之前利用“世界最大柴油机”的”名号“,写了一系列普及船舶知识的文章,本以为船舶是个冷门领域,结果没想到几乎每一篇都“火”了,在这里非常感谢广大读者们的支持,这也更加坚定了我的创作的信心了。到今天,我已经完成了“船舶柴油机如何启动”、“船舶轴系基本直径计算”、“船舶螺旋桨轴和桨如何连接”、“船舶燃油系统(重油)”、“世界最大柴油机油耗计算”、”船舶螺旋桨连接处如何防水“等相关文章。往后我还会持续更新,争取让大家看到更多的船舶相关知识的文章,并且坚持”不掺水“,”不糊弄“,写有质量的精品文章。
今天我要讲世界最大柴油机为何转速这么低的问题。因为之前的文章一直有网友质疑:世界最大柴油机转速为何只有102转,甚至有网友说:低于2200转的都不能叫柴油机。
网友质疑
咱们还是老规矩先有请我们今天的主角上场了,由芬兰的瓦锡兰公司设计生产的,型号为RT-flex96C.船用柴油机。RT-flex96C是一款采用直列14缸设计的柴油发动机,接近10.9万匹马力(80056.2Kw),长27.3米,高13.5米,装机总重2446吨(净重2300吨),转速102转/分,使用重油,热效率达到50%。
RT-flex96C船用柴油机
通过RT-flex96C柴油机的参数我们发现,转速真的是102转/分,这个转速相信一定会颠覆一些人对柴油机的认识。因为就拿我们小时候农村最常见的手扶拖拉机为列,小小的单缸柴油机,额定转速基本上都在2000转以上了。
手扶拖拉机
而在我们生活中能接触的大一点柴油机,比如重卡用的柴油机,他们的转速就已经算很低的了,它们的额定转速也基本上在1800~2200之间。而小车的就更高了基本上在3000转以上了。这也就很好理解为什么有网友或说:低于2200转的不能叫柴油机了。
重卡用的发动机
不过在这里我要告诉这位网友,低于2200转的它还是叫柴油机。在我们船舶领域,高于1000转的就算高速柴油机,低于300转的才叫低速机,至于为什么要把船舶柴油机转速设计成那么低,也是有它的原因的,这也正是我们今天要讲的重点。
船舶
要解开世界最大柴油机为什么每分钟只有102转这个问题,我们要从两个方面入手,第一个就是柴油机作为船舶主机和船舶推进的适配性;第二个就是柴油机其本身的问题。
关于和船舶推进的适配性问题。一般来说像”RT-flex96C“这样柴油机,都是装备在如下图这样的超大型集装箱上,这类船舶都是采用螺旋桨推进。
“艾玛·马士基号”集装箱船
在我们船舶领域有个共同的认知就是:输出功率一定时,船舶的螺旋桨直径越大,转速越低,效率越高。这就意味着在不降低主机功率的同时,降低主机转速就是提高船舶的推进效率。据研究表明:柴油机转速每降1%,可提高推进效率0.25%~0.30%,这个收益是非常大的。
船舶螺旋桨
可能有人会提到可以利用齿轮箱减速,其实这个在中小型船舶是普遍采用的方法,但是在大型船舶领域,就不太适用了。而不适用的主要的原因有以下几点:
第一点,对于小型船舶来说,主机功率并不大,去设计制造这样的齿轮箱难度并不大,造价也不高;而要设计制造出能匹配”RT-flex96C“这样的柴油机的齿轮箱,难度就非常大的,就算能造出来,价格也是相当昂贵的(我之前参与过一条2000Kw主机的船,它的”ZF减速齿轮箱“价格就高达100万左右,而这个10万马力的价格又该是多少?)。
齿轮箱
第二点,在船舶的轴系中设置设置齿轮箱,那么又要在柴油机和齿轮箱中间设置高弹,这样一来推进系统就变得复杂起来了,可靠性就降低了。
采用中速机加减速齿轮箱加变距桨的动力系统结构复杂
第三点,再好的齿轮箱也有传动损失,虽说齿轮箱的传动效率很高能达到95%以上,好的能达到98%~99.5%。咱们就以98%传动效率为列,它有2%的机械损失,这个机械损失对于小船来说确实不算什么,但是对于功率高达10万马力的RT-flex96C柴油机来说,它就要损失2000马力,想象整个航程下来,又要多消耗多少燃油啊!
齿轮箱内部构造
所以把柴油机设计转速降低,省去齿轮箱等中间传动环节,能大大简化轴系,提高传动效率,提高可靠性,并且能更好的适配船舶推进器的特性。
同时在降低柴油机的设计转速后,能改善柴油机本身的一些问题,大大提高了柴油机的性能。
第一个问题就是:降低了柴油机转速后,意味着拥有更长的换气时间,能提高换气质量;也拥有了更长的燃烧时间,提高燃烧效率,所以现在的大型低速机热效率能达到50%~55%(一般汽车发动机为25%-30%)
汽车发动机
第二个问题就是:柴油机属于往复机械。其实柴油机的活塞在气缸中并不是做匀速运动,柴油机的活塞一直在气缸中,一直做着:加速——减速的往复运动。
四冲程柴油机的原理
我们知道每个物体都存在惯性,而惯性和质量有关,对于大型低速机来说,活塞直径能达到900mm以上,这样一个直径近一米的活塞质量是相当大的,而对于这么大一个质量的活塞在气缸中做着加减速的往复运动,势必会有一个”惯性力“的产生(惯性力是指当物体有加速度时,物体具有的惯性会使物体有保持原有运动状态的倾向)。而当柴油机冲程一定时,转速越高,就意味着活塞的加速度越大,加之活塞本身巨大质量,那么这个”惯性力“就一定会很大,而柴油机要克服这个”惯性力“就需要消耗相当大的能量,同时这个”惯性力“也考验着连杆、曲轴的强度,所以一般柴油机越大,转速就越低。
大型低速机的活塞连杆非常巨大
第三个问题就是:柴油机降低了转速,也减少了运动部件的摩擦,提高了机械的使用寿命。你想想,同样的运动部件,一个一分钟磨100下,一个一分钟磨3000下,那个寿命会更长?
所以综合上述好处,世界最大柴油机每分钟102转是非常合理的,并且还有朝着越来越低的方向发展着。就拿我国制造的世界最大缸径柴油机“8K98MC”为列,它的额定转速就低于100了,到了94r/min,而11S90ME船用柴油机的转速更是低至84r/min。当然还有转速更低的柴油机,这里就不多讲了。
11S90ME船用柴油机的曲轴总长21.56米,重426吨
当然柴油机的转速也不是越小越好,转速低了以后会带来柴油机,质量、体积变大的问题,以及单位质量功率比变小的问题,所以柴油机转速的设计更多的还是要看其用途,总之,转速高有转速高的好,转速低也有转速低的好。
申明:本文部分图片来源网络,如有侵权请联系删除。
作者:小船人的梦想 2018年9月1号