大遠(yuǎn)號(hào)油船更換主機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

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(1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125005;2.渤船重工船舶設(shè)計(jì)研究所，遼寧 葫蘆島 125005)

ME型電噴柴油機(jī)采用“軟控”排氣閥，可以實(shí)現(xiàn)在任何負(fù)荷工況下優(yōu)化控制排氣閥的開閉，從而使氣缸燃油充分燃燒達(dá)到較低的氮氧化物排放，滿足環(huán)境保護(hù)的要求。ME型柴油機(jī)的優(yōu)越性能引發(fā)了船東對(duì)非ME型主機(jī)的船舶進(jìn)行改造的要求。

加拿大TK公司大遠(yuǎn)159 000 DWT原油船主機(jī)為MAN B&W 6S70MC，輸出功率16 860 kW×91 r/min。該船原總體要求為設(shè)計(jì)吃水16 m，結(jié)構(gòu)吃水17.30 m，主機(jī)運(yùn)行在CSR(90%CMCR)時(shí)在船體清潔無浪涌的情況下帶有15%航海富裕度，航速約為15.2 kn。續(xù)航力(航速15.2 kn，設(shè)計(jì)吃水情況下)約為20 000 n mile。

渤船重工設(shè)計(jì)出一套更換主機(jī)(MAN B&W 公司的ME機(jī)型)的完整方案。

1 方案分析

MAN B&W 公司的ME機(jī)型性能優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)型，已經(jīng)得到大多數(shù)船東的認(rèn)可[1]。

1)低溫起動(dòng)性改善。電子控制系統(tǒng)能夠以最佳的程序替代駕駛員進(jìn)行各種麻煩的起動(dòng)操作，使柴油機(jī)低溫起動(dòng)更容易。

2)氮氧化物和煙度的排放降低。采用柴油機(jī)電控技術(shù)，可精確地將噴油量控制在不超過冒煙界限的適當(dāng)范圍內(nèi)，同時(shí)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)噴油時(shí)刻，從而有效地抑制排煙。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提高。采用柴油機(jī)電控系統(tǒng)，無論負(fù)荷怎樣增減，都能保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下以最低的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

4)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提高。柴油機(jī)電控系統(tǒng)中，電控單元ECU根據(jù)傳感器信號(hào)，精確計(jì)算噴油量和噴油正時(shí)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

5)控制渦輪增壓。采用電子控制技術(shù)可以進(jìn)行增壓裝置精確控制。

6)適應(yīng)性廣。只要改變ECU的控制程序和數(shù)據(jù)，一種噴油泵就能廣泛用于各種柴油機(jī)，而且柴油機(jī)燃油噴射控制可與怠速控制等各種控制系統(tǒng)進(jìn)行組合實(shí)現(xiàn)集中控制，有利于縮短柴油機(jī)電控系統(tǒng)開發(fā)周期，降低成本，從而擴(kuò)大柴油機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

7)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。柴油機(jī)零部件數(shù)量明顯減少，鏈條驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和凸輪軸取消，要求維護(hù)的零部件數(shù)量減少。

8)電噴柴油機(jī)在任何負(fù)荷運(yùn)行時(shí)都可以處在最佳狀態(tài)，而且電控系統(tǒng)可以避免柴油機(jī)或任何一缸超負(fù)荷。因此，與電子滑油注油結(jié)合后，氣缸條件得到很大改善，維護(hù)間隔時(shí)間(TBO)也由此變得更長，由于零部件數(shù)量減少，所需主要檢修時(shí)間縮短。

由于要把該油船的主機(jī)MAN B&W 6S70MC改換為MAN B&WME機(jī)型，相應(yīng)地要修改許多原來的設(shè)計(jì)，包括主機(jī)的選型、軸系尺寸、機(jī)艙內(nèi)相應(yīng)輔機(jī)部件位置的變動(dòng)等。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)選型

選用主機(jī)型號(hào)MAN B&W 6S70ME-C；主機(jī)功率分別為MCR18 660 kW×91r/min；CMCR16 794 kW×87.9 r/min；燃油消耗為169(kW·h)[2-3]。

2.2 軸系尺寸

推進(jìn)軸系按照船級(jí)社規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，確定軸系的主要參數(shù)。

按規(guī)范要求[4]，軸徑d為

式中：F——推進(jìn)裝置型式系數(shù)；

C——設(shè)計(jì)特定系數(shù)，

Pe——軸傳遞的額定功率,kW；

ne——軸的額定轉(zhuǎn)速,r/min；

σb——軸材料的抗拉強(qiáng)度。

對(duì)于中間軸，若σb>800 MPa時(shí),將σb取為800 MPa。

對(duì)于螺旋槳軸和艉管軸，若σb>600 MPa時(shí)，取σb=600 MPa。

原母型船中間軸最小軸徑為514.9 mm，實(shí)船中間軸軸徑選取580 mm；螺旋槳軸計(jì)算的最小軸徑為628.2 mm，實(shí)船螺旋槳軸軸徑選取680 mm。

按船級(jí)社規(guī)范要求對(duì)改進(jìn)船中間軸和螺旋槳軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

中間軸軸徑為532.62 mm，取580 mm；螺旋槳軸軸徑(艉軸承處)為649.79 mm，選取694 mm；螺旋槳軸軸徑(艉管內(nèi))為612.51 mm，選取680 mm；螺旋槳軸軸徑(法蘭連接處)為532.62 mm，選取630 mm。最終軸徑值服從于軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算結(jié)果。

2.3 機(jī)艙布置

1)固定油水柜及工作艙室劃分布置。根據(jù)目標(biāo)船續(xù)航力及主輔機(jī)油耗，確定機(jī)艙油水柜所需要的艙容。針對(duì)機(jī)艙的總體布置，在含油的油水柜與船體外板之間增加隔艙，有利于提高本船的可靠性及環(huán)保性能。

2)主機(jī)的布置。根據(jù)艉部線形變瘦，主機(jī)前部有足夠的空間，將主機(jī)前移后定位，設(shè)計(jì)出軸系布置、艉軸、中間軸等圖。

3)輔助設(shè)備的優(yōu)化調(diào)整。底層：增加防乳化裝置油水柜；C平臺(tái)：鍋爐水泵下移，修改滑油冷卻器容量；B平臺(tái)：油艙加大，調(diào)整潤滑油計(jì)量柜結(jié)構(gòu)；A平臺(tái)：焚燒爐加大，修改機(jī)艙行車跨距，鍋爐改型；B甲板：鍋爐風(fēng)機(jī)移位；泵艙：縮小，調(diào)整通道布置。

2.4 技術(shù)難點(diǎn)

隨著主機(jī)的改變，主機(jī)艙的長度變短，船舶艉部的結(jié)構(gòu)和一些設(shè)備的布置都要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。特別是鍋爐的布置，由于位置的變動(dòng)，相應(yīng)的一些設(shè)備和管路都要重新定位，增加了工程量。

3 結(jié)論

上述方案完全滿足《鋼質(zhì)海船建造規(guī)范》的要求，經(jīng)過施工建造和下水試航后證明是可行的。

改進(jìn)設(shè)計(jì)使原油船結(jié)構(gòu)吃水增加了0.20 m，艙容明顯增加，載油量由原來159 000 DWT變?yōu)?63 000 DWT，增加了4 000 DWT，給船東帶來的效益是明顯的。

[1] 許乃強(qiáng)，石楚生．電子噴射技術(shù)在柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用[J ]．移動(dòng)電源與車輛，2002(1):7-10.

[2] 任自中．國外大功率柴油機(jī)電噴電控系統(tǒng)的新進(jìn)展[J]．柴油機(jī)，2008(5)：38-40.

[3] 顧世明．實(shí)船應(yīng)用電噴柴油機(jī)簡介 [J]．航海技術(shù)，2005(1)：39-41.

[4] 中國船舶行業(yè)總公司．船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)輪機(jī)分冊(cè)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2008.