低成本高节能的降功率运行船舶推进系统的改造方法
阅读：351发布：2020-10-02
专利汇可以提供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检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是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的具体信息内容。
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。
2.一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，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＝(v冲+v余)/v余获得
2
余隙容积v余的变化量v余变，根据调整垫片的厚度差δ差＝v余变/(3.14×r)，以及δ新＝δ旧+δ差设定新调整垫片的厚度δ新；
v冲为柴油主机的活塞运动一个冲程所包容的冲程汽缸容积，v余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旧为原有调整垫片的厚度；δ新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
2
征在于，所述新压缩比根据耗油率Y＝0.201ε-8.339ε+259.3的压缩比---耗油率图选定。
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] 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。
[0009] 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，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；
[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37mm。
[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＝(v冲+v余)/v余获2
得余隙容积v余的变化量v余变，根据调整垫片的厚度差δ差＝v余变/(3.14×r)，以及δ新＝δ旧+δ差设定新调整垫片的厚度δ新；
得余隙容积v余的变化量v余变，根据调整垫片的厚度差δ差＝v余变/(3.14×r)，以及δ新＝δ旧+δ差设定新调整垫片的厚度δ新；
[0018] v冲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] v余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旧为原有调整垫片的厚度；
[0021] δ新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＝0.201ε2-8.339ε+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] 一、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。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＝(3.14×0.3×0.3×2.292+0.03755)/0.03755＝18.25
[0034] v冲为柴油主机活塞运动一个冲程所包容的汽缸容积；
[0035] v余为余隙容积，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＝2
0.201ε-8.339ε+259.3，图中横坐标表示压缩比ε，纵坐标表示耗油率Y，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。
0.201ε-8.339ε+259.3，图中横坐标表示压缩比ε，纵坐标表示耗油率Y，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v余-2计算如下：
[0038] ε＝20.8＝(3.14×0.3×0.3×2.292+v余-2)/v余-2
[0039] 即19.8v余-2＝0.64772
[0040] v余-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＝4.83/1000/(3.14×D/2×D/2)
[0046] D为柴油主机的缸径，D为0.6米；
[0047] δ旧为原调整垫片的厚度，δ旧为0.02米；
[0048] δ新为新调整垫片的厚度。
[0049] 计算，得出δ新＝0.037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
[0054]
[0055] 表1中Vs表示航速，Nt表示主机转速，Pdt表示柴油机输出功率，[0056] 从图1的船体阻力曲线(即新螺旋桨特性曲线)我们可以看出，选择在14.5节的航速下，主机必须提供的功率为4041.5KW，处于额定功率的4041.5/7000＝58％位置，是处于单位耗油率的高效区。该点的选择充分考虑了现实营运的需求，同时还留有一定的裕度，在航运环境好转时可以保持在15.16海里/小时的航速下运营。
[0057] b、设定航运周期，选定一个合理的航速范围作为新螺旋桨的设计航速范围，并设定推进系统的常用工况点。
[0058] 根据内贸航运特点选择14.5海里/小时作为新螺旋桨常用工况点。选定新螺旋桨常用工况点以后，根据船舶阻力曲线和各种效率曲线(见图1和图2)可以选择出最佳的推进系统的效率点和新螺旋桨的推进功率，以此作为重新设计的新螺旋桨的依据。选择新螺旋桨的最佳直径和工作螺距，进行新螺旋桨的设计，并通过桨模试验进行新螺旋桨参数的修正和最终整定。
[0059] c、完成新螺旋桨的设计后就可以提供船舶推进系统的特性曲线，根据特性曲线选择船舶主机的持续使用功率点，并根据持续使用功率为75-85％的最大许用功率的原则，选择船舶柴油主机的最大许用功率，当然这种选择还应充分考虑到各种海况下的功率裕度为15％，保证船舶的必要的时候可以适时提高营运航速。
[0060] d、根据选定的柴油主机的最大许用功率和持续使用功率，分析原柴油主机的结构和各种运行参数，即前期实船测量，设定柴油主机的各种整定参数，包括压缩压力、爆发压力、扫气压力、排气压力、排气温度、增压器转速、增压器涡轮端进、出温度和废气锅炉的蒸发量等参数，船舶对锅炉的蒸发量需求为900Kg/h，蒸汽压力4Bar。确保柴油机和废气锅炉的组合工作在最佳的工况下。
[0061] 其中根据船舶实际的功率需求，选择合理的新增压器，来满足柴油主机推进功率的要求，使柴油主机工作在高效工作区，结合船舶原废气锅炉的结构特点和废气加热的受热面积以及船舶日常蒸汽需要量来整定主机增压器出口的排气温度。通过多次的设计、计算并进行计算机模拟后确定各种参数。
[0062] E、柴油主机的各种参数整定后，对新螺旋桨的特性曲线作进一步核对，并进行局部修改、调整。确保柴油主机主要部件的工作负荷，核算整个轴系的扭振和改动后主机的转速共振区。经过理论模拟计算，该主机的共振转速由原来的39-48RPM改变为43-53RPM，实际装船测试后的共振转速区与理论计算相符合，在主机设定时，必须迅速越过该区域，以免因为主机在该区域的长时间运行而造成各部件甚至整台机器的损坏。
[0063] F、经过核算各部件均在合理的范围后确认柴油主机增压器的定型制作。
[0064] G、将上述设定参数的柴油主机、新螺旋桨安装在船舶上，并进行航行试验。通过实船航行试验，在基本保持航速不变的情况下，主机柴油油耗比原来节省了12％。下面表2为实船航行试验表。
[0065] 表2实船航行试验表
[0066]
[0067] 表中从2月21日开始到3月17日的1403、1404、1405、1406航次中，1403还加挂汕头港，时间41小时；1406加挂石湖，时间28.1小时。1403、1404、1405、1406航次的平均航次油耗为187.65T，其包含加挂汕头港的8.7吨和加挂石湖港的6.05吨，平均为7.37T，扣除加挂因素平均航次油耗为为180.28T。与上述航次时间相比的前一年的1343\1344航次运行同样的航线以及1345/1346航次的平均航次油耗为198.6T，采用本发明改造后的船舶整个来回航次节省油耗18.32T，节省定速运行时间19.6小时。其中，前一年的1343\1344航次组合还是该年度该航线段的最佳、最节油的航次。
[0068] 采用本发明改造船舶之前，每天19.7T/主机，节省19.6小时航行时间即折算节省油耗19.6/24×19.7＝16.1吨，合计为每个航次节省耗油34.42吨。每个月按照2.2来回航次计算，可以节约75.8吨重油，节约成本34.11万元，每吨重油按4500元计算。减少CO2排放量为236.1吨(按照燃油量和CO2量转换系数为3.1144计算)，比采用本发明改造前的CO2排放减少了19.1％。
[0069] 按照每月节约75.8吨重油计算，一年可以节省909.6吨燃料重油，约合4093200元，采用本发明的改造成本按4146937元计算，详见表3，12.2个月即可回收成本。采用本发明对船龄超过6年以上的集装箱船舶，或者已运行17年的船舶进行改造，船舶还可以运行17年，集装箱船舶按34年强制报废，其投入产出比为：4146937/(4093200×17)＝1/16.78。
[0070] 表32006年以前建造的大型集装箱船舶改造成本，单位为元。
[0071]
[0072] 通过分析可以看出，采用本发明所改造的船舶，其燃油费用有大幅度降低，同时该船舶的单位时间的CO2排放量也有较大程度的减少，这不仅可以节约运营成本，提高盈利能力和竞争力，也在保持航速基本不变的情况下大幅度减少了燃油的燃烧产物排放，采用本发明也可对船龄在8年以上的船舶进行节能减排和技术改造。
[0073] 本发明虽然是对原有设计船速高于16海里/小时的船舶的推进系统的额定工况点进行重新设计定型，使改造后的船舶在低于16海里/小时的额定工况点下实现高效运转。但是，本发明同样适用于对于高于16海里/小时的额定工况点下实现高效运转的船舶改造。
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