低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法
【专利摘要】本发明公开一种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，在船舶原有额定工况点之下选定常用工况点，根据常用工况点及其裕度按常规方法设定新螺旋桨，根据新螺旋桨按常规方法选定柴油主机的常用功率范围，根据常用功率范围按常规方法选配新增压器，根据新增压器调整船舶原有柴油主机的压缩比。本发明对推进系统的柴油主机和螺旋桨这两大部件的重新设计，让螺旋桨的自重得到下降，同时又工作在高效区域，同样柴油主机也因为更换高效增压器，调整该主机的额定功率，使船舶主机工作在高效区域，同时因为增压器的更换极大提高了扫气压力和换气质量，改善柴油的燃烧工况，降低柴油机的单位油耗，从而达到节能减排的目的。
【专利说明】低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种船舶推进系统的改造方法，特别是涉及一种推进系统的柴油主机 及螺旋桨的匹配改造方法。
【背景技术】
[0002] 现有的船舶推进系统主要包括柴油主机、轴系和螺旋桨。目前的远洋运输集装箱 船舶为了提高船舶的周转率，其额定工况点基本上选择在航速16海里/小时以上。但是， 这样的航速对于内贸集装箱运输来说是没有必要的，此时整个推进系统只工作在额定工况 的50%以下。根据柴油机的工作原理得知，该工作区域是柴油主机耗油率相对较高的区域， 另外螺旋桨也远远偏离设计的工况点，其工作效率也相对偏低。
[0003] 由于现有大部分船舶建造于上世纪90年代和本世纪初，当时的世界航运业追求 船速快，对于经济航速及船舶的推进系统效率考虑较少，也就是说这些船舶主要考虑以提 高船舶周转为出发点，对于当时燃油成本占船舶总成本比例不是很高（低于40% )的情况 下是可行的。但对于目前船舶燃油成本占船舶运营成本超过50%甚至更高的情况下，随着 船舶设计技术的不断提高，大批绿色环保的船舶进入市场，而这批船舶已经失去市场竞争 力，甚至已经成为航运企业的负担。
[0004] 针对运营中的此类大批船舶的改造势在必行，改造方案可从推进系统、封增、封缸 入手。有两个增压器的尚可考虑封掉一个增压器，仅有一个增压器的就不能采用封增。柴油 主机有7个以上汽缸的，尚可考虑封掉一个汽缸，但对于少于7个汽缸的也不宜采用封缸， 而且还会产生震动等不良现象。
[0005] 国内船舶推进系统的改造主要是针对螺旋桨的改造，通过更换螺旋桨减少螺旋桨 的推动率，降低航速来达到减少燃油消耗。但是，这种改造并没有涉及到柴油主机，也没有 对推进系统进行优化，节油效果并不明显。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统 的改造方法，在不更换柴油主机的情况下，能以较低成本提高船舶在降功率运行的常用工 况点的效率，并能大幅降低油耗。
[0007] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0008] -种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，在船舶原有额定工 况点之下选定常用工况点，根据常用工况点及其裕度按常规方法设定新螺旋桨，根据新螺 旋桨按常规方法选定柴油主机的常用功率范围，根据常用功率范围按常规方法选配新增压 器，根据新增压器调整船舶原有柴油主机的压缩比。
[0009] -种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，依次通过以下步骤实 现：
[0010] 1)根据船舶在多种航速下的船舶阻力在船舶原有额定工况点之下选择常用工况 点，根据常用工况点及其裕度设定新螺旋桨；
[0011] 2)根据新螺旋桨的特性曲线选择柴油主机的持续使用功率，根据持续使用功率选 择柴油主机的额定功率；
[0012] 3)根据柴油主机的额定功率，分析柴油主机的结构和运行参数，确保柴油主机和 废气锅炉的组合工作在优选工况下；
[0013] 4)根据柴油主机的额定功率、额定功率下的柴油主机转速、废气锅炉的受热面积 和效率、核算机舱日常蒸汽的消耗量按常规方法选配新增压器；
[0014] 5)根据新增压器提高船舶柴油主机的压缩比。
[0015] 所述常用工况点下船舶的航速为14. 5 -15. 5海里/小时。
[0016] 所述柴油主机的调整垫片的厚度为37mnu
[0017] 根据所述柴油主机原有压缩比设定新压缩比，根据压缩比ε = (vw+vy/v余获 得余隙容积Vf的变化量，根据调整垫片的厚度差Ss=Vt$A3.14Xr 2)，以及δ新= S I日+δ差设定新调整垫片的厚度δ新；
[0018] 为柴油主机的活塞运动一个冲程所包容的冲程汽缸容积，
[0019] Vf为活塞处于上死点位置活塞、汽缸和缸头所包容的汽缸容积；r为汽缸的半径；
[0020] δ 10为原有调整垫片的厚度；
[0021] δ #为改变压缩比后的新调整垫片的厚度。
[0022] 所述新压缩比根据耗油率Y = 0. 201 ε 2-8. 339 ε +259. 3的压缩比耗油率图 选定。
[0023] 采用上述技术方案后，本发明的低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造 方法具有以下有益效果：
[0024] -、本发明对推进系统的柴油主机和螺旋桨这两大部件的重新设计，更换成效率 更高形式的螺旋桨，同时又使其工作在高效区域，同样柴油主机也因为更换高效增压器，调 整该主机的额定功率，使船舶主机额定工况点在高效工作区域，同时因为增压器的更换极 大提高了扫气压力和换气质量，改善柴油的燃烧工况，降低柴油机的单位油耗，从而达到节 能减排的目的。本发明主要针对已投入运营船舶航行的实际需要，采用更换高效柴油主机 增压器和调整柴油主机的压缩比来提高柴油主机的工作效率，对船舶主推进柴油机进行降 功率运行，提高柴油在新的工况下的工作效率，在保持船速基本不变的情况下，大幅度减少 燃油消耗。本发明一方面能够降低船舶的海运运输成本，从而成功提高了船舶整个推进系 统的工作效率；另一方面能够节能降耗，减少船舶的海洋污染和大气污染，与国家推行的关 于节能减排的政策相吻合。本发明采用高效螺旋桨和对现有主机进行持续使用功率降低使 用的调整方式进行改造，从而优化整个推进系统，提高推进系统的整体效率，具有显著的社 会效益和经济效益。
[0025] 二、本发明将航速14. 5 -15. 5海里/小时的工况点作为船舶的常用工况点，对整 个推进系统的螺旋桨进行重新设计，使得船舶的螺旋桨在14. 5 -15. 5海里/小时的效率最 佳，对船舶柴油主机额定功率进行重新整定，让该推进系统的主机工作在高效工作区，即主 机工作在额定功率的55-85%区域。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1为船舶阻力特性曲线，即螺旋桨负荷特性曲线。
[0027] 图2为6S60MC (型号）MK5主机的压缩比耗油率特性曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐 述。
[0029] 船舶推进系统主要包括柴油主机、轴系和螺旋桨，由于柴油主机和螺旋桨是影响 船舶运行航速的主要因素之一，因此本发明对船舶上的柴油主机和螺旋桨进行优化，使调 整参数的柴油主机和重新设计的新螺旋桨达到低航速高效运转的目的，还能以较低成本提 高效率和大幅降低油耗。因本发明中螺旋桨和增压器需重新设计、选配，为了叙述方便，故 对船舶改造前的称之为原螺旋桨、原增压器，改造之后重新设计安装的称之为新螺旋桨、新 增压器。
[0030] 本发明的设计原理如下：首先根据重新设计的新螺旋桨的负荷特性曲线和原柴油 主机的基本参数，选定柴油主机的常用功率范围。考虑到海况功率裕度为15%，以及基本机 桨匹配的功率储备为15%，选定优化后的柴油主机的额定功率。根据选定的柴油主机的额 定功率、在额定功率下的柴油主机转速、废气锅炉的受热面积和效率、核算机舱日常蒸汽的 消耗量来确定柴油主机的新压缩比和新增压器的规格型号。调整柴油主机活塞杆与十字头 之间的调整垫片的厚度，使柴油主机获得新压缩比。
[0031] 例如：设定柴油主机的原单缸（单个汽缸）的余隙容积为37. 55L，缸径为0. 6米， 冲程2. 292米，根据压缩比计算公式：
[0032] ε = (V 冲+V 余)/v 余
[0033] ε = (3. 14X0. 3X0. 3X2. 292+0. 03755)/0. 03755 = 18. 25
[0034] v#为柴油主机活塞运动一个冲程所包容的汽缸容积；
[0035] Vf为余隙容积，即活塞处于上死点位置活塞、汽缸和缸头所包容的汽缸容积。
[0036] 根据图2压缩比ε -耗油率Y曲线图，压缩比与耗油率的关系为Y = 0. 201 ε 2-8. 339 ε +259. 3,图中横坐标表示压缩比ε，纵坐标表示耗油率Υ，将压缩比调整 到20. 8左右，该主机的耗油率将处于最佳状态。
[0037] 要使得该柴油主机的压缩比为20. 8,其余隙容积计算如下：
[0038] ε = 20. 8 = (3. 14 X 0· 3 X 0· 3 X 2· 292+v 余 _2) /v 余 _2
[0039] 即 19. 8v*_2 = 0· 64772
[0040] v*_2 = 0· 03272 立方米即 32. 72L
[0041] 即在新设计点的余隙容积为32. 72L，即柴油主机的余隙容积从37. 55L调整到 32. 72L，减少了 4. 83L，该余隙容积可通过调整柴油主机活塞杆与十字头之间的调整垫片的 厚度δ实现。
[0042] 活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度改变，没有改变或者影响到相关的运动轨 迹，也就无需核算复杂的运动轨迹。而改变连杆大头端的垫片，会改变或者影响到相关的运 动轨迹，也就需核算复杂的运动轨迹。因此，本发明选择改变活塞杆与十字头之间的调整垫 片的厚度。
[0043] 活塞杆与十字头之间的调整垫片的厚度调整范围受到的填料函的下表面与四个 固定用的螺栓长度的限制。也就是说，填料函的下表面会与上述螺栓端之间的空隙是调整 垫片的加厚范围，但是，若调整垫片太厚，则填料函的下表面将会与上述螺栓端产生干扰， 影响柴油主机正常运转。
[0044] 经过测量、计算，调整垫片的厚度如下选配：
[0045] δ 新-δ 旧=4. 83/100(V(3. 14XD/2XD/2)
[0046] D为柴油主机的缸径，D为0. 6米；
[0047] δ 1日为原调整垫片的厚度，δ 1日为〇· 02米；
[0048] δ新为新调整垫片的厚度。
[0049] 计算，得出δ新=〇· 037米。
[0050] 本发明通过对影响船舶运行航速的主要因素进行数据测试、分析，对柴油主机的 运行工况点进行重新界定，对原螺旋桨进行重新设计以及对柴油主机的增压系统配套的进 行改造，让新螺旋桨和调整后的柴油主机都工作在额定工况点或者高效区域工况点，更换 与船舶主机相匹配的高效增压器、压缩比和调整垫片来调整柴油主机的最大持续使用功率 和常用服务功率，使柴油主机工作在高效区域，提高柴油主机的有效效率。
[0051] 本发明的具体步骤如下：
[0052] a、根据原船舶的参数制作船模，按照试验程序进行船模试验，测定在各种特定航 速下的船舶阻力和各种系数。船舶阻力特性曲线即螺旋桨负荷特性曲线详见图1和表1。
[0053] 表1船舶阻力特性曲线即螺旋桨负荷特性曲线
【权利要求】
1. 一种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，其特征在于，在船舶原 有额定工况点之下选定常用工况点，根据常用工况点及其裕度按常规方法设定新螺旋桨， 根据新螺旋桨按常规方法选定柴油主机的常用功率范围，根据常用功率范围按常规方法选 配新增压器，根据新增压器调整船舶原有柴油主机的压缩比。
2. -种低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，其特征在于，依次通过 以下步骤实现： 1) 根据船舶在多种航速下的船舶阻力在船舶原有额定工况点之下选择常用工况点，根 据常用工况点及其裕度设定新螺旋桨； 2) 根据新螺旋桨生成的特性曲线选择柴油主机的持续使用功率，根据持续使用功率选 择柴油主机的额定功率； 3) 根据柴油主机的额定功率，分析柴油主机的结构和运行参数，确保柴油主机和废气 锅炉的组合工作在优选工况下； 4) 根据柴油主机的额定功率、额定功率下的柴油主机转速、废气锅炉的受热面积和效 率、核算机舱日常蒸汽的消耗量按常规方法选配新增压器； 5) 根据新增压器提高船舶柴油主机的压缩比。
3. 根据权利要求2所述的低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，其特 征在于，所述常用工况点下船舶的航速为14. 5 -15. 5海里/小时。
4. 根据权利要求2所述的低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，其特 征在于，所述柴油主机的调整垫片的厚度为37mm。
5. 根据权利要求2所述的低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，其特 征在于，根据所述柴油主机原有压缩比设定新压缩比，根据压缩比ε = (ν?ψ+ν：^)Α^获得 余隙容积vt的变化量根据调整垫片的厚度差S差=14Xr2)，以及δ新=δ 旧+S *：设定新调整垫片的厚度δ新； V#为柴油主机的活塞运动一个冲程所包容的冲程汽缸容积，Vf为活塞处于上死点位 置活塞、汽缸和缸头所包容的汽缸容积；r为汽缸的半径；δ 10为原有调整垫片的厚度；δ # 为改变压缩比后的新调整垫片的厚度。
6. 根据权利要求5所述的低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法，其特 征在于，所述新压缩比根据耗油率Υ = 〇. 201 ε 2_8. 339 ε +259. 3的压缩比一耗油率图选 定。
【文档编号】B63B9/00GK104260827SQ201410500434
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】周鸿辉, 李炳红 申请人:泉州安盛船务有限公司