(初稿)孙毅、王浩、王在忠、王志强 大作业

1、大作业“凯福”轮主机选型及换热器选型计算专 业： 轮 机 工 程 成员及学号：孙 毅 1120120134王 浩 1120120138王在忠 1120120141王志强 11201201422013年6月目 录1.主机选型及机桨匹配11.1 初步匹配设计11.1.1 船体主尺度11.1.2 推进因子的确定21.1.3 初步匹配设计计算31.2 主机经济性及运行特性分析71.2.1 优化点燃油消耗率（SFOC）的计算71.2.2 主机运行区域81.3 终结匹配设计91.3.1 船体主尺度91.3.2 主机主要参数91.3.3 推进因子的确定91.3.4 终结匹配设计计算102.缸套水冷却器的设计

2、122.1 淡水冷却水系统122.2 缸套水冷却器传热面积计算132.3 采用管壳式换热器152.3.1 初选试算152.3.2 核算压降（阻力）152.3.3 核算换热面积192.4 采用板式换热器212.4.1 初选试算212.4.2 核算换热系数及热负荷222.4.3 核算压降（阻力）232.4.4 初选BR35换热器242.4.5 初选BR46换热器262.4.6 初选BR50换热器272.4.7 初选BR65换热器292.4.8 初选BR100换热器30参考文献34大作业“凯福”轮主机选型及换热器选型计算1. 主机选型及机桨匹配主机选型和螺旋桨的设计密切相关。在设计中要综合考虑船、机

3、、桨的匹配问题，从而选定螺旋桨参数和主机型号。在主机选型与螺旋桨参数确定的机、桨匹配计算中分为初步匹配设计和终结匹配设计两个阶段。初步匹配设计：已知船体主尺度、船体有效功率、船舶设计航速、螺旋桨的直径或转速，确定螺旋桨的效率、螺距比、最佳转速或最佳直径及所需主机功率，从而选定主机和传动设备。终结匹配设计：根据选定的主机的功率、转速、船体有效功率，确定船舶所能达到的最高航速、螺旋桨直径、螺距比及螺旋桨效率。1.1 初步匹配设计本作业选取一艘载重量146591吨的苏伊士型油轮凯福轮（NEW FORTUNER）进行主机选型和机桨匹配计算。设定为单机、单定距桨，直接驱动，不带轴带发电机。1.1.1 船

4、体主尺度表1.1 船舶主尺度表格设计水线长LWL268.602m垂线间长LPP267.0m型宽B44.40m型深d24.10m设计吃水（满载）T16.902m方形系数0.818排水量（满载）168965t排水体积164844m3船舶设计航速V15kn载重量146591t（1）螺旋桨直径D对单桨船约为设计吃水T的0.70.8倍，即：根据类似船型资料 15万t油船模型尺度效应试验研究_都绍裘 船舶 1994，D约在8.078.60之间。初选D=8.31m。（2）方形系数根据文献1，计算方形系数：式中单桨时取k=1.006；其余各参数的值由表1.1获得，1.1.2 推进因子的确定（1）伴流分数：=0

5、.359 根据泰勒公式 （适用于海船），对单螺旋桨船有：（2）推力减额分数：=0.251对单螺旋桨船，有经验公式：；式中：对流线型舵或反应舵：；对方形舵柱的双板舵：；对单板舵： 。选流线型舵，取k=0.70，得（3）相对旋转效率：=0.98对单螺旋桨船：。取=0.98；（4）轴系传递效率：=0.96对无减速齿轮箱的船：。取=0.96；推进因子结果如表1.2所示：表1.2 推进因子结果表伴流分数 推力减额分数 相对旋转效率 轴系传递效率 0.3590.2510.980.961.1.3 初步匹配设计计算初选MAU型4叶桨，给定螺旋桨直径D=8.31m，其图谱如图1.1所示。螺旋桨直径的匹配计算步骤

6、见表1.3。图1.1 MAU 4-55 图谱表1.3 机、桨初步匹配计算（直径D给定）（MAU 桨）序号名 称代号单位计算公式及来源数 据1螺旋桨直径Dm给 定8.31 8.31 8.31 8.31 2船身效率1.168 1.168 1.168 1.168 3进速kn9.615 9.615 9.615 9.615 4船体有效功率kW给 定6774 6774 6774 6774 5转速nr/min假 定65 70 75 80 6直径系数56.178 60.499 64.821 69.142 7螺距比查图谱，由等值线与最佳效率曲线的交点得到0.806 0.762 0.738 0.725 8敞水效率

7、0.629 0.601 0.579 0.562 9功率系数平方根4.730 5.260 5.640 6.010 10收到功率kW7158.555 9439.618 10869.296 12317.582 11主机功率kW7609.009 10033.608 11553.249 13092.668 12螺旋桨克服的有效推功率kW5261.382 6629.071 7353.664 8088.827 根据上表结果作图。如图1.2所示，以转速n为横坐标，以Pe、p/D、Ps、0及Pte为纵坐标绘制。Pte曲线与Pe曲线的交点（6774kW）即为所求的螺旋桨的最佳转速n0=71.0rpm，作垂线求得主

8、机功率Ps=10338kW，0=0.597，p/D=0.757，Pe=6774kW。下面可根据Ps选取主机型号。图1.2 初步匹配设计结果（选定D，求n与Ps）由公式，可将各种备选机型功率布置区（选型区）、螺旋桨功率特性线画在同一对数坐标中，如图1.3所示，横纵坐标分别为转速、功率的百分比（以MP点为100%）。图1.3 主机功率及转速储备对数坐标图由图1.3中叙述知MP点（即SMCR点），其功率、转速根据Pd点（即转速n，功率Ps）计算：图1.4 MAN公司标准油轮主机选型参考根据表1.1设计航速和载重量，由图1.4知，SMCR功率值为1440016000 kW之间，平均转速为1415rpm

9、，结果非常接近。备选主机型号为5S70MC-C8、6S70MC6、8S60MC6、7S60MC-C7根据选型手册（船用主机选型及系统设计手册，2000年版）知定航速线公式：式中，P螺旋桨所需功率；PSMCR主机功率，13203.1kW；n螺旋桨转速；nSMCR已选的转速，74.0rpm；速度系数，对大于30000DWT的油轮和散货，取0.25；据此式可作本船的等航速线，与备选机型的选型区同时画在对数坐标系中。如图1.5所示，定航速线在均穿过以上四种备选机型的选型区，而落在6S70MC6的选型区内范围最多，且MP点（74rpm，13203.1kW）落在6S70MC6的选型区域中，故基本可以确定选

10、该型号主机。图1.5 四种推荐机型选型区及船舶定航速线对数坐标图1.2 主机经济性及运行特性分析1.2.1 优化点燃油消耗率（SFOC）的计算6S70MC6型主机的L1点（即NMCR，91rpm，16860kW）。故MP点的转速、功率百分比为：现以MP点为优化点（O），在配备定距桨时，计算燃油消耗率：图1.6 SFOC计算图表1.4 SFOC节省量计算表功率点节省SFOC g/kwh实际SFOC g/kwhL10175100% M-117480% M-4.1170.950% M+1.2176.2据图1.6、表1.4，可大致作出配备高效增压器时的燃油节省量随功率的变化图，即图1.7。可知，在79

11、.6%SMCR（10509.7kW）时最省油，SFOC为175-4.2=170.8g/kW·h。图1.7 节省SFOC与功率关系曲线1.2.2 主机运行区域根据6S70MC的Project Guide，可作出主机运行区域图（对数坐标图），如图1.8所示。图1.8 主机运行区域图其中M（MP，即SMCR，亦即优化点O），对应转速、功率为nSMCR，PSMCR；线螺旋桨特性线；线螺旋桨重桨特性；线转速限制线，105%nSMCR；线转矩限制线；线平均有效压力限制线；线螺旋桨轻桨特性线；线功率限制线；线超负荷限制线，110%PSMCR；线海试时速度限制，107%nSMCR。1.3 终结匹配设

12、计1.3.1 船体主尺度表1.5 船舶主尺度表格设计水线长LWL268.602m垂线间长LPP2670m型宽B44.40m型深d24.10m设计吃水（满载）T16.902m方形系数0.818排水量（满载）168965t排水体积164844m3船舶设计航速V15kn载重量146591t1.3.2 主机主要参数表1.6 主机主要参数表主机功率10338kW主机转速N71.0rpm旋向左旋减速比11.3.3 推进因子的确定与1.1.2条的内容完全一致，在此不再赘述。1.3.4 终结匹配设计计算在选定主机后要进行终结匹配设计计算。具体匹配设计计算计算步骤表格化见表1.7。表1.7 机、桨终结匹配计算（

13、MAU桨）序号名 称代号单位计算公式及来源数 据1航速Vkn假 定131415162进速kn8.3338.9749.61510.2563收到功率kW9725.99 9725.99 9725.99 9725.99 4转速nr/min无减速齿轮箱：nN有减速齿轮箱：717171715功率系数6功率系数平方根7螺距比查图谱，由等值线与最佳效率曲线的交点得到40.74 33.85 28.49 24.24 8敞水效率6.38 5.82 5.34 4.92 9直径系数0.6950.7210.7480.7810螺旋桨直径Dm0.5470.5740.5950.61511螺旋桨克服的有效推功率kW73.367.

14、762.958.5图1.9 终结匹配设计结果图1.9中以船速V为横坐标，以Pe、p/D、D、0及Pte为纵坐标绘制。曲线Pte和Pe的交点表示该螺旋桨发出的有效的推力功率等于船所遇到的有效功率6774kW，船将在该点对应的船速上（即V=15.1kn）等速航行。过该点做横轴垂线，由图中交点可得船达到的船速及螺旋桨要素，即：D=8.51m，p/D=0.7501，0=0.596，上述步骤确定的螺旋桨最佳直径在1.1.1条中确定的8.070.60之间，满足设计条件。机桨匹配计算基本完成。2. 缸套水冷却器的设计2.1 淡水冷却水系统由第1章，计算得出“凯福”轮主机的主要参数如下：表2.1 “凯福”轮主

15、机选型参数型号NMCR（L1）SMCR6S70MC91rpm16860kW74rpm（81.3%）13203.1kW（78.3%）根据6S70MC Project Guide，有如下参数：图2.1 6S70MC中央淡水冷却系统参数表由Project Guide内相关经验公式：可计算得相关参数的减额系数：进而求得如下参数，并填入图2.2：图2.2 6S70MC主机淡水冷却系统简图2.2 缸套水冷却器传热面积计算以低温淡水走管程，缸套水走壳程，根据热平衡方程：（2.1）其中，缸套水和低温淡水的主要区别在于防腐剂等少量成分，热物性相差不大，即：将上节中求得的减额系数带入公式，可得：带入热平衡方程（2

16、.1）算得：此外，可根据对数平均温差计算参数P,R：图2.3 <1-2>型换热器的温度修正系数（）值对于先顺后逆的<1-2>型换热器，根据图2.3查得温度修正系数=0.96；此外，清洁系数取0.85，换热系数k估取1000W/(m2·)，则换热面积A为：2.3 采用管壳式换热器2.3.1 初选试算目前我国列管式换热器主要采用Ø25mm×2.5mm和Ø19mm×2mm两种标准，系列标准中管长有1.5m，2m，3m，4.5m，6m和9m六种。这里试选Ø25mm×2.5mm，管长为2m的换热管。 史美中，王

17、中铮 编 热交换器原理与设计 第四版 南京 东南大学出版社 2009.6 单管传热面积：按双管程，即 计算，换热管总数为：如按焊接法，管子呈等边三角形排列，换热管的中心距为：根据经验公式，壳体内径：2.3.2 核算压降（阻力）根据Project Guide中，缸套水冷却器的低温带水侧和缸套水侧的压降均不超过0.2bar，以此为依据对压降进行校核（1）核算管程压降管程阻力包括沿程阻力、回弯阻力和进出口连接管阻力等三部分。沿程阻力管程流速和雷诺数为：取管壁粗糙度，则相对粗糙度：，根据图2.4得莫迪（Moody）圆管摩擦系数，则沿程阻力为：图2.4 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系回弯阻力进出口连

18、接管阻力所以，管程总阻力：满足压降（阻力）要求。（2）壳程核算壳程压降中心线管数如前所述，折流挡板间距，因系三角形排列，管束中心线管数：壳程流动面积：壳程流体摩擦阻力系数流速及雷诺数：因为，故壳程摩擦系数：校正系数：折流挡板漏泄对阻力的校正系数：管子以三角形安装，取校正系数；垢层校正系数：挡板数：所以，壳程压降为：不满足压降要求，应将适当增大挡板间距。重新取折流挡板间距，则重新计算壳程流动面积及以下的内容：壳程流动面积：式中，折流挡板间距取壳程流体摩擦阻力系数流速及雷诺数：因为，故壳程摩擦系数：校正系数：折流挡板漏泄对阻力的校正系数：管子以三角形安装，取校正系数；垢层校正系数：挡板数：所以，壳

19、程压降为：此时满足压降（阻力）要求。至此，完成压降的核算。2.3.3 核算换热面积（1）管程换热系数管程流动面积：管程流速及雷诺数：管程换热系数（给热系数）：>k=1000W/(m2·)，暂时不需要改变管程数，也不需要重新估计换热系数k。（2）壳程换热系数当量直径的计算：壳程流动面积：式中，B为两块折流挡板之间的距离，取0.35m壳程流速及雷诺数壳程换热系数（给热系数）：> k=1000W/(m2·)，需计算总换热系数：（3）总换热系数式中，为管程污垢热阻，为壳程污垢热阻，参照蒸馏水和海水的值取值，均取0.000086 W/(m2·)；（4）换热面积计

20、算所得换热面积：换热器实际换热面积：故，在1.051.25范围内，基本满足换热要求。2.4 采用板式换热器热负荷、冷热流体的进出口温度和流量、对数平均温差均在2.2节求得。2.4.1 初选试算由热平衡方程（2.1），加上20%的裕度得换热面积：根据某厂选型 板式换热器计算手册手册知，水水换热器的换热系数k在10008000之间，则A的取值为12.63101.03m2。根据装机面积，可选BR20、BR35、BR46、BR50、BR65、BR100、这6种板式换热器。（1）初选BR20换热器单片换热面积0.20m2，通道截面积，当量直径，板厚，单片导热系数，装机面积335m2 。假设流速、确定换热

21、系数假设低温淡水流速，缸套水流速，均为单流程。图2.6由图2.5得：计算换热面积在装机面积335m2之内。求板片数、流道数板片数：，流道数：，缸套水侧取，低温淡水侧取。计算实际流速；图2.5 BR20型板式换热器K-W曲线2.4.2 核算换热系数及热负荷流体物性参数及准则数由（2.1）节，流体的物性参数：计算实际的k值两侧流体的传热系数：实际换热系数：实际热负荷：效率：，满足换热要求，但效率不高。2.4.3 核算压降（阻力）计算准则数计算压降超过压降要求，不能选用该种换热器。2.4.4 初选BR35换热器表2.2 BR35型换热器计算表步骤结果假设流速淡水流速，缸套水流速，均为单流程确定换热系

22、数由图2.6，计算换热面积在装机面积1050m2之内板片数流道数缸套水侧取，低温淡水侧取实际流速准则数计算两侧流体的传热系数实际换热系数实际热负荷热效率，满足换热要求Eu准则数计算压降实际上，根据该手册，流速和压降之间有一经验曲线，根据图2.7，实际流速对应的压降（阻力）为，超过压降要求。故可算出实际流速后，初步地判断压降。图2.6 BR35型板式换热器K-W曲线图2.7 BR35型板式换热器-W曲线2.4.5 初选BR46换热器单片换热面积0.46m2，通道截面积，装机面积1070m2 。假设流速、确定换热系数假设低温淡水流速，缸套水流速，均为单流程。由图2.8得：计算换热面积求板片数、流道数板片数：，流道数：，缸套水侧取，低温淡水侧取。计算实际流速；初步核算压降如图2.9，均超过允许值，不选此换热器。图2.8 BR46型板式换热器K-W曲线图2.9 BR46型板式换热器-W曲线2.4.6 初选BR50换热器单片换热面积0.50m2，通道截面积，装机面积2070m2 。假设流速、确定换热系数假设低温淡水流速，缸套水流速，均为单流程。由图2.10得：计算换热面积考虑20%的裕量，求板片数、