[讲稿]马晓鹏 船用柴油机毕业设计

[讲稿]马晓鹏 船用柴油机毕业设计 第一章 绪论 O引 言 现代船舶工业是典型的综合加工装配工业，是综合工业之首。船舶工业对国民经济97个产业有直接的消耗，还直接为我国能源运输、国际航运、海洋开发等产业提供必要的装备，形成了国民经济中一条重要的产业链 (如图1所示)。 图1船舶工业殛船舶配套产业链 据统计资料表明，船舶产品的价值平均构造比例为:造船30,，原材料20,，配套设备50,。由此舶配套设备对船舶工业发展的重要性。船舶柴油机是船舶最主要的配套设备，它 ,和3,一5,，因应用于船舶推进动力装置和船舶电站，在船舶总成本中分别占lO,一15此，建设能提供性能优良、质量可靠、品种齐全、数量充足产品的船舶柴油机制造业，对我国船舶工业快速、持续、健康发展是不可或缺的。 目前我国造船业的国内配套率不到40,，船舶配套落后于造船，作为船舶配套核心产品之一的船舶柴油机，配套率更低，主要是直接从国外购买原装机或采用国外引进许可证生产的产品，没有自主知识产权、关键技术受制于人，已成为影响我国船舶发展的重要瓶颈。 1国内外船舶柴油机的发展状况 1(1船舶低速柴油机的发展 从全球低速机产品市场占有率来看，在以低速机为主机的2 000吨以上船舶上，MAN—B&W公司和WAR600—80080mm，功率1 kW。TSILA—SULZER公司的低速机产品占世界份额的90,以上，缸径260—980 近年来，MAN—B&W公司通过向日本、韩国、中国的柴油机生产厂转让生产许可证，得到了迅速发展。2001年至2004年，该公司已生产的或已汀货的低速柴油机已达到1080台，其中日本制造的占44,，韩国占43,(中国占13,。 国内有三家低速机制造企业，分别为沪东重机股份公司、大连船用柴油机厂、宜昌船舶柴油机厂，2005年三家的产量分别达到70台,114万马力、39台,60万马力和18台,20万马力。其主导产品是船舶低速大功率柴油机，生产所用专利技术是从丹麦B&W公司和芬兰WARTSILA—SULZER公司引进，按产品产量定期支付专利使用费，主要为国内几大船厂生产的干散货船、特大油船、集装箱运输船等配套。目前沪东重机、大连船用柴油机厂已 进人世界十大低速船用柴油机造机企业的行列。尽管近几年我国船舶低速柴油机生产已有较快发展，但我国造机企业与世界前三名造机企业的差距还非常大，企业综合竞争能力仍较弱，主要差距见表1。 表1 我国造机企业与世界先进企业的主要差距 1(2船舶中速柴油机的发展 国外著名的中速柴油机制造厂家主要有德国MAN—B&W、芬兰Wartsila、德国MTU、美国CaterHyundai、日本洋马和大发等公司。这些公司的中速柴油机都形成了系列化，缸径一般为160—280mm，气缸数为5—9缸，单缸功率在100—300kW之间，整机功率在450—3000 kW之间，可满足大中型船舶的副机、中小型船舶的主机以及陆用电站的市场需求。 当前，国外船舶大功率中速柴油机平均有效压力为2(4—3(0MPa，最高燃烧压力16—21 MPa，最高喷油压力160—180MPa，燃油耗率170,180g,kW?h，单缸功率2010 kW，大修期为18000-24000 h。 2d-，L21,31，MAN—B&W公司的船舶中速机产品最具有代表性，其产品分为L16,L27,38功率覆盖范围为450—2970 kW(见表2)，主要用于三大主力船型(油船、集装箱船以及散货船)的发电副机，基本满足了三大主力船型的市场需求，市场销售情况良好。 表2 MAN—B&W公司的三大系列船舶中速机 目前，我国船舶中速机70,直接购买国外进1:3原装机，其余30,几乎都是国外 许可证技术制造的产品，技 术依赖于国外，没有自主知识产权。国产中速机技术水平落后，仅用于渔船、内河 航行船舶等，进不了主流 场。我国中速柴油机的厂家有:镇江船用柴油机厂、陕西柴油机厂、新中动力机厂、 安庆船用柴油机厂、淄博柴 油机厂、沪东重机股份公司等，国内中速机产品系列繁多，缸径分布密集，功率分 布范围狭小，大功率机较少，且 功能单一。主要生产缸径160,400mm、单机功率147—9 900kW、转速500—1400r ,rain的中速柴油机。 目前，镇江柴油机厂的年生产能力为200台，陕西柴油机厂为150台，新中动力机厂为80台，安厂为50台。最近，船舶重工集团七一一所和芬兰Wartsilit公司在上海合资成立W,trtsila一齐耀柴预定年生产船舶中速机能力为250台，产品全部进人Wartsila公司全球销售网络。 近20年通过技术合作、专利或许可证引进及自主开发研制，船舶电站各组成设备在国内已经形成了一定的生产能力。但目前由于船舶电站系统不能成套供货、缺少系统优势并缺少系列化产品，因此无法与国际厂成套设备供货相抗衡。 虽然造船的发展为中速柴油机的发展提供了巨大空间，但受诸多客观条件限制，中速柴油机生产企业的发展能力有限。主要原因是国家资本投入不足;造机企业没有与造船企业同步规划、同步投人;生产模式落后，有专业化生产厂;加工手段落后，成套能力低;--轮配套能力差，国产化率提高慢;生产能力相对滞后，不能适应大规模、高效率的生产需要。 2船舶柴油机技术发展趋势 随着国际船舶配套技术飞速发展，世界上各大船舶柴油机公司在近几年内陆续推出的新型船舶柴油机，均大量采用了最新的科技成果和新的设计理念，如模块化设计技术、高效率增压技术、高压燃油喷射技术、燃烧和排放控制技术、智能技术等。主要体现在以下几个方面。 (1)船舶柴油机动力系统集成技术 柴油机技术发展不仅要求提高综合效率，而且要求提高柴油机整体性能及在各种工况下的适应性。主要研究内容:船舶柴油机动力系统总体匹配设计技术研究;模块化设计技术研究;船舶柴油机动力系统集成优仿真技术研究。 (2)船舶柴油机虚拟设计研发技术 虚拟技术将用于船舶柴油机设计、制造、装配、运行和维修的全过程。以发动机数据库为基础，应用“数字样机”、“虚拟试验”、“虚拟制造”等相关软件、技术和手段，开展船舶柴油机设计开发研究。实现船舶柴油机从以试验为主的经验设计向“预测设计”转变。 (3)智能化电子控制技术 开展柴油机电控系统开发及工程化应用技术、电子控制系统(ECS)、电子调速器设计技术、电控泵运行电子管理系统等方面的研究。 (4)船舶柴油机可靠性技术 柴油机零部件(或模块件)将有更高水平的发展，尤其是燃烧室零件和运动摩擦副的可靠性将备受重视因此，需开展可靠性设计技术、摩擦磨损技术、故障分析诊断等方面的研究。 (5)船舶柴油机代用燃料技术 大功率柴油机动力的燃料将向多元化发展，可使用重油、渣油和各种清洁燃料等。对于LNG、LPG等燃料运输船，开展可方便利用所运输的燃料的单燃料或双燃料气体发动机。 (6)全生命周期经济性和低排放技术 开展船舶柴油机性能及燃烧技术研究，重点突破高增压技术、高压共轨燃油喷射技术、高效燃烧技术等解决船舶柴油机低负荷性能和全工况乃至全生命周期经济性的问题。结合船舶柴油机的结构型式、工作要求、运行环境以及燃料种类等多种 实际情况，开展大功率柴油机喷水燃烧、废气再循环(EGR)、NO:还原等排放控制 技术研究，以满足世界环境保护提出的更进一步的严格要求。 3船舶柴油机需求分析 近年来，亚洲船厂的接单量几乎控制了整个世界船市，仅韩国、日本和中国三国船厂的接单量就占世界接单总量的90,。2004年世界船舶完工量达到了6190万载重吨，再创历史新高，而其中韩国、Et本和中国三国船厂的船舶完工量占世界总量的88,左右。三国船厂的船舶完工量见表3。 表3韩、日、中近年船舶完工量一览表 万载重吨 资料来源:克拉克松研究公司从2000年到2004年的5年间，中国造船产量年均增长26,，尤其是近3年中国造船产量年均增长率超过45,，大大高于同期世界造船的发展速度。2004年，中国完成造船产量占世界造船总量的14,，造船完工量和手持订单量均创历史新高。2005年中国造船完工量约占世界造船总量的17,，连续11年列世界第三。我国规划中的造船量见表4。造船产量大幅度增长的同时，也带来了国内船舶配套市场的需求急剧上升。 表4全国规划的造船量 万载重吨 3(1船用低速柴油机的需求 低速柴油机已成为全球民用船舶主要的推进动力。据统计，2003年全球建造完成2 000载重吨以上民船用低速机715台，共计1511万马力。根据有关部门的资料统计，我们对2002—2005年的全国低速机需求量和实际产量进行了比较，见表5。由表5可以看出，随着我国船舶制造量的快速跃升，低速柴油机的缺口越来越大。 表5全国船舶配套低速机的需求产量比较表 图2全国低速柴油机产能缺口 根据表4所示的2010年、2015年的全国规划造船量，测算出届时我国船舶配套主机的需求量如表6所示。各生产厂家的发展规划，随着产能的逐步提升，我国船用低速柴油机在2010年将可能出现供大于求的局面 表6全国船舶配套低速机需求预测表 万马力 3(2船用中速柴油机的需求 船用中速机，主要是指应用于包括三大主力船型在内的各类船舶发电机组原动机，并同时覆盖几千吨级船用主机，转速在400—1200 r,min之间的各挡功率柴油机。表7列出了预测的除内河航运船舶外的各类大中型船舶对船用中速柴油机的需求量。 表7国内大中型船舶对中速船用柴油机需求预测 根据内河航运船舶制造总量，预测内河航运船舶用中速柴油机需求量，见表8。目前内河航运船舶绝大部采用国产柴油机，价格便宜，但产品档次较低。 表8 内河航运船舶用中速柴油机需求预测表 从我国船舶业的发展情况看，船舶市场的需求受航运市场状况、世界经济形势等多种因素的影响，具有不稳定的特点。近年来，制约中国造船业未来发展的最大障碍是配套行业不完备、产能满足不了需求。在造船产量大幅度攀升情况下，尽管国产主机产量快速增长，但是国产主机装船率进一步下降，2002年降至56,，前只有40,左右，中国所需造船装备大部分靠进口。而日、韩的主机装船率都在85,以上。与之相比，中国在引进先进技术上并未明显落后，但由于工艺装备实力普遍不足，有些关键零部件还要依赖进口，而且产能也满足不了需求。 4船舶柴油机发展目标、思路及基础 4(1发展目标 由于我国船舶柴油机与国外先进水平存在很大差距，因此必须大力发展我国造船工业，实现世界第一造船大国的目标，我国船舶柴油机必须坚持走“引进一消化一吸收一再创新”的国产化技术创新之路，加快船舶配套动力的发展。船用大功率低速柴油机重点开发缸径为980、1080毫米14缸的单机功率分别为10(8万马力、13(2万马力的超大型低速柴油机和船用大功率智能型低速柴油机等产品的试制，形成完整的产品系列。 我国中速机产品的发展重点是在加强引进生产许可证柴油机技术的消化吸收基础上，开展制造工艺的优化，提高产品设计能力，突破关键技术，开发研制具有自主知识产权的高水平中国品牌机，在此基础上不断实现自主品牌中速柴油机产品系列化，提高国际市场竞争力，改变目前我国民用船舶中速机市场由引进机占主导地位的局面，真正实现国轮国配、国轮国造。 4(2发展思路 船用低速柴油机:通过引进技术消化吸收和国产化研制，在部分配套件上实现自主创新，过渡到与国外合作开发新机型。技术上，重点开展国外引进专利技术低速机的设计技术和工艺的消化研究，提高国产化率;开展低速机关键部套件的开发研制，加紧增压器、燃油系统、轴瓦、曲轴等主要部套件的设计开发和研制生产;加强对低速柴油机的一些特有技术，如经济性、排放、故障诊断、电液控制系统、智能化控制系统等先进技术进行消化吸收和研究。 船用中速柴油机:国内研究所联合中速机主机厂、专业配套件厂、高校，通过消化吸收引进技术在关键配套件上实现自主创新;过渡到与国外合作开发新机型，开展联合设计，高起点研制首制基本机型;最后实现自主设计研发具有自主知识产权的性能指标先进的国内品牌船舶中速机。技术上，重点研究和突破船用中速柴油机的总体优化设计技术、重要零部件(如电子调速器、主轴瓦、连杆瓦、高压油泵、增压器等)的设计制造技高增压、高压共轨燃油喷射、燃烧与排放、模块化和智能化等关键技术。 4(3发展基础 为实现中国造船大国、促进船舶配套的快速发展，必须加紧发展以船舶柴油机为主的船舶设备。 我国发展船舶柴油机具有较好的基础和较大的优势: (1)具备一定的工业基础 通过50年来几代人的艰苦努力，我国船舶柴油机从无到有，取得了很大的发展。国家为船舶柴油机研制成立了专门的科研机构和相应的生产企业。近些年来，通过国家高新工程项目的实施，我国主要船舶柴油机生产厂的生产设施得到较大的改造、更新，制造能力和水平明显提高。 (2)引进机一定程度上提高了我国船舶柴油机的技术水平 20世纪70年代末开始，我国引进了多型船舶中、低柴油机，通过引进机的国产化，培养了一支具有相平的基础研究、工程设计开发的人才队伍，也取得了一些科研成果，已基本具备生产世界先进水平柴油机的加工、测试和配套的能力。和国外相比，制造技术差距已明显缩小，只要再加以完善提高，能够试制、生产更高指标的柴油机。 (3)具备一定的研发能力与科研条件 经过50多年的研究、自主开发、引进消化吸收以及对科研设施的投入，我国船舶柴油机的研发能力、生产水平得到了较大的提高。近20年来，国内科研院所、企业合作持续不断地设计、开发船舶柴油机，并直接应于国内市场，积累了一定的船舶柴油机研发经验，具备了一定的研发能力，培养了大量的科研人才。 5结束语 实践证明，一个国家在世界造船市场占有一席之地，强大的国内配套业是必需的基础。据了解，日本船厂90,的配套在国内完成，韩国的国产配套率也达到80,，德、英、法、丹麦、挪威等世界航运大国更是如此。尽管我国造船业发展的步伐很快，但与世界造船强国相比，我们的基础很落后，对配套业来说更是如此。 针对船舶快速发展对动力装置的需求，我国船舶配套行业应抓住船舶动力装置稳步增长的大好机遇，加强引进技术产品的消化、吸收和改进提高，加大技术刨新的力度，逐步形成一批具有自主知识产权的船舶柴油动力装置产品，真正做到国轮国造和自主配套，早日实现第一造船大国和造船强国的目标。