MAN低速柴油机：例：K9Z60／105E，其代号的含义为：十字头式气缸数二冲程，单作用缸径(cm)／行程(cm)改进代号4．B＆W船用柴油机：例：1284VT2BF-180，其代号的含义为：气缸数缸径(cm)二冲程、单作用、十字头式设计特征船用行程(cm)5．MAN-B＆W船用柴油机：例：5L(S)60MC／MCE，其代号的含义为：气缸数长冲程（超长冲程）缸径(cm)二冲程、十字头、定压增压强化经济型6，三菱船用柴油机：例：8UEC85／180D，其代号的含义为：气缸数直流扫气废气涡轮增压十字头式缸径(cm)／行程(cm)系列号第五节柴油机的工作系统一、燃油系统：功用：为保证船舶的正常营运，为主机、辅机和锅炉等提供足够数量并合乎质量要求的燃油。1．油的选择：1）燃油的粘度和凝点：燃油一般以油的粘度进行分类。粘度是表示燃油流动时的内部阻力。粘度的大小可以用绝对粘度和相对粘度来表示。前者表示内摩擦系数的绝对值，后者是在某一条件下的相对值。属于绝对粘度的有运动粘度和动力粘度，属于相对粘度的有恩氏、雷氏、赛氏粘度。⑴动力粘度表示面积为1cm2、相距为1cm的两个流体薄层，以1cm／s的速度作相对运动时该流体所产生的阻力的达因数，单位为泊(h)，1h的1％用厘泊(cpa)表示。⑵运动粘度是动力粘度与密度的比值，一般用St表示，或用其1％即cst表示。⑶恩氏粘度是在某一测定温度下，从恩氏粘度计流出．200cm3油所需时间与20℃时同体积蒸馏水从该粘度计流出所需时间的比值，用符号°Et表示。⑷雷氏粘度为某一油品在100℉(37.8℃)时，从雷氏粘度计中流出50cm3所需的时间，单位为秒(s)。雷氏粘度又有雷氏1号(RedN01)和雷氏2号(RedN02)两种。⑸赛氏粘度为某一油品在100℉时，从赛氏粘度计中流出60cm3所需的时间，单位为秒(s)。国际标准化组织规定50℃时的运动粘度为通用粘度。但航运界常用雷氏1号粘度。大型低速机合适的进机粘度一般为10～25cst或60～110s(RedNO1)。2）燃油的种类和牌号：我国 船舶柴油机所用燃油基本上有三种：轻柴油、重柴油、重质燃料油三种。⑴轻柴油：10、0、﹣10、﹣20、﹣35五个牌号，它们都是以油的凝点为牌号的，如—35号轻柴油其凝固点为﹣35℃；⑵重柴油：10、20、30三个牌号，也是以凝点的数值为牌号的，如20号重柴油的凝点是20℃；⑶燃料油：20、60、100、200四个品种，是以80℃时的运动粘度为代号分类的。在国际船用燃料油市场上，常把燃油分成以下四类：⑴船用轻柴油(MarineGasOil)：相当于国产﹣35号轻柴油；⑵船用柴油(MarineDieselOil)：其粘度相当于国产20号重柴油，但质量要好些，特别是其凝点较低；⑶中间燃料油(IntermediateFuelOil)：相当于我国的内燃机燃料油，其粘度一般在200～300s(雷氏粘度)；⑷船用燃料油(MarineFuelOil)：它为石油蒸馏剩余的渣油，粘度多在3500s以上。3）应用：⑴救生艇发动机和应急发电机要选用轻柴油，⑵发电柴油机多选用重柴油，但现在新型发电柴油机也可用与主机相同的燃料油。⑶船用主机一般用内燃机燃料油，船用主锅炉可以使用船用燃料油，亦即渣油。2．燃油系统：一般由燃油注入、贮存、驳运、净化和供给五个基本环节组成。二、润滑系统：通常是由曲柄箱强制润滑系统、增压器润滑系统、气缸润滑系统等组成。1．增压器润滑系统：增压器使用汽轮机油润滑，其润滑系统通常有两种润滑方式：一种是自身封闭式润滑(不需要另设润滑系统)；一种是重力一强制混合润滑系统。2．汽缸油润滑系统：1）十字头式柴油机：汽缸注油润滑使用专用的润滑系统及设备(气缸注油器、注油接头)，把气缸油经缸壁上的注油孔(一般均布8～12个)喷注到汽缸壁表面进行润滑；其注油量可控，喷出的气缸油不予回收，国外称“一次过润滑”(once-through)。2）在某些中速筒型活塞柴油机中，气缸润滑除采用飞溅润滑方式外，还采用注油润滑作为汽缸润滑的辅助措施。3.曲柄箱油润滑系统：曲柄箱滑油系统按照发动机机构不同有湿油底壳式、干油底壳式两种。1）湿油底壳式的滑油存放在发动机油底壳内，借助滑油泵把滑油抽吸上来，经滑油冷却器后送至各润滑部件，然后借助重力回流入曲柄箱的油底壳内。这种系统设备少，无需另设滑油循环柜，滑油变质后可以全部更换，多用于小型船舶主机和海船发电机之中，其缺点是润滑会受到高温燃气的作用而容易变质。2）干油底壳式润滑是专设的滑油循环柜存放滑油，改善了滑油的工作条件，这种系统多用于大、中型船舶主机中。三、冷却系统：为了使受高温燃气和摩擦作用的部件保持稳定的工作性能，必须对它们进行冷却。冷却系统的任务就是把冷却介质送到受热的部件，将多余的热量带走。对冷却系统的基本要求：确保供给足量、连续和适宜的冷却介质，工作安全可靠，便于维护管理和经济耐用。根据工作特点的不同，冷却系统可分为以下三种：1．开式冷却系统：开式冷却系统的设备和管路少，维护管理方便，水源丰富，是船上应用最早的冷却方式，但由于冷却介质为舷外水，水质和水温变化较大，易使冷却水腔积垢，并且使被冷却部件内外温差过大，柴油机效率低，可能出现裂纹、漏水等严重事故。所以该种冷却方式主要用于某些小型柴油机的冷却，以及对冷却液要求不高和对水质要求不严格的设备。 2．闭式冷却系统：系统中主机的冷却介质是淡水。柴油机在正常运转时，淡水经缸套冷却水泵和进水总管进入主机，冷却后经除气、稳压和节流由排出总管排出，最后经壳管式冷却器又回到汽缸冷却水泵。通过淡水不停地循环，把主机需要散出的热量带出，在冷却器中传给海水，由海水带至舷外。膨胀水柜的作用：使水受热后有膨胀的余地、补水、放气、投药处理及保证淡水泵有足够的压头等作用。为满足备车时的需要，系统中设有预热泵和加热器。船上柴油副机有自己独立的淡水冷却系统，在大多数船上它与主机的缸套水系统之间设腰接阀而互相连通。当主机完车之后，转换腰接阀，使副机的循环淡水对主机进行预热，以便于下次起动。为利用余热，可将部分缸套水引入造水机，以加热淡水，使海水在一定真空下蒸发、冷凝制成淡水。3．集中式冷却系统：闭式冷却系统由于克服了开式冷却系统的水质差和温度受外界环境影响大的弊病，因此在船上得到广泛应用。但在该种冷却方式中，除了众多的冷却器用海水冷却外，也还有一些其它设备直接用海水冷却，使不少设备部件和管路仍暴露于海水的腐蚀之下，为此从60年代起又发展了集中式冷却系统。集中式冷却系统几乎所有设备都用淡水冷却，而淡水吸收的热量则在中央冷却器中传给海水。用于中央冷却器的海水系统，只包括海水泵、过滤器、阀件和长度极短的海水管路。该种冷却方式优点：使系统的设备、管路、阀件受腐蚀减少，整个系统的维修工作量大为减少。但系统常采用板式热交换器，这种热交换器常采用钛金属板，使得投资费用增加，对维修技术的要求较高。第六节柴油机的操纵系统船舶的航行状况经常发生变化，例如：进出港和靠离码头，要求船舶多次改变航速和航向；在海洋中要求定速航行；在大风浪中，由于船舶阻力增大，为防止主机超负荷，应限制主机的负荷和转速；在紧急情况下，应能紧急刹车，强迫主机停车和倒转。因此要求船舶主机应具有起动和停车、定速和变速、超速和限速、超负荷和限制负荷、正车和倒车的能力。为满足这些功能，而设置的起动、换向和调速装置称之为柴油机的操纵机构。一、起动装置：柴油机是一种压缩发火式内燃机，必须保证在压缩终了时的温度和压力保持一定值，因此必须保证柴油机有一定的起动转速，通常称柴油机起动所要求的最低转速为起动转速。柴油机起动转速的范围一般是：⑴高速柴油机：80～150r／min；⑵中速柴油机：60～70r／min；⑶低速柴油机：25～30r／min。柴油机起动方式可分为：⑴人力手摇起动、⑵电动起动、⑶压缩空气起动三种。通常，小型柴油机和救生艇发动机采用手摇或电动起动，船舶主机和柴油发电机几乎全部采用压缩空气起动。二、换向装置：要使船舶从前进变为后退(或相反)，既可靠改变桨的转向来实现，也可靠改变桨的螺距角使推力发生变化(称为调距桨)来实现。目前，多数船舶使用前者实现航向的改变，在这种方式中，可通过轴系上的换向装置来完成(间接传动方式)，也可通过主机的换向来完成。大型低速柴油机多采用后者。要使柴油机换向，应先停车，然后使柴油机反向起动起来，因此必须改变喷油正时、排气阀正时 ，以满足反向起动和反向运转对正时的要求。上述正时均由凸轮控制，从前而改变空气分配器、喷油泵和进、排气阀等凸轮与曲轴的相对位置。为改变柴油机的转向而改变各种凸轮相对于曲轴位置的机构称之为换向装置。三、调速装置：柴油机的不同转速和功率是通过改变每一循环的喷油量来完成的，在一定的外负荷条件下，若供给柴油机一定的燃油量，使柴油机的功率与外界负荷相平衡，柴油机就在某一转速下稳定运转，船用柴油机的外界负荷是经常变动的，欲使柴油机的功率与新的外界负荷相适应，就应及时改变喷油量。通常喷油量的改变是通过调速装置来完成的。1.船舶发电柴油机：要求在外界负荷变化时能保持恒定的转速，以保持发电机的电压和频率恒定，满足并车及供电需要。若负荷减少而喷油量不变，则柴油机和功率大于外界负荷使转速升高，转速上升又进一步增大了功率的不平衡，使转速继续升高而导致飞车。反之，若外界负荷增大，最终会导致停车。因此必须装设定速调速器，以保证在外界负荷变化时能保持转速稳定。2.船舶主机：与发电柴油机不同，若外负荷增大而喷油量不变，则主机会减速，桨的功耗下降稳定在一个新的功率平衡点上；反之，若外界负荷减小而喷油量不变，则会稳定在一个较高转速的新平衡点上。故船舶主机有自平衡能力。如不需主机转速恒定，可无需装调速器。但为了在某些特殊情况下(如桨露出水面、断轴、掉桨)的安全，我国规定必须装设极限调速器。对于长航线船舶，为避免海况变化使得柴油机工况不稳定，必须装设调速器。1）按照转速调节范围可分为：(1)极限调速器：只有当柴油机转速超过极限时才起作用。目前已很少单独在船上使用。(2)定速调速器：保持柴油机转速恒定。(3)全制式调速器：可任意选定转速，并保持该转速恒定，广泛应用于船舶主机和发电柴油机中。(4)双制式调速器：有两个转速控制点，能改善柴油机的怠速工况的稳定性和限制最高转速。2）按结构原理可分为：(1)机械式调速器：一般用于中、小功率柴油机上；(2)液压调速器：一般用于大、中型柴油机上。3）超速保护装置：船舶柴油机除了要装设调速器外，为防止调速器损坏时造成柴油机的损害，还要装设超速保护装置。我国规定：凡功率超过220kW以上的船舶柴油机和发电柴油机应装设此设备，以防止主机转速超过120％标定转速和柴油发电机转速超过115％标定转速。该装置必须与调速器分开设立并独立运行，只有在转速超过规定时才起作用。四、操纵系统：是将起动、换向、调速等装置联结成一个整体并可以集中控制柴油机的机构。操纵系统按操纵方式可分为：(1)机旁手动操纵：操作台设在机旁。(2)机舱集控室控制：在机舱的适当部位设置专用的控制室。(3)驾驶室遥控：在驾驶台由驾驶员直接控制柴油机。机旁手动操纵是操纵系统的基础，其优先级最高，亦即切换至机旁手动操纵时，其它两种操纵方式不起作用。其次为机舱集中室控制，最后是驾驶室控制。第七节柴油机的运转特性柴油机的特性反映出柴油机的动力性、经济性和使用性能，是柴油机的固有特性。由于柴油机应用场合和工作条件的不同，其性能指标和工作参数有很大差异。一、柴油机的速度特性： 指将喷油泵油量调节机构固定在某一位置上，然后改变柴油机的负荷，使柴油机转速变化，在这种条件下测得的柴油机主要性能指标和工作参数随转速变化的规律。根据喷油泵的油量调节机构固定位置不同，亦即每循环供油量不同，柴油机的速度特性可分为：全负荷速度特性、超负荷速度特性、部分负荷速度特性。1）全负荷速度特性：测定时，柴油机先开空车，逐渐增速，再通过测功器逐渐增大负荷，同时通过调速器增加供油量，使柴油机在标定转速下发出标定功率和标定转矩。然后将油门固定，逐次增加柴油机的转速和降低转速，使柴油机在最低稳定转速和标定转速之间的各个不同转速下稳定运转测出其在各转速下的性能参数，由此可以整理出以转速为横坐标各性能参数为纵坐标的全负荷速度特性。如图中曲线3所示。2）超负荷速度特性：测定方法是把油门固定于产生110％标定功率的油门上，所测出的性能曲线。如图中曲线2所示。3）部分负荷速度特性：如果把油门固定于比标定功率油量小的各个位置上，通过上述方法所测得的曲线称为部分负荷速度特性。由于油量调节机构固定的位置不同，可测得若干条柴油机部分负荷速度特性曲线。如图中曲线5和6所示。作为船舶推进柴油机在实际使用时，考虑到航行条件和船舶污染情况，为保证主机在各种运转条件下均能长期可靠运行，主机都留有适当的功率储备，即船上实际使用的最大功率要低于标定功率一定值。此时实际的全负荷速度特性线应按图中的曲线4考虑。二、柴油机的推进特性：在船舶推进系统中，船、机、桨三者之间处于同一系统中，组成一个统一的能量转换系统。在稳定运行时，主机发出的功率和转矩应与桨得到的功率和扭矩相同(不计及传动损失)。桨所得到的功率则用来克服船舶阻力，使船舶保持一定的速度航行。因为桨所需的功率与转速的三次方成正比，主机带动螺旋桨工作，就必须满足桨的功率要求。根据主机的功率与桨所需的功率相等的原则，主机的功率与转速的关系也是三次方的关系。柴油机按桨特性工作时，各性能指标和工作参数随转速变化的规律，称为柴油机的推进特性。三、柴油机的限制特性：柴油机在运转中，如果因某个零件或部件发生故障而停车，则必然会危机船舶的航行安全。为此对柴油机的热负荷和机械负荷都应有一定的限制，即要防止超功率也要防止超扭矩；即要防止超转速也要防止超温度。限制特性是指限制柴油机在各种转速下的最大有效功率，使柴油机的机械负荷和热负荷不超出为保证它可靠工作而规定的允许范围。限制特性是速度特性的一种。实际常用的限制特性有：(1)等转矩限制特性：一般低速机和中速柴油机常以转矩作为限制参数来建立转矩限制特性。在等转矩的情况下，功率与转速成正比。如图2-30中直线7所示。(2)等排温限制特性：为限制柴油机的热负荷，可以用柴油机的等平均排温曲线作为限制特性。第八节柴油机的主要工作指标柴油机的性能通常可以从动力性、经济性、运转性(冷车起动、排气污染等)、可靠性和耐久性等方面加以衡量，而这里主要是从动力性和经济性来考虑。动力性和经济性指标可以分为指示指标和有效指标两类。1）指示指标：是以汽缸内示功图 所表示的工作循环指示功为基础的，只考虑缸内燃烧不完全及传热等损失，而未考虑各运动副之间的摩擦损失。该指标主要用来评定缸内工作循环的完善程度。2）有效指标：是以在输出轴上所得到的有效功为基础，既考虑了热损失也考虑了机械损失，它是评定柴油机工作性能的最终指标。一、指示指标1．平均指示压力：平均指示压力pi表示一个工作循环中单位汽缸容积的作功能力。pi值大，说明汽缸作功能力大，工作循环比较完善。在船舶实践中，可以通过由示功器测得的少p-V示功图进行计算得出柴油机作功能力的大小。如所得示功图面积为，f(mm2)，长度为L(mm)，平均高度为hi＝f/L(mm)，则平均指示压力pi=hi／M(MPa)式中：M——示功弹簧比例，mm／MPa。2．指示功率：假设每个汽缸每个工作循环的指示功为：Wi=piVh,则一个汽缸的指示功为：Wi=piVhmn/60(N.m／s)整台机的指示功率为：Pi＝piVhmni/60000(kw)式中：pi——平均指示压力，Pa或N／m2；Vh——汽缸工作容积，m3；N——柴油机转速，r／min；M——每转工作行程数，四冲程机m＝l／2，二冲程机m=1；i——汽缸数。对于既定的柴油机，Vh、m为定值，令Vhm／6000＝C则：Pi＝Cpini(kW)3．指示热效率和指示油耗率：柴油机的指示热效率为指示功的热当量与消耗的燃料热量的比值，即：ηi＝Wi/QXR＝3600pi/GfHu式中：Wi——指示功，J；QXR——加入汽缸的总热量，J；Gf——柴油机每小时油耗量，kg／h；Hu——所用燃料的低发热值，kJ／kg；Pi——指示功率，kWo指示油耗率以1kW指示功率每小时消耗的燃油量来表示，即：gi＝Gf/Pi则：ηi＝3600/giHu二、有效指标1．有效功率和机械效率：从柴油机曲轴飞轮端传出的功率称为有效功率，用Pe表示。也可以说用指示功率减去机械损失功率Pm即为有效功率，即：Pe＝Pi－Pm机械损失功率包括摩擦损失功率、带动辅助机械消耗的功率、进排气过程的泵气损失(只存在于增压四冲程机中)。机械效率ηm是有效功率与指示功率之比，即：ηm＝Pe/Pi＝P－Pm/Pi＝1－Pm/Pi机械效率ηm取决于：设计制造质量、柴油机负荷、转速、滑油温度、水温等。2．有效燃油消耗率和有效热效率：有效油耗率 是指每1kW有效功率每小时所消耗的燃油量，即：ge=Gf/Pe或ge=gi/ηmkg／(kW．h)有效热效率是指曲轴有效功与所消耗的热量之比，即：ηe＝We/QXR＝Wi/QXR×We/Wi＝ηiηmηe＝3600/ge×Hu3．平均有效压力：是指柴油机每一工作循环每单位汽缸工作容积所作的有效功。仿照指示压力的公式，可以算得：pe=Pe/cni或pe＝pi×ηm同样，平均机械损失压力Pm也可以写成为：pm=Pm/cni，则平均有效压力可写成：pe=pi-pm。三、其它常用参数：1．最高爆发压力：燃烧过程中汽缸内工质的最高压力称最高爆发压力pz。它是引起柴油机周期性机械负荷的主要外力，会引起各部件的应力和变形，造成疲劳损坏、磨损和振动。2．排气温度：非增压柴油机的排气温度是指废气管内的排气温度，增压柴油机的排气温度是指汽缸盖排气道出口处废气的平均温度，用tr表示。3．活塞平均速度：在曲轴一转两个行程中活塞运动速度的平均值称活塞平均速度Cm。即：Cm=2Sn／60=Sn／30(m/s)。4．行程缸径比：行程缸径比(S／D)是柴油机的主要结构参数之一。它对柴油机的重量及尺寸、机械负荷、热负荷、振动性能等都有重大的影响。第九节柴油机的运行管理一、备车：开航前的备车是技术管理的重要环节之一，任何船舶都应有这个过程。其目的是保证船舶动力装置处于随时可起动和运行状况。备车时间一般在0.5～6h之间。其基本内容包括校对时钟、车钟、对舵、暖机、各系统准备、转车、冲车和试车等。1．暖机：1）暖机：是指预先加热柴油机冷却系统、滑油系统及燃油系统，并开启各泵来提高机体温度和向各运动件摩擦表面供应滑油的过程。2）目的：在于减少由于起动后温度突变而使得部件产生的热应力，并可改善柴油机的起动性能和发火性能，减少汽缸内的低温腐蚀等。2，各系统的准备：为保证柴油机能够正常运行，各工作系统如滑油、冷却水、燃油、压缩空气等均应处于正常工作状态。3，转车、冲车和试车：以上工作准备完毕后，通常在开航前15～30min进行转车、冲车和试车。进行前，应征得驾驶员同意，驾驶员检查船首、船尾情况，确认正常后，才可通知机舱冲、试车。⑴转车：是利用盘车机将主机转动几圈。目的是检查各运动部件和轴系的回转情况及缸内有无大量积水。⑵冲车：在转动确认正常后要脱开盘车机，利用压缩空气对主机进行起动操作。其目的是利用压缩空气将缸内小杂质、残水和积油从示功阀冲出，从而检查起动系统工作是否正常。⑶试车：冲车正常后关闭示功阀，正、倒车交替起动、供油发火，各运转几转。其目的是检查起动、换向、燃油系统、油量调节机构及调速器等是否正常。并检查各缸发火是否正常及运转中有无异响。试车完毕后，机舱应将车钟放至停车位置，表示试车完毕，驾驶台随时可用车。二、运行中的工作：1．机动航行： 船舶在进出港、移泊、过运河、浅水及窄航道航行中，柴油机工况多变，必须进行正确的操纵及管理。1）在起航和加速过程中：不要突然加大油门，应随船速的增加不断将油门加大，以防主机超负荷。2）在进行倒车操纵时：为避免柴油机超负荷，倒车起动油门不可过高，其加速过程也不可过快。3）从开始起航到船舶定速：该时间不可过短，决不允许柴油机刚刚运行几分钟，就将操车手柄转至全速，这样会引起柴油机超热负荷，缸套产生裂纹。对于不同的机型，该时间的长短不一。影响该时间长短的因素有两个：一是发动机运动部件的质量惯性，二是受热部件的热惯性。一般来说，质量惯性和热惯性都小，有利于加速，而后者更为重要，在这方面中速机优于低速机。对于现代的大型低速机而言，从起动至全功率的时间至少需要30min以上。4）当船舶航行于浅水区：由于船舶阻力加大，必须降油门运行，以防主机超负荷。5）大风浪天航行：为防止主机飞车和主机超负荷，也必须把飞车设定转速降低及降油门运行。2．正常航行：船舶正常航行中，驾驶台与机舱应注意联系。1）每班下班前，轮机员应向驾驶员告知主机平均转速、海水温度，值班驾驶员向轮机员报告本班平均航速、风向和风力。2）每日正午驾驶台和机舱应核对时钟，并交换正午报告。3）轮机人员发现有不正常状态要减速和停车时应先通知驾驶台，得到许可后方可减速和停车。如情况紧急，可以先降速后通知。当驾驶台需要改变主机的转速或停车时，也应提前通知机舱，以便进行必要的准备。在船舶定速航行中，如果驾驶台想练习操舵也应提前征得轮机部同意后方可进行，因为舵角的变化会引起船舶阻力的变化，从而导致柴油机超负荷。三、到港后的工作：船舶抵港后，驾驶台通知完车后，主机停止工作，但滑油和冷却水应继续工作半小时以上，以保证机器的温度能较为均匀地逐步下降，其它系统可停掉。停泊后，如需主机吊缸和洗炉，应征得船长同意后方可进行。装卸货当中甲板部应提前将开工的舱口班数通知机舱，以便机舱供电。四、经济航速：常用的有三种：1．最低油耗率航速：柴油机在推进特性下工作，当功率与转速变化时，其燃油消耗率ge由于受到喷油量、换气质量、转速等影响，不是一个定值，一般在85％负荷时最小。柴油机在ge最小时运转，其经济性最好，所以燃油消耗率ge最低时的航速是经济航速。若柴油机经常在较高负荷下工作，应尽量使用最低耗油率航速。2.最低燃油费用航速：船舶每航行一海里动力装置所消耗的燃料用每海里燃料消耗量gn表示。gn=B/Vs（kg/nmile）；B=BZ+BG+BD表示主机、锅炉、发电柴油机燃油消耗量之和；Vs表示船速。经简化得：gn=AbeVs2+(BG+BD)/Vs；船舶航行中，BD、BG基本不变，与航速无关，可以作出其曲线。gn是带有综合性质的指标，它既考虑了动力装置本身的性能，也考虑了船舶的航行条件。当船舶航速降低时，ge将会增加，但gn却明显地逐渐下降，并出现一个最小值gnmin，gnmin所对应的航速即为节油的经济航速，对一定的船舶其燃油费用最小。在船舶经常停航待命和降速航行时，应尽量使用最低燃油费用航速。3．最高盈利航速：为营运期内盈利最大的航速。上述两种经济航速，因为只考虑了动力装置本身的经济性，所以不一定是船舶最高的盈利航速，欲获得船舶最大的盈利航速，尚需考虑船舶的折旧费、客货的周转费、运输成本及利润等 因素。不同的航区、不同的船舶种类将各有其相应的最大盈利航速。选择哪一个航速，需要多方面共同协商后制定。第三章船舶轴系和推进器船舶推进装置的任务是把船舶推进动力装置的动力转变为推进力，并把推进力传递给船船体，推动船舶前进。第一节船舶推进装置的传动方式根据动力传递方式的不同，船舶推进动力装置可分为以下几种。一、直接传动：1）是主机的动力直接经轴系传给螺旋桨的传动方式，在主机、轴系和螺旋桨之间没有其它的传动机构。运转中螺旋桨与主机始终保持相同的转向和转速。2）直接传动推进装置结构简单、工作可靠、传动效率高、工作寿命长、维护管理方便，为商船所普通采用。只是因为在高速时螺旋桨效率较低，故只适于和低速主机连用。如果使用定距桨，必须使用可换向主机。二、间接传动：1）是在主机和轴系之间设有减速器和离合器等中间传动环节的推进装置。齿轮减速器是应用最广泛的一种减速器。减速器和离合器可以单独使用，也可共同使用。2）间接传动具有一系列优点，如主机转速可以不受螺旋桨要求低转速的限制；在采用正倒车离合器的装置中，可使用不换向主机；有利于多机并车运行及设置轴带发电机；轴系布置灵活性大等。间接传动主要缺点是结构复杂，传动效率低。三、Z型传动：以上传动方式，螺旋桨轴线与传动轴线在一条直线上，称为直线传动。Z型传动的结构原理是使用了由两个螺旋齿轮副和组成的两个直角(亦称L型)传动机构，把经万向传动轴而来的主机动力传递给螺旋桨。1）优点：(1)可以省掉舵、尾柱和尾轴管等结构，使船尾形状简单，减少船体阻力；(2)操纵性好。螺旋桨推力方向任意变化，可直接用作转向动力，能使船舶实现原地回转，特别适合于对定点作业船舶的控制；(3)可以使用重量轻体积小的中、高速柴油机，而不需要单独的减速齿轮装置；(4)不需要主机换向，可以延长主机使用寿命。2）应用：这种传动装置传递的功率较小，仅适用于小型船舶的推进装置和大型船舶的侧推装置。第二节轴系的组成轴系的组成：包括推力轴、左端的尾轴和它们之间的中间轴及相应的轴承。一、推力轴和推力轴承：在直接传动装置中，推力轴与主机曲轴的飞轮端直接连接；而在间接传动装置中，它则与齿轮减速器的主齿轮相连。推力轴的功用是将主机的扭矩传递给相邻的中间轴，同时把经中间轴传递来的螺旋桨推力传递给船体，并对轴系进行轴向定位。二、中间轴及中间轴承：中间轴的作用在于连接推力轴和尾轴，并进行扭矩及推力的传递。中间轴的长度及轴段数量取决于主机布置位置与螺旋桨轴的距离。每段中间轴的轴颈处，均由中间轴承支承，以承受中间轴重量并保持正确的轴线。中间轴承系滑动轴承，采用飞溅润滑。三、螺旋桨轴和尾轴管：螺旋桨轴是轴系的最末一段，因其穿过尾轴管，也称做尾轴 。它与中间轴尾端相连，并穿过尾轴管而伸出船外。在尾轴管内设有尾轴承，以支承尾轴和螺旋桨的重量，并吸收螺旋桨引起的径向振动。尾轴承根据使用材料的不同，有铁梨木式、层压板式、白合金式等不同型式，在小型船舶上橡胶尾轴承也有使用。除白合金尾轴承采用润滑油润滑外，其它型式的尾轴承均直接用海水润滑。铁梨木经海水浸泡后有很好的润滑性能，是良好的尾轴承材料，只是因材料来源少而价格较贵。在尾轴管内还设有尾轴密封装置，以防止海水沿尾轴流入船内或在润滑油润滑轴承的情况下防止润滑油漏泄。四、螺旋桨及螺旋桨特性：螺旋桨一般有3～5片桨叶，它可以被看作是具有多头螺纹的一段短而粗的螺杆，桨叶即是螺纹。当螺杆在轴向运动受限的螺帽中转动一周时，螺杆会轴向移动一个螺距的位移。假如螺旋桨所推的海水静止不动，螺旋桨转动一周也将前进一个螺距的距离，并推动船舶作同样的位移。1，螺距与螺距角：图3-5中的曲线表示桨叶上距螺旋桨中心半径为R的某一叶素，在螺旋桨转动一周过程中的运动轨迹。它是一个空间螺旋线，可被分解为该叶素在桨叶回转平面内的圆周运动展开直线位移L和轴向移动位移H。H即是桨的螺距：L＝2πR(m)。叶素半径R，螺距H和螺距角θ之间的关系是：H＝2πRtgθ(m)。定距桨的螺距H为常量。对于变距桨而言，设法使桨叶在桨毂上相对转动，改变螺距角θ，即可改变螺距H。2．螺旋桨的进程比：螺旋桨工作时转动一周，它的轴向实际前进距离称为进程，用hp表示。实际上，由于水会被螺旋桨推动后移，进程hp并不等于螺距H，其差值称为滑失。它们之间的关系是：hp＝H—h(m)，式中：h——滑失，m；H——螺距，m。进程与螺旋桨直径的比值称为进程比，λp＝hp／D＝Vp／nD式中：λp—进程比，无因次量；D—螺旋桨直径，m；Vp—实际航速，m／s；(螺旋桨进速)n—转速，r／s。对于某一几何结构一定的螺旋桨，转速不变时，λp与船速Vp成正比。3．螺旋桨工作特性：1）推力：T＝K1ρn2D4(N)。2）阻力矩：M＝K2ρn2D5(N.m)，式中：K1，K2—推力系数，扭矩系数；ρ—水的密度，kg／m；n—螺旋桨转速，r／s；D—螺旋桨直径，m。T＝C1n2(N)M＝C2n2(N-m)式中：C1＝K1ρD4，kg·m；C2＝K2ρD5，kg·m2。3）功率：P＝2πn.M，P＝2πn·C2n2，或P＝Cn3(W)式中：C＝2πn·C2，kg·m2。螺旋桨的推力和扭矩与转速的二次方成正比，而它所吸收的功率与转速的三次方成正比。这种关系绘出的曲线，称为螺旋桨特性曲线。船舶阻力的变化，会引起螺旋桨进程入p的改变。船舶阻力增加，则hp减小，λp减小，K1、K2及C1、C2、C增加，螺旋桨特性曲线变陡。反之亦然。第三节各种航行条件下主机的工况一、船、机、桨的配合：船舶航行时受到各种阻力的作用。在螺旋桨推进的船舶上，这些阻力即成为螺旋桨的负荷。螺旋桨必须产生与之相应的推力，才能使船舶保持希望的航行状态。而螺旋桨产生一定推力所需的扭矩和功率则由主机提供。它们之间保持着力、扭矩和功率的平衡。 1．船舶阻力：船舶航行时所受到的阻力有：水下部分的水力阻力、水上部分的空气阻力和船舶加减速时的惯性阻力。船舶水力阻力有摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力三种，它们与船舶航速、排水量、船体线型和污底程度有关。试验表明，水对船体的总阻力R约与船速VS(VP)的平方成正比：R＝AR.VS2式中：AS——阻力系数。1）当船舶装载量增加、发生污底、进入狭窄或浅水道航行时，Ar均会增加，使水力阻力增大。2）空气阻力与船舶水上构造的迎风面积、形状、风向和风力大小有关。3）惯性阻力与包括船舶自重和装载量在内的船舶总排水量有关。加速时惯性阻力为正值，减速时为负值。2.与螺旋桨配合工作时的主机工作点：忽略传动损失，主机发出的功率与螺旋桨吸收的功率相等。如果将柴油机速度特性曲线和它所带动的螺旋桨的特性曲线画在一个座标图上，柴油机速度特性曲线与螺旋桨特性曲线上的交点，即是它们配合工作的工作点。二、航行条件变化时主机的工况1，航行阻力变化时主机的工况：船舶航行阻力的变化，会引起螺旋桨进程比Ao的改变，从而导致螺旋桨特性曲线的变化，使主机工作点发生变化。如图3-9所示，如柴油机以标定负荷速度特性，与具有特性曲线工的螺旋桨配合工作，工作点为a，此时柴油机发出标定功率Pe，带动螺旋桨以标定转速ne转动。如果因装载量、风力、航道变化、船舶污底、起航加速等原因使船舶阻力增加，螺旋桨特性曲线将会变陡，例如变为特性曲线Ⅱ。这样工作点将会从a点变到b点。此时，尽管柴油机功率和转速均低于标定值，但已在超扭矩范围内(a点到坐标原点连线——标定扭矩线——以上区域)工作。这对柴油机的工作是十分不利的。这时应减小柴油机油门，以较低负荷速度特性(如特性线2)工作，使工作点回到标定扭矩线以下区域。切不可为了增加柴油机转速和船速而盲目加大油门，使柴油机严重超负荷而造成损坏。反之，当船舶阻力减小时，螺旋桨特性曲线会变得较为平坦，如特性曲线Ⅲ。工作点将会由a点变至d点。这时，尽管柴油机未超扭矩工作，但柴油机的转速和功率均超过标定值ne和Pe，柴油机也处于超负荷状态。此时也应减小油门，以部分负荷特性曲线(如曲线2)工作，使柴油机的功率和转速均不超过标定值。2．主机换向和船舶倒航时主机的工况：船舶在港内航行、靠离码头或者遇到避碰等紧急情况时，常需改变主机回转方向，使前进的船舶迅速停止下来，或改为倒航。图3-10所示为主机换向及倒航过程中螺旋桨的特性曲线。图中横坐标为螺旋桨转速的百分比，纵坐标为螺旋桨转矩的百分比。曲线A、B和C分别为船在全速、半速和系泊情况下根据船模试验画出的螺旋桨换向及倒转特性曲线。1）假定船舶正在全速前进，现将主机从正车改为倒车运转(图中曲线A)。原先，主机和螺旋桨的配合工作点为a点。接到倒车命令后，首先停止主机供油，主机转速会迅速下降，螺旋桨进程比λp将迅速增加，因此扭矩、推力亦迅速下降。在下降到b 点之前的某一转速时，将出现零推情况。当转速下降到b点时，螺旋桨扭矩亦为零。此时推力为负，螺旋桨开始阻止船舶前进。a—b为螺旋桨换向的第一阶段。在b点以后，由于船舶因惯性仍在前进，螺旋桨被水冲击转动，产生负扭矩，象水涡轮一样带动主机仍按正车方向回转。此负扭矩为主机运动部件和轴系摩擦损失所消耗，所以转速迅速下降。在转速下降到‘点时，负扭矩达最大值，此后负扭矩逐渐减小。达到d点时，负扭矩已不足以克服主机运动部件和轴系的摩擦阻力，螺旋桨即停止转动。b-c-d为螺旋桨换向的第二阶段，即水涡轮工作阶段。在d点之后，倒车起动主机，使主机带动螺旋桨倒车转动，产生负推力，对船舶起制动作用。但是此时船舶仍在前进，所以当倒车转速达40％～60％标定转速时，扭矩已达标定值M。2）船舶半速前进时，螺旋桨换向的转矩与转速关系(曲线B)与全速时相似，只是负转矩数值较小。系泊工况时(曲线C)没有水涡轮工况，不出现负转矩。以上讨论未考虑换向过程中船速的变化。如考虑到实际在航行条件下主机换向过程中船速有所降低，则螺旋桨的换向倒转特性可如曲线D所示。3）利用上述螺旋桨的水涡轮原理，可以消耗船舶的惯性能，对船舶起一定制动作用。但是由于主机运动部件和轴系的摩擦力较小，螺旋桨降至零速所需时间较长。这一过程中船舶的惯性滑行距离可能为船长的5～6倍。这么大的滑行距离，对于避碰的紧急情况是危险的。在紧急情况下，可在主机转速降至30％～40％n，时，按倒车起动方式向主机供入起动压缩空气，对主机运动部件、轴系和螺旋桨进行强行制动，使它们较快停止转动，然后倒车起动主机，使螺旋桨倒转，尽快停止船舶的滑行。这一过程称为紧急制动。4）必须指出，在进行紧急制动时，船舶仍在前进。主机开出倒车后，当转速为40％～60％n，时，扭矩已达标定值。若转速过高，主机和轴系可能发生严重超负荷。船舶倒航时，由于船舶阻力较正航时为大，而且螺旋桨效率也较低，所以螺旋桨特性曲线较陡。为了保证倒航时主机不致超负荷，必须使倒车的最大转速不超过标定转速的70％～80％，具体转速应根据排烟温度确定。第四章船舶蒸汽锅炉第一节船用锅炉的类型和特性指标一、锅炉的类型：1．按锅炉用途分：1）主锅炉：⑴在蒸汽动力的船舶上，船舶蒸汽锅炉产生的高温高压蒸汽用于驱动主汽轮机运转，以推动船舶前进。同时，也为各种蒸汽辅机和其他需要以蒸汽为热源的设备提供不同质量的蒸汽。这种以驱动主汽轮机运转为主要任务的蒸汽锅炉称为主锅炉。其蒸汽参数压力约为6.0～10MPa，温度为520～545℃。一般每艘船上装设两台主锅炉。在蒸汽动力装置的船舶上多采用水管锅炉作为主锅炉。其中D型水管锅炉因其结构布置比较合理，工作性能比较完善，经济技术指标也较先进，因此发展十分迅速。它可以满足不同蒸发量的要求。其附加设备可增可减，使这种型式的锅炉既可以用作蒸汽动力装置的主锅炉，又可用作大型油船柴油机动力装置的辅助锅炉。D型水管锅炉本体的造型类似英文字母“D” ，故称为D型锅炉。其本体是由汽包(上锅筒)、水筒(下锅筒)、联箱、水冷壁、蒸发管束、炉膛及燃烧器等部分构成。除了炉膛和燃烧器外，其他部件都承受着锅炉内部水和蒸汽的饱和压力。在D型锅炉中大多还在蒸发管束中间或蒸发管束后面附设蒸汽过热器，用以产生过热蒸汽；装在锅炉本体后面的省煤器；安装在省煤器后面的用来加热助燃空气的空气预热器。D型锅炉的一般工作参数如下：蒸发量为9～80t／h，蒸汽压力为1.4～10MPa，过热蒸汽温度为400～500℃，锅炉效率可达88％～92％。⑵辅助锅炉：在柴油机动力装置的船舶上，蒸汽锅炉产生的蒸汽主要用于加热燃油、滑油、工作水及提供各种生活用汽。这种锅炉称为辅助锅炉，其蒸汽参数较低，在柴油机动力装置的干货船上，一般装设一台产生饱和蒸汽的辅助锅炉，气压约为0.5～0.8MPa，蒸发量为1～2t／h。在以柴油机为动力装置的油船上一般装设1～2台压力为1.3～1.7MPa、蒸发量为20～150t／h产生饱和蒸汽的辅助锅炉。在柴油机动力装置的大型客船上，一般也装设两台辅助锅炉，以满足船员和旅客正常生活的需要，并提高供汽的可靠性。⑶废气锅炉：在柴油机动力装置的船舶上，作为主机的大型低速二冲程柴油机的排气温度为250～380℃，四冲程中速机则可达400℃，而表压为0.5MPa的饱和蒸汽的温度为158℃，表压为1.3MPa时也仅为194℃。因此，在船舶航行时，将排气通入在主机烟道中特设的锅炉中，利用主机排气的热能，把锅炉中的水加热成饱和蒸汽，以代替辅助锅炉向全船提供蒸汽，同时又提高了动力装置的热效率，这种锅炉叫做废气锅炉。2.如果按照锅炉的构造可分为：⑴火管锅炉：指的是燃油燃烧所产生的高温烟气在受热面管中流动，而管外是水的锅炉。火管锅炉按管子的布置型式又可分为立式火管锅炉和卧式火管锅炉两种。⑵水管锅炉：若在受热面管中流动的是水或汽水混合物，而烟气在管外的管间流动的锅炉称为水管锅炉。⑶混合式锅炉：指的是在锅炉受热面的管束中，一部分管子按火管锅炉方式产生蒸汽而另一部分管子则按水管锅炉方式产生蒸汽的锅炉。3.按汽压可分为：1）汽压在2.0MPa以下者为低压锅炉；2）汽压在2.0～4.0MPa为中压锅炉；3）汽压在4.0～6.0MPa为中高压锅炉；4）汽压在6.0MPa以上为高压锅炉。 二、锅炉的特性指标：是指表征锅炉的热力特性、经济性、安全性、蒸汽质量和生产能力等特性的指标。其主要特性指标有：蒸汽参数、蒸发量、锅炉效率等。1．蒸汽参数：蒸汽参数表示锅炉所产生蒸汽的质量。当锅炉向外供应过热蒸汽时，用蒸汽压力P(MPa)和蒸汽温度t(℃)来表示。当锅炉供应饱和蒸汽时，用饱和蒸汽压力和蒸汽干度表示，但后者一般不写出。2．蒸发量：锅炉每小时产生的蒸汽数量叫做蒸发量。在设计工况下，每小时产生的蒸汽量称为额定蒸发量。蒸发量通常用符号D表示，单位是kg／h或t／h。3．锅炉效率：在锅炉中，将水加热产生蒸汽所用去的有效热量与向锅炉内供应的热量之比称为锅炉效率，用η表示。锅炉效率表示燃料完全燃烧所能放出的热量被锅炉有效利用的程度。第二节燃油辅助锅炉一、立式火管锅炉：图7-2所示是一种我国远洋船舶上广泛使用的立式火管锅炉。这种立式火管锅炉的蒸发量视不同型号而有所不同，图示的蒸发量为1～4.5t／h，工作汽压为1～1.7MPa。 锅壳中不能完全充满水，水面只需比蒸发面高出一定的高度即可。水面上部为汽空间。炉水由于吸热蒸发产生蒸汽并聚集在汽空间，然后经顶部的集汽管和停汽阀输出，由蒸汽管输送至各用汽场所。炉水由于不断的蒸发输出蒸汽，水量减少而使水位下降。当水位下降到最低工作水位时，自动起动给水泵，向锅炉补水至最高工作水位。火管式辅锅炉由于蓄水量大，蓄热性能好，气压和水位容易保持平稳，容易实现气压和水位的自动调节。此外，虽然炉胆部分的传热强度高，但其外部的水垢容易清除。烟管间的水垢虽难以清除，但该处烟气温度较低，传热性能也差，运行时管壁温度较低，因此火管锅炉比较容易管理。二、立式水管锅炉：这种辅锅炉受热面的传热效果好，安全可靠，操作维修方便，制造工艺简单；另外，锅炉的水容量也较大，变负荷工作特性较好，易于管理；水管受热面部分清垢方便，故对水质要求也不高。近年来，对该型立式直水管锅炉又进行了新的改进设计，在保持原有整体尺寸的情况下，通过改变锅炉内部结构，强化对流传热，进一步提高了蒸发量。第三节废气锅炉废气锅炉是船舶航行时吸收柴油主机排气的余热而产生蒸汽的设备，因此对于既定的柴油机动力装置而言，其蒸发量基本上是由柴油机的负荷工况和排气特性所决定的，即蒸汽产量是由柴油主机的排气量和排气温度决定的。设计时则以一定的柴油主机在常用功率时所具有的排气流量和排气温度为条件，同时根据船舶在航行时要求的蒸汽压力和蒸汽量来确定其应有的受热面积。因为废气锅炉的蒸汽压力一般与辅助锅炉相同，如果蒸汽产量基本不变，那么废气锅炉的受热面积，主要随排气的流量和温度而变化。第四节锅炉附件锅炉附件是保证锅炉正常工作所必须的阀件和附属装置的总称。锅炉附件的种类很多，其中最重要的且任何锅炉都必须设置的是安全阀、水位计和压力表。一、安全阀：每台锅炉至少装设两个安全阀，它们组装在一个壳体内。过热器联箱上装设独立的安全阀，其通道面积为总排汽面积的25％。安全阀安装在锅炉、过热器或管路上。安全阀经主管机关调定后铅封，未经该局许可不得随意改变其开启与关闭压力。安全阀顶部装有拉杆，紧急时在机舱或甲板上借用拉杆，人工强行打开安全阀。平时每月拉动拉杆1～2次。安全阀的开启压力应比允许工作压力高，以满足结构和管理上的要求。CCS《钢质海船入级与建造规范》规定：锅炉安全阀开启压力大于允许工作压力的5％，小于设计压力。过热器安全阀开启压力小于锅炉安全阀开启压力，其它安全阀的开启压力为允许工作压力的1.1倍。二、水位计：锅炉中的水位有最高工作水位、最低工作水位和最低危险水位。当锅炉正常工作时，允许锅炉水位在最高工作水位与最低工作水位之间波动。通常在船用锅炉上装有两只水位计，分别布置在左右两侧，一是为了互为备用，另一是为了在船舶摇摆或倾斜时，通过比较两只水位计中的水位来判断锅炉内的水位情况。三、压力表： 每台锅炉必须装有压力表，用以指示锅炉中的蒸汽压力。因此，压力表是保证锅炉安全工作极为重要的附件。第五节锅炉的自动控制目前，在柴油机动力装置的船舶上，由于辅锅炉的蒸发量小，对其蒸汽品质的要求不严格，所以大都采用有差调节。这种锅炉的自动控制包括：自动点火、燃烧过程控制、给水控制、自动停炉以及有关安全运行的各种保护，如熄火保护、极限低水位保护和低风压保护等。1．燃烧过程控制：通常采用电器程序控制，其主要工作过程为：(1)起动前，首先对锅炉炉膛进行预扫风，防止炉膛内积存可燃气体而产生爆炸事故，预扫风持续的时间通常超过30s。(2)高压点火器放电产生电火花，火花持续时间一般为5～10s。(3)燃油从喷油器喷出被电点火器点燃。(4)燃烧过程的自动调节是根据蒸汽压力的变化，由蒸汽压力调节器来实现的。通过对燃油和空气的双位调节或比例调节，使得蒸汽压力保持在一定的范围之内。2．给水过程控制：锅炉工作水位在极限低水位以上是点火、燃烧过程自动进行的必要条件。水位一般都采用独立的控制系统。给水过程的自动调节也有双位调节和比例调节两种。小型锅炉常用双位调节。3．安全保护装置：⑴点火失败或运行中熄火保护。(2)极限低水位保护。(3)燃烧器前低风压保护。(4)低油温保护。(5)超汽压保护。(6)油压过低保护。第五章船用泵第一节船用泵概述一、泵的功用和分类：1.作用：在船上经常需要输送水、油和其它各种液体，这些输送任务都是通过一种称为泵的设备来完成的，所以泵是用来输送液体的一种机械。液体不可能自发地从压力比较低处流入压力比较高处，而需要向输送的液体提供足够的机械能才能达到输送液体的目的，从这种意义讲，泵是用来提高液体机械能的一种设备。2.种类：1）按用途可分为：⑴船舶通用泵：是为船舶营运及船上人员生活需要而设置的，是机动船舶都须装备的泵，主要有压载水泵、舱底水泵、消防水泵、卫生水泵和淡水泵等。⑵船舶动力装置用泵：是为船舶动力装置的工作需要而设置的。柴油机船舶主要有燃油驳运泵、燃油输送泵、主机缸套和活塞冷却泵、海水循环泵、润滑油泵、润滑油驳运泵、柴油发电机的冷却水泵和海水泵等。⑶船舶辅助机械用泵：主要是为船舶辅助机械提供服务的。⑷船舶专用泵：是用来满足特殊船舶的需要，如油船上的货油泵、挖泥船上的吸泥泵、破冰船上的压载泵、深水打捞船上的打捞泵、消防船上的消防泵以及油船上的货油泵等。2）按工作原理可以分为：⑴容积式泵：主要是通过运动部件的位移，使泵工作空间容积发生变化来吸排液体，从而把机械能传给液体，达到输送液体的目的。容积式泵可根据吸排液体部件的运动特点分为往复泵和回转泵。⑵叶片式泵：主要是通过工作叶片带动液体高速转动，使液体的能量增加，然后再将动能转换为压力能，从而完成吸排作用的。属于这种类型泵的有各种离心泵、轴流泵和旋涡泵等。⑶喷射泵：是通过喷射工作流体所产生的高速射流，吸引周围流体，进行动量交换，把动能传给输送的流体，然后再将动能转换为压力能，从而达到输送流体的目的。有水射水泵、水射真空泵、蒸汽喷射泵和空气喷射泵等。⑷电磁泵： 是利用电磁力来输送液态金属的一种泵，这种泵无任何运动部件，仅在原子能船上用作原子锅炉的循环泵。二泵的性能参数：为了表征泵的性能和完善程度，以便选用和比较，通常把流量、压头、转速、功率和效率等主要工作参数称为泵的性能参数。1.流量：是指泵在单位时间内所输送液体的量，可用容积或质量来度量，分别称为容积流量Q(m3／s)或质量流量G(kg／s)。质量流量与容积流量之间的关系为：G＝ρQkg／s式中：ρ——液体的密度，kg／s。2．扬程(压头)：是指单位重液体通过泵后所增加的机械能，即每单位重力作用的液体通过泵后其能量的增加值。压头常用H来表示，单位是m。根据水力学知识，单位重量液体的机械能称为水头，它包括位能、动能和压力能。因此，泵的扬程即泵使液体所增加的水头，如全部转换为位能，即表示液体所能上升的高度。泵铭牌上所标注的是额定扬程，即设计工况的扬程。泵的工作扬程取决于系统的工作条件，可以用下式计算(参看图4-1)：H＝（pc-pa）/ρg+Z+∑h（m）。式中：pc—排出液面的压力，Pa；pa—吸入液面的压力，Pa；Z——排出液面与吸入液面的高度差，m；∑h—吸排管中的水力损失，m；ρ—排送液体的密度，kg／m3；g—重力加速度，9．8m／s2。如果知道泵的排出压力pd(Pa)和吸入压力ps(Pa)，其压头即可近似地表示为：H＝(pd﹣ps)／ρg（m）。容积式泵往往不标注额定扬程而是额定排出压力，它是按照试验标准连续工作所允许的最高排出压力。容积式泵工作时的实际排出压力不允许超过额定排出压力。3．转速：是指泵轴每分钟的回转数，用n表示，单位是r／min。往复泵由于结构上的特点，它的转速也可用活塞在每分钟所完成的双行程数来表示。铭牌上所标出的是泵轴的额定转速。4．功率和效率：泵的功率有输出功率和输入功率。输出功率又称为有效功率，指泵单位时间内实际传给液体的能量，用Pe表示，可由下式求得：Pe＝ρgQH（W）。泵的输入功率也称轴功率，是指泵轴所接受的功率，用P表示。由于泵在实际工作中总存在各种能量损失，所以泵的有效功率总小于轴功率，可用效率η来衡量。输出功率和输入功率之比称为泵的效率，即η＝Pe/P。效率表示泵性能的好坏以及动力的利用程度，效率越高说明泵的工作越经济。第二节容积式泵一、往复泵：属于容积式泵，它是利用活塞或柱塞在泵缸中作往复运动，从而引起工作腔室的容积变化来产生吸排作用。因此，可称为活塞泵或柱塞泵。1．往复活塞泵：1)工作原理： 当活塞从下止点向上止点移动时，活塞下部泵缸容积增大，压力降低，当吸入阀上、下形成的压差足以顶开吸入阀时而使其开启，使吸人管与泵缸相通。因此，吸入管内的空气即因泵缸中活塞位移容积的增加而膨胀，使其压力降低，于是，吸入管中的液面就会在吸入液面压力作用下上升。当活塞到达上止点时活塞下部空间不再增大，压力也不再降低，吸入阀在泵本身重量及弹簧的张力作用而下落关闭。当电动机通过曲柄连杆机构带动活塞从上止点向下移动时，活塞下部空间的空气被压缩，压力升高，这样既把吸入阀压紧又可以顶开排出阀，使空气从排出管排出。当活塞下行到下止点时，排出阀由于本身的重量和弹簧张力而关闭。当活塞再次到达下止点时，又重复以上过程，吸入管内的液体液位就会继续上升。活塞在电动机的带动下经过数次上下往复运动后，吸入管和活塞下部空间的空气就会全部排出，紧接着便是液体的不断吸入和排出，进入正常的吸排液体工作中。在上述的往复泵中，活塞在一个往复行程中只吸排一次，这种泵因为只有一个工作空间，吸入和排出过程是交替进行的，我们把这样的往复泵称为单作用泵，它的排出过程是断续进行，其流量极不均匀。为了提高往复泵的流量并使其流量更均匀，往往采用多作用泵。如图4-3所示，在一个泵缸中有两个工作空间，每个空间都有自己的吸人阀和排出阀，这样，活塞在一个往复行程中各完成两次吸、排，我们称它为双作用往复泵。当转速、泵缸尺寸相同时，双作用往复泵流量比单作用往复泵大约增加一倍，输液也比较均匀。另外还有三作用往复泵和双缸四作用往复泵等。2)往复泵的特点：(1)有自吸能力。(2)可以产生很高的压头。(3)理论流量与压头无关。(4)输送液体不均匀。(5)转速不能太高。(6)当输送的液体含有固体杂质时，泵阀容易摩擦和垫起。所以，在吸入口常设滤器。(7)结构比较复杂，易损件多。由于具有以上特点，在流量相同时往复泵比其它泵笨重，造价较高，管理和维护工作比较繁琐，所以在许多场合已经被离心泵所取代。但在工作中容易吸入气体，在需要有比较好自吸能力的场所，如舱底水泵、锅炉给水泵和油轮扫舱泵，常常采用往复泵；另外，有时还用于其它小流量高压头的场所。2．柱塞泵：主要用于船舶液压系统中作为变向变量油泵：即在不改变原动机转向时，泵的吸排方向和流量皆可以改变。柱塞式变向泵根据运动部件的运动特点，可以分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。下面对径向柱塞泵的工作原理分别加以介绍。1）径向柱塞泵的工作原理：可借图4-5来说明。外圆4代表能左右移动的浮动环。中间的圆盘1表示油缸体，在缸体中径向地安装着若干个柱塞2，柱塞的顶部带有滑履3，滑履安装在浮动环的环形滑轨内，并可沿环形滑轨滑移。中间的内圆8表示配油轴，9、10分别表示吸、排油口。缸体由原动机驱动，绕配油轴回转。假设原动机驱动缸体作顺时针方向回转，当浮动环处于中央位置时，由于浮动环与缸体同心，柱塞在油缸中不产生任何往复运动，这时油泵空转，不产生任何吸排作用，流量为零。如果通过操纵机构将浮动环拉离中央位置，使其偏向右侧，则吊挂于浮动环滑轨上的柱塞，就会在油缸体的带动下转过上半周时，不断从油缸中退出，使油缸的容积增加，压力下降，经油口9从吸油管吸入油液；而当柱塞转过上半周后，则又会不断压入油缸，油缸容积减小，压力增加，将缸内的油液从油口10排出。2）对尺寸既定的径向柱塞泵：当转速恒定时，只要改变浮动环偏心距e的大小，就能改变油泵的流量。而改变浮动环偏心方向，如图4-5(d)所示，在柱塞转过下半周时，不断从油缸中退出，经油口10吸人油液；而当柱塞转过上半周时，又从油口9排出油液。油液的吸排方向与图4-5(b)相反。显然，由于柱塞在油缸中作往复运动时的速度是不均匀的，故每个油缸的瞬时流量也就不均匀。柱塞个数越多，泵的理论流量越均匀，而且柱塞个数为奇数时，又要比为相邻偶数时均匀。因此，单列径向柱塞泵的柱塞个数常为7、9、11等。二、齿轮泵：主要工作部件是互相啮合的齿轮。根据啮合形式不同可分为外(啮合式)齿轮泵和内(啮合式)齿轮泵。下面介绍外齿轮泵的工作原理。1.工作原理： 图中，一对完全相同而互相啮合的主动齿轮1和从动齿轮2分别安装在两根平行的转轴上，主动齿轮转轴的一端穿过泵体3的端盖，由原动机带动作等速回转。齿轮的齿顶和两端面分别被泵体和端盖所包围。由于相啮合的轮齿A、B、C的分隔，与吸入口4相通的吸入腔和与排出口5相通的排出腔彼此隔离。当齿轮按图示方向回转时，齿C逐渐退出啮合，其所占据的齿间的容积逐渐增大，压力相应降低，于是液体在吸人液面上的压力作用下，经吸入管从吸入口4被吸入这一齿间。随着齿轮的回转，一个个吸满液体的齿间转过吸入腔，沿泵壳内壁转到排出腔，当各齿依次地重新进入啮合时，各齿间中的液体即被轮齿不断挤出，并从排出口连续排出。由于齿轮始终紧密啮合，而泵体内壁与各齿顶以及端盖与齿轮端面的间隔很小，有效地防止了排出腔中压力较高的液体漏回到压力较低吸入腔。从图中可以看出，普通齿轮泵如果反向回转，其吸排方向也就相反。2）特点：(1)齿轮泵的吸排方向取决于泵轴的回转方向。普通齿轮泵如果反向回转，其吸排方向也就相反。(2)齿轮泵属于容积式泵，有自吸能力，但因齿轮泵排送气体时密封性差，故自吸能力不如往复泵。齿轮泵内部摩擦面多，起动前须保证泵内有油，以防干转而造成严重磨损，同时也可以改善密封性能。(3)理论流量由工作部件的尺寸和转速决定，与排出压力无关。(4)额定排出压力主要取决于泵的密封性能和轴承承载能力等，与工作部件的尺寸和转速无关。齿轮泵存在不平衡的径向力和容积效率降低是其提高工作压力的主要障碍，为此，高压齿轮泵都设有轴向和径向间隙补偿装置，并设法减小和平衡液压径向力。为了防止排出压力过高，齿轮泵出口应设置安全阀。(5)流量连续，但有脉动。(6)结构简单，价格低廉。因工作部件作回转运动，又无泵阀，可采用较高转速，能够直接由电动机驱动，与同样流量的往复泵相比，齿轮泵的尺寸、重量比较小。并且齿轮泵的易损件少，耐冲击性强，工作可靠。(7)因齿轮泵工作时摩擦面较多，所以适于排送不含固体颗粒而有润滑性的油液。3）应用：齿轮泵一般被用作排出压力不很高、流量不太大以及对流量和排出压力均匀性要求不很严的地方，船上常用作滑油泵、驳油泵以及液压传动中的供油泵等。第三节离心泵离心泵用以产生吸排液体的主要部件是具有叶瓣的叶轮，当叶轮由原动机带动回转时，充满在叶轮中的液体被带动作高速旋转而获得离心力，从进口流向出口，因而称为离心泵。1.主要工作部件：是叶轮1和泵壳3。叶轮亦称工作轮，通常是由5～7个弧形叶片2和前后圆形盖板所构成。叶轮用键和螺母固定在泵轴6的一端，为了防止高速旋转时叶轮松动，螺母采用反扣螺纹，轴的另一端则通过填料箱伸出泵壳之外，由原动机驱动顺时针方向回转。泵壳呈螺线形，亦称螺壳或蜗壳，螺壳借两法兰分别与吸入管和排出管相接。2.工作原理： 泵工作时，预先充满在泵中的液体，在叶片推压下被迫随叶轮一起回转，产生一定的离心力，把液体从叶轮进口向叶轮外周甩出。与此同时，在叶轮中心形成一定的真空，因此，液体在吸入液面上的大气压力作用下，就会不断地经吸入管、泵的吸入口4进入叶轮。从叶轮流出的液体，压力和速度都比进入叶轮时增加了很多。螺壳将它们汇聚并平稳地导向扩压管。扩压管流道截面是逐渐增大，从而使液体流速降低，大部分动能转变为压力能，然后进入排出管。叶轮不停地等速回转，液体的吸排也就连续均匀地进行。显然，液体通过泵所增加的能量是原动机经叶轮对液体作功的结果。因为空气的密度很小，在标准状况下约为淡水的1／800，这样，当叶轮回转时，由于空气所产生的离心力很小，在泵的吸入口处也就只能产生不大的真空，泵中仍然存有空气，并且此空气的压力和液面上的大气压力相差不大，所以液体不能流入泵中，泵也就无法供液，所以说离心泵没有自吸能力。为此，当离心泵吸人口的位置高于液面时，必须先向泵中灌满水，进行引水。3.离心泵的性能：主要表现为流量Q、压头H、功率P、效率η和转速n间的相互关系，通常用相应的关系曲线表示，称之为离心泵的特性曲线。这些曲线借试验的方法绘出。试验时，维持转速一定，在不同的流量下测得压头和功率，并进而求得泵的总效率η，可绘出H-Q、P-Q、η—Q特性曲线。由于是在一定转速下测得这些曲线，所以称为离心泵的定速特性曲线。图4-14为2．5CL-4型船用离心泵在2900r／min时的实测定速曲线。从图中可以得出：1）Q-H特性曲线是选择和使用离心泵的主要依据。离心泵的流量与压头有关，流量减小则压头升高，而流量增加压头降低。如果离心泵在一系统中工作，只有当离心泵所产生的压头等于系统中所消耗的压头时，离心泵即处于稳定工作状况。2）Q-P曲线是合理选择原动机功率和泵起动方式的依据。离心泵的轴功率是随着流量的增加而增大，当流量Q=0，即关闭排出阀时，所需的功率P最低，此时泵的封闭压头也并不很高，因此，对具有上升Q-P曲线的离心泵，为了减轻原动机在起动时的负荷，可以在完全关闭离心泵排出阀的情况下实现封闭起动。3）Q-η曲线是判断离心泵工作经济性的依据。从曲线可以看出，泵在额定转速下具有一个最高效率点，它所对应的工况即为最佳工况。泵运行时应力求使其处于最佳工况下工作，以保证最佳效率。4.离心泵优点：(1)供液均匀，工作平稳，而且流量容易调节；(2)重量轻而外形尺寸小；(3)能与高速原动机直接相连而无需减速；(4)对杂质不敏感，易损件少，能输送多种液体(包括泥浆等)；(5)结构简单紧凑，工作可靠，易于管理和维修。5.应用：离心泵在船上的数量和使用范围都超过了其它类型泵。但它所存在的主要缺点是没有自吸能力，从而使离心泵适宜布置在吸入液面以下。否则，起动前必须引水，或采用具有自吸装置的离心泵。在船上，离心泵应用较多，如循环水泵、冷却水泵、凝水泵、给水泵、饮用水泵、卫生水泵、压载水泵、舱底水泵、消防水泵和货油泵等。第六章甲板机械从广义上说，在机舱之外所有依靠动力驱动的船舶设备都称为甲板机械。包括舵机、锚机、起货设备、系缆机、舷梯绞车、救生艇绞车等各种绞车、升降机、减摇装置等。此外，一些特种船舶的专用设备，如滚装船的跳板和升降平台，打捞船的打捞设备、挖泥船的挖泥设备、钻井平台的支腿升降设备、渔船的网具收放设备等，都属于甲板机械的范畴。甲板机械的动力，除在极少数场合使用人力或气动力外，主要有三种型式，即蒸汽动力，电力和液压动力 。其中蒸汽动力由于存在汽源供给困难和冬季使用不便等缺点，除在大型油轮上因其防火安全性较好仍有使用外，已基本为后两种动力所取代。由于篇幅所限，下面仅对与船舶运营较为重要的液压舵机作较详细的介绍。一、总述：船舶航行时，利用螺旋桨尾流或船舶航行水流对偏转舵叶产生的水流动压力F，可使船舶获得相对其重心的转船力矩Ms，实现转向，达到改变航向的目的。随着舵角а的增大，转舵力矩和转船力矩均将逐渐增大，但转船力矩在某一舵角时达最大值Msmax。对应最大转船力矩Msrnax的舵角称为最大舵角，用аmax，表示。见图5-4。一般流线型舵的аmax为32°左右。如果采用如图5-5所示的平衡舵，使舵叶转轴中心线向水流动压力中心靠近，可减小J：的数值。在转船力矩一·定时，转舵力矩大为减少，从而降低舵机的配置功率。舵叶的平衡程度用平衡系数K表示：K=A′/A，式中：A—舵叶面积，m’；A′—舵杆(舵叶转轴)中心线前方的舵叶面积，m：。采用平衡舵后，小舵角时转舵力矩会出现负值，影响舵机的工作稳定性(图5-4)。因此平衡系数K不宜过大，一般约在0.15～0.35之间。二、对舵机的要求：舵机功用在于提供足够的转舵力矩，保证按操舵要求及时、准确地操纵舵叶，控制船舶航向，对船舶的航行安全极为重要。凡是入级的船舶都必须满足下列基本要求：1．生命力强。具有主、辅两套独立的操舵装置，或者一套操舵装置由两台以上相同动力设备组成，某台发生故障时仍能保持操舵能力；相同动力设备可单独工作，需要时可联合工作；每台动力设备至少有两处以上独立供电线路，其中一路可以由应急配电盘供电。2．工作可靠。具有足够的强度和能力，在最深航海吃水情况下：主操舵装置能在最大航速时，使舵自一舷35°转至另一舷35°，转舵速度，海船从一舷35°转至另一舷30°不超28s。辅助操舵装置在最大航速一半但不低于7kn时，使舵在60s内自一舷15°转至另一舷15°。应设有舵角指示器、舵角限位装置、压力保护装置和故障报警装置。3．操作灵便。主辅操舵装置均应能在驾驶室和舵机室进行控制，主操舵装置的每台相同动力设备也均能在驾驶室进行控制，并能方便地进行切换。4.舵机还应工作平衡、噪音小、经久耐用、经济性高和便于维护管理等。三、液压舵机的工作原理：液压舵机是目前应用最广的舵机。下面借助图5-6所示最为典型的液压舵机——往复式液压舵机来说明液压舵机的组成和工作原理。1．液压舵机的基本组成：主要由三部分组成：(1)控制系统：也称操纵系统，包括驾驶室遥控系统和舵机室机旁控制系统。驾驶室遥控系统由设于驾驶室的舵令发送装置——操舵仪(亦称发送器)和舵机室的接收器组成，用以传递操舵命令。图5-6中仅示出了液压遥控受动器油缸2和自动舵伺服油缸，未示出驾驶室的发送装置。从图中还可看出机旁控制的手轮应急操纵。(2)动力装置：提供转舵动力。由两台相同的变向变量油泵1和相应的其它液压元件组成。(3)转舵机构：用以将油液压力能转变为机械能，并转递给舵柱5，转动舵叶。包括往复式油缸3、撞杆柱塞4和舵柄6等机构。2．液压舵机的工作原理：1）当舵为0°时，受动器油缸处于中位；要求左舵时，油缸向右移动，要求右舵时，油缸向左移动，其位移大小反映舵角大小。2) 变向变量油泵1在电动机14的带动下持续回转。⑴当油泵变量机构在零位时，油泵1不排油，将两个转舵油缸3封闭；⑵当变量机构向一侧偏移时，油泵从一侧转舵油缸吸油，向另一侧转舵油缸排油；当变量机构偏移方向相反时，转舵油缸进、排油反向。3)两个转舵油缸3固定在机座上，油缸内充满油液。当在变向变量泵的控制下，两油缸封闭时，由于油液的不可压缩性，两撞杆柱塞4不能移动，并通过十字头和舵柄6、舵柱5，锁定舵叶，保持舵角。如左侧油缸进油，右侧油缸排油，撞杆柱塞向右移动，推动舵柄，向左转舵；油缸进排油方向相反时，转舵方向也相反。4)三点式随动杆ABC的A点与受动器的传动杆相连，B点与舵柄相连，C点与油泵变量机构控制杆相连。其作用在于将舵令和实际舵角相比较，共同控制油泵的排油，使舵向所要求的舵角转动并能停止和保持在要求的舵角上。⑴设驾驶室舵轮在0°位置时，舵叶停在0°位置，三点式随动杆处于ABC所示的垂直位置，油泵变量机构在中位，油泵不吸排油液。⑵如扳动舵轮到左舵某一舵角，发送器发出液压信号，使受动器向右移动并使A点移到A1，由于舵尚未转动，随动杆只能绕月点摆动，使连接点C向右移动到C1，推动油泵变量机构，油泵从右侧转舵油缸吸油，向左侧转舵油缸排油，向左转舵。舵转动后，带动B点向左移动。因此时随动杆只能绕A1点摆动，于是带动C1点回行。当舵转到要求舵角时，C1回到C点，油泵停止吸、排油，使舵停在要求舵角。如果要求舵角较大，A点会有更大位移，舵叶要转到更大角度才能使C点回中停止油泵排油。⑶如果反向操舵，A点、C点移动方向相反，油泵吸、排油反向，舵便反向偏转。5）舵机液压系统中还设有两个防浪溢流阀8，简称防浪阀。当大风浪冲击舵叶时，产生的冲击力会通过舵柱、舵柄传至撞杆柱塞，在某一侧油缸中产生很高油压。油压如果超过防浪阀的调整压力，其中之一开启后，使高压油缸的油液泄至另一侧的低压油缸，撞杆柱塞作一定的移动，舵叶产生一定的退让偏转，以缓冲风浪对舵叶的冲击，不至对转舵机构造成过大的应力和过高的油压而损坏。风浪过后，经过三点随动杠杆的作用，油泵又进行吸、排油，把舵叶转回到原来的舵角。四、转舵机构：图5-6中所示为两缸往复式液压转舵机构，这种机构一般为较小吨位的船舶所采用。在大型船舶上，为了增大舵机的转舵力矩，普遍采用四缸转舵机构，超大型船甚至采用八缸转舵机构。图5-10所示为一四缸转舵机构舵机。它是在舵柱的两侧分别布置了两个两缸机构，其工作原理与两缸转舵机构相同。第七章船舶系统船舶系统是保证船舶不沉、安全、防火、防污染和正常航行性能，以及为满足船舶营运和旅客生活需要而设的全船性的管路系统。它包括各种机械、管子及附件、仪表等等。它是为保证船舶正常营运不可缺少的系统。船舶系统按其用途可分为：舱底水系统、压载系统、卫生水系统、空调系统、消防系统、特种系统等。第一节舱底水系统舱底水系统用于排除机舱、炉舱、轴隧、货舱、货油泵舱、隔离空舱等处的舱底积水(统称“舱底水” )。舱底水主要来源于机械设备及水柜、油柜泄放和漏泄、油水管路漏泄、尾轴填料箱处的漏水和冷却润滑水、甲板开口处水密性不良引起的渗漏、水线附近甲板和舱室的疏水泄放至舱底、扑灭火灾用消防水、船体破损后的大量进水等。舱底水不仅对船体有腐蚀作用，而且会使货物受潮造成货损，机舱舱底水过多，会影响轮机人员操作，使机电设备受潮或浸水损坏，甚至影响船舶稳性危及航行安全。一、对舱底水系统的一般要求：1．舱底水系统应在船舶正浮或横倾不超过5°时，均能通过不少于一个吸口排干任何舱室或水密区域内的积水；2．系统中管路应能防止舷外海水或来自压载舱的水进入货舱或机炉舱；3．为防止各舱舱底水相互沟通，管路中的分配阀箱、舱底水管和直通舱底水泵支管上的阀门等均应为截止止回阀；4．舱底水泵、压载泵、消防水泵等若相互接通时，管路中的布置应能保证各泵能同时工作而互不干扰；5．舱底水泵应为自吸式泵。二、舱底水系统布置原则：舱底水系统布置视船舶对系统的要求和船舶结构等具体情况而定。中小型船舶多数采用集中式布置，所谓集中式布置是指舱底水泵和各舱吸入支管的控制阀箱全部集中在机舱内，使任一舱的排水工作，都集中在机舱一个舱内操作。如图6-1所示。对于大型船舶，当需要进行排水的船舱很多时，难于采用集中式布置以及为节省管子，则采用半集中式布置。所谓半集中式布置是指各舱吸水支管的控制阀箱分设于机舱、炉舱及轴隧等处。三、机舱油污水处理装置：机舱的舱底水都或多或少含有油，通称机舱含油污水。为防止船舶造成海洋污染，国际防污公约及我国有关船舶防污染法规规定，凡150总吨及以上的油船和400总吨及以上的非油船，机舱必须设置油水分离装置和油分浓度报警器。机舱含油污水经油水分离装置分离处理，使其油分浓度小于15ppm再排放入海，当油分浓度大于15ppm时，油分浓度报警器发出警报，并自动关闭舷外排出阀或停止污水泵运转。较大型船舶舱底油污水处理系统如图6-3所示。分隔的各污水井11内的舱底水，由驳运泵驳运至污水舱(隔油舱)10，油污水在此经初步静止分离，油上浮排至污油柜，污水由油水分离器专用泵7泵入油水分离器5处理。分离出的油排入油柜，水经油分浓度报警器连续监测排出舷外，当油分浓度超过15ppm时，三通阀自动转换，停止向舷外排放，使污水再回流到污水舱。对于不设污水舱的船，油水分离器的专用泵可直接从污水井吸油污水并泵入油水分离器处理。1．CYF-B型油水分离器：该型油水分离器的处理能力有0.5、1.0、2.0、3.0、5.0m3／h五种规格。其工作原理如图6-4所示。2．ZYF型真空式油水离器：在该种型式油水分离器的分离筒内保持一定的真空，油污水在真空状态下进行重力分离，避免了污水泵造成乳化对分离效果的影响。工作原理如图6-6所示。第二节压载系统压载系统是由向压载舱注入或排出压载水的管路、泵和阀等组成，1.主要用于改变压载舱内的压载水量，调节吃水，使船舶得到纵、横向的平衡和安全稳心高度，减少船体共振现象，以及避免出现过大的弯曲力矩、剪切力和改善空船适航性等。2.布置原则 是应能保证船舶在航行中，用同一条管路既可将压载水注入压载舱，又可将其排出压载舱。压载水管路不能通过饮水舱、锅炉水舱或滑油舱。第三节船舶生活污水处理系统1.船舶生活污水是指：(1)来自任何形式的厕所、小便池以及厕所排水孔的排出物和其它废弃物；(2)医务室(病房、药房等)的面盆和这些排水孔的排出物；(3)装有活的动物处所的排出物；(4)混有上述排出物的其它废水。2.为满足《73／78防污公约》附则Ⅳ关于船舶生活污水排放标准的规定，船舶应装有如下设备：1）需在距最近陆地4nmile以内排放生活污水，应装有生活污水处理装置，该装置的性能和试验程序应符合IMO关于《生活污水处理装置国际排放标准和性能试验规程》的规定。2）如只需在距最近陆地4nmile以外排放生活污水，船舶应装有能将生活污水粉碎和消毒的装置。3）如只需在距最近陆地12nmile以外排放生活污水，可只设集污舱柜。4）船上应设有生活污水标准排放接头。3.生活污水处理装置性能应达到如下排放标准：1）大肠菌群：在试验期间采集的排放水样，用多重管重复发酵分析或等效分析，测得的大肠菌群几何平均的最大可能数(M，P．N)不得超过250个／100ml。2）悬浮固体：(1)设备在陆上试验时，试验期间采集的排放水样，悬浮固体量的几何平均值不得超过50mg／l。(2)设备在船上试验时，试验期间采集的排放水样，悬浮固体的几何平均值不得高于冲洗用水的100mg／1。3)五天生化需氧量(BOD5)：在试验期间采集的排放水样，五天生化需氧量的几何平均值不大于50mg／l。船舶生活污水处理装置，主要采用活性污泥法和物理化学法处理污水。图6-11所示为活性污泥法生活污水处理装置。这种装置主要由曝气室、沉淀室和消毒室组成。另外还有排放泵、空气压缩机、浮子开关和控制箱等辅助设备。第四节船用焚烧炉船用焚烧炉焚烧的主要物质是废油和固态废弃物，废油几乎全部发生在机舱，通常都含有较多水分，但经沉淀除水后均可燃烧。固态废弃物主要有棉纱、食物残渣、烧机舱和居住区所产生的可燃性垃圾等。这些固态废弃物可直接投入焚烧炉内，利用废油的燃油热烧掉。生活污水处理装置的污泥残渣，可直接由定量泵投入炉内燃烧，也可送入废油柜与废油混合，由粉碎机循环粉碎成可燃烧状态，通过废油燃烧器喷入炉内燃烧。该装置主要由三部分组成：(1)焚烧炉本体，包括引风机、燃烧器及电磁阀、仪表等部件；(2)污泥柜，包括粉碎泵组件、加热系统；(3)自动控制箱。第五节海水淡化装置船舶海水淡化装置几乎都是用蒸馏法 ，它是利用盐分几乎不溶于低压蒸汽的这一固有性质。首先将海水加热，使之汽化，再将所得蒸汽(称为二次蒸汽)重新冷凝，获得含盐量很少的淡水，即通常所谓的蒸馏水。根据海水汽化方式的不同，蒸馏方式可分为真空沸腾式和真空闪发式两种。第八章船舶制冷和空气调节第一节制冷的一般知识一、制冷方法、制冷装置的种类及制冷量：1.所谓制冷，就是指从被冷对象中移出热量，以使其建立一种相对的低温状态。2.在船上，目前主要采用机械制冷。根据其工作原理，可分为压缩制冷、吸收制冷、真空制冷和半导体制冷，其中以压缩制冷应用最为广泛。3热负荷：.为了达到降温或保温的目的，每小时必须从冷藏室中移出的热量称为冷藏室的“热负荷”。4.制冷量：一台制冷装置每小时能从冷藏室中移出的热量，称为该装置的“制冷量”。制冷量是衡量一台制冷装置工作能力大小的指标，—以每小时能移出多少热量来麦示，其单位为kJ／h，也有用“制冷吨”的，制冷吨简称冷吨。1冷吨的制冷量约为13900kJ／h，其含义是：在24h内，将1t0℃的水全部冻结为0℃的冰，其中每小时所需制冷量的平均值，称为1冷吨。二、作用：1)冷藏运输：防止易腐食物变质变味，防止某些化工原料等在常温下的蒸发、自燃或爆炸。凡专门用来运送冷藏货物的船舶就称为冷藏船。2)储藏食物：一般的客船和货船皆须本身储藏相当数量的食品，以满足船上人员生活上的需要，因此必须设有适当容积的食品冷库和制冷装置。3)改善航行中的生活条件：例如制造冷饮和开放冷气等。第二节压缩蒸发制冷装置一，压缩蒸发制冷的原理：任何液态物质在蒸发气化时，都要吸收大量的气化潜热。例如1kg水要使温度升高l℃，约需吸收4.186kJ的热量。在一个标准大气压下，若将lkgl00℃的水全部汽化，别需供入2256.7kJ的汽化潜热。如果利用这一自然规律，选择气化温度很低的液体，例如将一个标准大气压下气化温度为﹣29.3℃的氟利昂12作为制冷剂，让它在节流阀的控制下进入冷库的蒸发器中，由于节流降压的结果，冷剂就会在较低的压力下蒸发气化。它的蒸发温度比冷库所要达到的温度低，可从冷库中吸收热量；使库温相应降低，达到制冷的目的。为使蒸发器中的压力不致因冷剂的不断流入并发生气化而升高，需用压缩机将其及时抽出，并回收冷剂，使气态的冷剂重新液化循环使用。用压缩机首先将吸自蒸发器的冷剂蒸气压缩到较高的压力，气态冷剂通过冷凝器利用外界海水来冷却它，使气态冷剂重新液化。二、压缩蒸发制冷循环：设要求某冷库温度为﹣10℃，R12在冷库蒸发管中的蒸发温度应比﹣10℃低，设为﹣15℃。R12的液体在﹣15℃下吸热气化时的压力即为对应于此温度时的饱和压力，由R12的饱和蒸气表查得此压力为P1＝0.186MPa(绝对)。设R12离开蒸发器时全部变为干饱和蒸气．则在R12的p-h图中可找到点1，从蒸发器出来就进入压缩机进行绝热压缩。为了能用海水使之液化，设海水温度为25℃，R12的蒸气要把热量传给海水，它的温度应比海水温度为高，设为30℃。R12的蒸气在30℃下凝结时的压力即为对应于这一温度下的饱和压力，由表可查出此压力P2＝0.758MPa(绝对)。因此在p-h图上沿绝热压缩线即等熵线可找到点2(与P2 ＝0.758MFa(绝对)相交的一点。)1-2即是在压缩机中的绝热压缩过程，点2也是冷凝器的进口状态。2-3为R12在冷凝器中的冷凝过程；到点3时全部冷凝为液体，此后再经节流阀使压力由P3＝P2＝0.758MPa(绝对)降到蒸发器中的压力P4＝P1＝0.186MPa(绝对)，而温度也由30℃下降为对应于P4=0.186MPa(绝对)下的饱和温度t4＝15℃。因为节流前后焓值不变，由点3平行于压力坐标画直线与压力p4＝p1＝0.186MPa(绝对)的直线交于点4，3-4即是在节流阀中进行的节流降压降温过程。在点4状态下的冷剂进入蒸发器盘管．吸收冷库中的热量进一步蒸发气化，到点1时变为干饱和蒸气，4-l便是在蒸发器中的吸热过程。点1状态下的干饱和蒸气便进入压缩机。这样冷剂就完成了一个制冷循环。三、制冷剂：凡能在蒸发器中蒸发吸热，并在冷蔡器中按化而放出所吸取热量的流动工质都可作为制冷剂，尚称冷剂。但是到目前为止,工程上实际应用的冷剂却并不多。1)蒸发压力以稍大于1atm为佳。2)冷凝压力要低。3)临界温度要高。此外，4）单位容积气化潜热r/v愈大愈好、化学稳定性要好，应不溶解于滑油，或者便于滑油从冷剂中分寓出来，以保证滑油应有的品质；对金属没有腐蚀：不易燃烧，不爆炸：对人体的漾性尽可能小；价格便宜，易于购置。所以，目前船上应用最广的还是氟利昂，其次是氨、因为它们较好地满足了上述要求。1）R12(又名二氯二氟甲烷)：是一种无色透明没有气味的冷剂。它无毒，不燃饶，不爆炸，使用时十分安全。在恶劣的工作条件下，R12的性质仍然稳定，但与明火接触会产生少量有毒的光气。它的工作压力适中，正常蒸发温度为﹣29.8℃，一般食物冷库所要求的温度都比这一温度高，所以它的蒸发压力都大于大气压力，常为0.2MPa(绝对)左右，冷凝压力一般也不超过0.8MPa(绝对)。R12对所有金属几乎都无腐蚀阼用，这与氨比起来，对实现装置自动化更为有利。R12不溶于水，当系统中有水分存在时，就可能形成“冰塞”，破坏膨胀阀或系统的工作。R12在最小的家用冰箱直到大型的活塞式压缩机中都获得了广泛的应用，特别是在那些不容许有刺激性臭味的装置(如空气调节、公共饮食等)中，就更是如此。2）R22(又名一氯二氟甲烷)。许多性质与R12相似，它在一个大气压下的正常蒸发温度更低，是﹣40.8℃，比R12更能满足低温冷库的需要，而低压部分的压力仍高于大气压力。一般冷凝压力也不超过1.3MPa(绝对)。在制冷量相同时，R22制冷装置冷剂循环体积比R12小得多，因而压缩机的尺寸也可以做得较小，不过R22的价格比R12更贵一些，同时具有更强的渗漏性和对有机物的腐蚀性。第三节船舶空气调节船舶在营运过程中，为了改善船上人员的生活和工作条件，以及货运的需要，皆需对船舱的空气进行人为的调节，以创造一种所谓的“人工气候”。它包括：(1)自然风通风系统：是最简单的空气状态的改善设施。它可以用风筒将室外新鲜空气引入舱室，也可用通风机将新鲜空气打入舱室或将污浊空气从舱室抽出的强力办法。(2)空气调节系统：这是指空气预先经过处理，使其成为温度和湿度合适的清洁空气，然后再送人舱室，以建立一种冬暖夏凉的生活环境。广义而言，冷藏运输和货舱干燥，亦都属于船舶空调技术的具体应用。 现代船舶为改善船员和旅客生活和工作条件，在生活和工作舱室设置空气调节装置，以保持舱室空气具有适宜人们生活和工作的温度、湿度和清新度。船舶空气调节装置主要是由空气调节器、供风管和布风器组成。空气调节器是对空气进行集中处理的设备。室外的新鲜空气和室内的回风经过空气调节器集中加温或降温，通过湿度处理和净化后送入需要进行空气调节的舱室。1.组成：如单风管空气调节器，它由空气混合室、风机、空气过滤器、冷却器、加热器、加湿器、消音室、空气分配室等组成。2.任务：1）空气的净化和消音：外界新风和回风由风机吸入，在混合室中混合之后，从风机出口排入消音室，由于通道截面增大使气流速度降低，消除了低频噪音；内壁贴附的多孔吸音材料，吸收高频噪音。在消音室后部装设由四块滤板组成的滤器，用于滤除空气中灰尘，净化舱室的供风，保持换热器表面清洁。2）空气的冷却和除湿：空气冷却是由冷却器完成。直接冷却式冷却器的制冷剂直接在管内蒸发吸热，冷却管外空气；间接冷却式是用低温的冷媒水在管内循环流动，冷却管外空气。空气冷却时，当冷却器管壁温度低于被冷却空气的露点时，空气中一部分水蒸气就会在冷却器管壁上凝结，使冷却后的空气含湿量降低，达到除湿目的。附着在冷却器管上的凝水沿肋片下流，聚集在冷却器底部集水盘中，并通过泄水管流出空调器。3）空气加热和加湿器：空气的加热由加热器完成，加热工质可用低压蒸汽或热水。当空气由低温加热到高温时，相对湿度变得很低，使人们感到干燥。因此，空气加热的同时还必须加湿。最简单的加湿器就是一根钢管，沿管长迎着气流方向开一排小孔，使蒸汽从孔喷出加湿空气。第四节货舱干燥系统在远洋运输中，无论是运输冷藏货物，还是运输一般货物，对货舱中空气的湿度都有一定的要求。1）船舶在热带装货驶入寒带时，船舷会被外界空气冷却，若温度低于货舱中空气的露点，舷壁就会结霜。2）船在寒带装货而驶入热带海区时，货舱中因通风进入了温度较高的外界空气，空气中的水蒸气就会在较冷的货物表面上绪露。结露不但会使某些货物遭到湿损，而且还会加速船体的腐蚀。如货舱具有良好的通风系统，而船舶驾驶员又能根据外界气象条件正确地掌握货舱的通风换气时刻，那么货舱空气结露这一问题是能够在很大程度得到解决的。对运输某些要求较高的货物(茶叶、烟草、纺织品、谷物、皮革等)，在货舱中装设空气干燥系统，则可更好地保证运输质量。货舱干燥系统(也称货舱空气调节)的任务是降低货舱中空气的相对湿度，使之在与货舱中的低温表面接触时，不致发生结露。货舱干燥系统由三部分组成：1)货舱空气循环泵统，2)空气干燥站，3)货舱空气的温、湿度自动调节系统。空气干燥站是整个系统的核心。对空气的干燥，目前使用降温去湿和化学吸附两种方法。下面对降温去湿的空气干燥站作简要介绍。降温去湿的原理就是当空气流经冷却嚣和挡水板之后，便能将其中的部分水分除去。在空气去湿之后再通过加热器提高空气的温度，使货舱中空气的相对湿度减小。空气的加热可利用制冷压缩机排出的高温高压冷剂蒸气作为加热工质；在某些干燥站中，为了简化管路系统，也有利用电热丝 来加热的。应该指出的是，并不是在整个运输过程中都要使用干燥站。当外界空气比较干燥时，如其露点低于货舱中的空气露点和舷外海水温度时，则完全可以利用外界空气的通风换气来达到干燥的目的。仅在外界空气的露点较高，货舱又必须换气时，才需予以干燥，或虽不用换气，但货舱中空气的露点高于舷外海水温度时，需将舱内空气通过干燥站自行循环，以达到去湿的目的。