船舶动力

船舶动力（精选十篇）

船舶动力 篇1

关键词：船舶,动力系统,发展趋势

船舶动力系统是船舶的核心设备,主要由主机、传动系统和推进系统三部分构成。主机包括蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机等;传动系统包括齿轮箱、联轴节、轴系、离合器等;推进器包括螺旋桨、侧向推进器、全向推进器等,船舶动力系统的价值为所有设备成本的35%,就船舶总价而言,动力系统约占20%。此外,动力系统具有双重特点,即军民通用性、船陆通用性。因此,船舶动力系统的发展已经成为了全球造船业关注的重点,也是世界主要造船国家竞争的关键。相对来说,混合动力系统能够满足船舶在较短时间内出现多变工况时对与大推力输出的要求,同时也能够降低船舶耗油量及废气排放量,从而降低船舶的营运成本。

1 混合动力系统的组成

混合动力系统主要包括两大部分构成,结构框图如下所示(图1)。机械推进部分主要包括高弹性联轴节、主柴油机、轴系、减速齿轮箱、螺旋桨构成;电力推进部分主要包括发电机组、变频器、轴带电机、配电板、控制和监测等构成。机械推进部分和电力推进部分由减速齿轮箱连接为一整体。

1.1 系统硬件配置

船推进的主动力来源由柴油机提供。在力的传动过程中,轴头两端各个方向的位移由万向联轴节来补偿,并且使传动过程中产生的振动得到充分吸收,自然也就降低了噪声的产生,同时,万向联轴节的使用还有利于延长主发动机、变速箱及轴系的使用寿命。减速箱采用一轴输入、两轴输出或两轴输入、一轴输出形式。船上所用电能由联接变速箱的发电机提供,并由配电板对其进行合理分配,同时还可对各种用电设备的电源进行控制、切换及过载保护。变频器用来稳定输入和输出电压及电流的输出频率。轴带电机的工作模式可分为两种,一种是可用以提供动力的电动机,另一种是用来提供电能的发电机。经过减速后传到螺旋桨的扭矩转化为船前进的动力。监控系统是建立于以太网及CAN现场总线的基础之上,对混合动力设备、辅助设施的工作状态进行数据采集、计算及处理,从而实现了对上述设备的时时监测、控制及报警。

系统硬件配置使得提供主动力的柴油机及提供电力的发电机组的选型较小,从而降低了船体的自重,增加了船舱的可供使用空间;另一方面具有可供选择的多种工作模式,从而提高了船舶运行的安全系数及经济效益。

1.2 系统软件配置

混合动力监测控制系统的软件由软件LABVIEW编制,其表现形式多以图形展示,提高了软件的可视性及系统的可操作性。通过对混合动力监测控制系统不同模式的控制及操作,操船员能够时刻清楚的了解到机舱柴油机及发电机组等设备的工作状态,从而大大提高了船舶运行的安全性。

2 混合动力系统工作模式

2.1 柴油机推进系统

活塞往复式柴油机,是热效率最高的一种热机,具有启动迅速、部分负荷运转性能好、安全可靠、功率范围大、效率高、技术成熟等优点,而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便携性等优点。船舶主机和船舶电站多采用柴油机。自上世纪60年代起,柴油机全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机,成为最主要的船舶动力。根据二冲程柴油机和四冲程柴油机做主机不同,柴油机动力系统又分为柴油机直接驱动和柴油机齿轮传动。柴油机直接驱动就是由二冲程柴油机直接驱动螺旋桨的推进方式,它主要由低速柴油机、轴系和螺旋桨组成,主要应用在大中型远洋运输船舶上。柴油机齿轮传动就是由四冲程柴油机经过齿轮箱降速,再驱动轴系和螺旋桨的推进形式,它主要由中速柴油机(单机驱动或多机驱动)、齿轮箱、轴系和螺旋桨(可调距螺旋桨)组成,主要应用在中小型货船、客船、滚装船、豪华游船、海洋工程辅助船和军船上。目前以柴油机为动力的船舶占世界商船队的95%以上,其中,柴油机直接驱动占55%,柴油机齿轮传动占39%。此外,柴油机还是船舶燃气轮机推进系统和电力推进系统的主要设备。

柴油机作为供给船舶推进动力的主要动力来源,其中速柴油机及低速柴油机在将来的发展趋势为:越来越大的单缸及单机的输出功率;高输出、低排放、低污染的工作效率;柴油机的工作形式越来越趋于智能化,并具有高综合经济效益。

2.2 电力推进系统

船舶采用的电力推进系统是指由电动机提供的扭矩,通过机械传动至螺旋桨并将扭矩转化为向前的推动力。其构成主要包括:电动机、发电机、原动机、配电系统、螺旋桨(推进器)及调节控制辅助设施等。目前,大部分船舶电力推进系统的动力来源一般采用高速或中速柴油机及少数的燃气轮机。根据不同的动力来源可将电力推进系统划分为燃气轮机式电力推进系统及柴油机式电力推进系统;根据不同的电源形式可划分为交流电力推进系统、直流电力推进系统及交直流电力推进系统;根据电动机不同的布置形式可划分为吊舱式及机舱式。电力推进系统拥有安全性能高、可操纵性强、布置方便、舒适、环保、经济等特点。早在20世纪末,船舶的推进形式就采取了电力推进系统,电力推进系统主要应用于军船领域、渡船、豪华游船、海洋工程船舶等领域。就目前来讲,电力推进系统的原动力多由柴油机提供,多应用于比例较小的船舶,并且大部分为小型船舶,然而电力推进系统的发展前景还是比较广阔的。

2.3 混合动力推进模式

混合动力推进是由电动组及主柴油机同时作用于齿轮减速箱的输入轴来实现联合动作。此时,轴带电机的工作模式为电动机,为船舶提供辅助推力。因此,在对主柴油机进行选型时要优先选用小功率型号的柴油机,以降低燃油的消耗量,节省机舱内的空间,从而提高其经济效益及使用性。在传统的设计方案中,由于没有采用变频器,即便是将电动组及主柴油机同时联接在齿轮减速箱的输入轴也不能保证二者的稳定并车,即使实现并车也不能时时合理分配柴油机及轴带电动机的输出功率。固不能实现柴油机及轴带电动机的稳定并车,选用小型号柴油机也就不能保证其不过载运行。

3 冷却水系统

现代柴油机船舶动力装置普遍采用中央冷却系统,对主柴油机和其他辅助设备进行冷却以保证装置安全可靠地工作。一个良好的中央冷却系统其设计应能满足下列基本要求:首先,船舶主柴油机、辅助柴油机和各种被冷却设备放出的热量必须能顺利地传递给舷外海水。在中央冷却系统中,通常是由一个高温冷却回路对主柴油机进行冷却,其余设备由一个低温冷却回路来冷却;增压空气的冷却要满足两方面的要求:即在高负荷工况下对增压空气进行充分的冷却,保证气缸进气量,以改善柴油机的动力性和经济性;在部分负荷工况下,要适当提高进入柴油机的空气温度,以改善部分负荷下缸内的燃烧和柴油机热状态。其次,应根据柴油机的负荷大小对冷却气缸套和气缸盖的高温冷却回路中的冷却水流量和温度进行有效的控制,防止在低负荷下过度冷却,以限制燃烧室部件的热负荷和防止气缸套的低温硫酸腐蚀,并保持柴油机冷却水出口温度不变(在现代柴油机中该温度一般为85℃)。第三,冷却系统的控制系统应保证在全负荷工作范围内可靠地控制,减小冷却系统中的温度波动。第四,系统设计应简单、可靠,减少管路和阀件,简化和减少控制系统,以达到减少故障、提高安全可靠性的目的。

4 结语

目前,全球范围内,在船舶动力系统的设计及研发领域,西方及日本等发达国家仍处于领先地位,这此国家同时还垄断了燃气轮机、锅炉、蒸汽轮机及电力推进装置的先进技术。而大比例采用柴油机推进的船舶动力系统的生产企业多属中、日、韩三国。

混合动力模式已经在大型的拖轮船、运输船等船舶上得到了实现。在约束条件下及有限空间内,通过对合理的选型和结构设计,提供了系统的解决方案。从而实现了系统的可靠性、机桨匹配的合理性及系统协调性,降低了运行过程中产生的振动及噪声,进而有效的提高了船舶的可靠性及灵活性。

随着越来越多的太阳能、风能、核能、生物质能、氢能及混合能源等新能源的广泛应用及发展,将新能源应用于船舶动力系统的优势越来越显著,如环保、节能、高经济效益等。并且新能源在船舶交通运输领域的应用也得到了飞速的发展,其发展前景也被越来越多的人所看好。

参考文献

[1]沈锦康,陈伟忠.混合动力在深海作业多用途工作船上的前景展望[J].江苏船舶,2010,(04).

[2]栾胜利.船舶电力推进技术的发展[J].船电技术,2009,(04).

[3]辛春安,蒋德志.基于现代混合推进技术的船舶节能[J].青岛远洋船员学院学报,2006,(02).

[4]刘昌盛,张大庆,蒋苹,谭青.工程机械混合动力技术的发展与应用[J].建筑机械,2009,(09).

第一章 船舶动力装置概述 篇2

船舶动力装置的组成、类型和发展

一、船舶动力装置的组成

现在的船舶动力装置主要由推进装置、辅助装置、管路系统、甲板机械、防污染设备和自动化设备等六部分组成。1．推进装置

推进装置是指发出一定功率、经传动设备和轴系带动螺旋桨，推动船舶并保证一定航速航行的设备。它是船舶动力装置中最重要的组成部分，包括：（1）主机。主机是指提供推动船舶航行动力的机械。如柴油机、汽轮机、燃气轮机等。

（2）传动设备。传动设备的功用是隔开或接通主机传递给传动轴和推进器的功率；同时还可使后者达到减速、反向或减振的目的。其设备包括离合器、减速齿轮箱和联轴器等。

（3）轴系。轴系是用来将主机的功率传递给推进器。它包括传动轴、轴承和密封件等。

（4）推进器。推进器是能量转换设备，它是将主机发出的能量转换成船舶推力的设备。它包括螺旋桨、喷水推进器、电磁推进器等。2．辅助装置

辅助装置是指提供除推进船舶运动所需能量以外，用以保证船舶航行和生活需要的其他各种能量的设备。主要包括：（1）船舶电站。（2）辅锅炉装置。（3）压缩空气系统。3．管路系统

管路系统是用来连接各种机械设备，并输送相关流体的管系。由各种阀件、管路、泵、滤器、热交换器等组成，它包括：

（1）动力系统。为推进装置和辅助装置服务的管路系统。主要包括燃油系统、滑油系统、海淡水冷却系统、蒸汽系统和压缩空气系统等。

（2）辅助系统。为船舶平衡、稳性、人员生活和安全服务的管路系统。主要包括压载系统、舱底水系统、消防系统、日用海/淡水系统、通风系统、空调系统和冷藏系统等。4．甲板机械 为保证船舶航向、停泊、装卸货物所设置的机械设备。它主要包括：舵机、锚机、绞缆机、起货机、开/管舱盖机械、吊艇机及舷梯升降机等。5．防污染设备

用来处理船上的含油污水、生活污水、油泥及各种垃圾的设备。它包括油水分离装置（附设有排油监控设备）、生活污水处理装置及焚烧炉等。6．自动化设备

为改善船员工作条件、减轻劳动强度和维护工作量、提高工作效率以及减少人为操作失误所设置的设备。主要包括：遥控、自动调节、监控、报警和参数自动打印等设备。

二、船舶动力装置的类型 1．蒸汽动力装置

根据运动方式的不同，蒸汽动力装置有往复式蒸汽机和汽轮机两种。汽轮机推进装置的优点：

（1）由于汽轮机工作过程的连续性有利于采用高速工质和高转速的工作轮，因此单机功率比活塞式发动机大。

（2）汽轮机叶轮转速稳定，无周期性扰动力，因此机组振动小、噪声低。（3）磨损部件少，工作可靠性大。

（4）可使用劣质燃油，滑油消耗率也很低。汽轮机推进装置的缺点：（1）装置的总重量、尺寸大。

（2）燃油消耗大，装置效率较低，额定经济性仅为柴油机装置的1/2-2/3；在相同的燃油储备的情况下续航力降低。（3）机动性差，备车时间长。2．燃气动力装置

在燃气动力装置中，根据发动机运动方式的不同，有柴油机动力装置和燃气轮机动力装置两种。1）柴油机动力装置

柴油机动力装置具有如下优点：（1）具有较高的经济性。（2）重量轻。

（3）具有良好的机动性，操作简单、启动方便、正倒车迅速。柴油机动力装置也存在如下缺点：

（1）由于柴油机的尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到限制。（2）工作时噪声和振动较大。

（3）中、高速柴油机的运转部件磨损较严重。

（4）传统的柴油机在低速时稳定性差，因此不能有较低的最低稳定转速，影响船舶的低速航行性能。另外，柴油机的过载能力也较差。2）燃气轮机动力装置

燃气轮机动力装置有如下优点：

（1）单位功率的重量尺寸较小，机组功率也较大。

（2）良好的机动性，从冷态起动至全负荷时间仅需几分钟的时间。燃气轮机动力装置也有如下缺点：

（1）燃气轮机自身不能反转，如果作为主机，倒车时必须设置专门的变向设备。

（2）必须借助于电机或其他起动机械起动。

（3）由于燃气的高温作用，使叶片工作可靠性较差，寿命短。

（4）由于燃气轮机工作时空气流量大，因此进、排气管道尺寸较大，舱内布置困难，甲班上有较大的管道通过切口，影响船体强度。（5）燃油消耗率较高。3．核动力装置

核动力装置是以原子核的裂变反应所产生的巨大能量，通过工质（蒸汽或燃气）推动汽轮机或燃气轮机工作的一种装置。核动力装置有如下优点：

（1）核动力装置以少量的核燃料能释放出巨大的能量，这就可以保证船舶以较高的航速航行很远的距离。

（2）核动力装置在限定的舱室空间内所能供给的能量，比一般其他型式的动力装置要大很多。

（3）核动力装置的最大特点是不消耗空气而获得能量，这就不需要进、排气装置。

核动力装置的缺点：

（1）核动力装置的重量、尺寸较大。

（2）核动力装置的操纵管理、检查系统比较复杂。（3）核动力装置的造价昂贵。

三、柴油机动力装置发展趋势及管理重心的变化 1．船舶动力装置发展的趋势

1）柴油机动力装置继续占主导地位，并在不断发展（1）大型低速机向两极发展，即开发多缸、大缸径和少缸、小缸径的机型，以适应大型、超大型船舶和小型船舶。

（2）大功率中速柴油机仍然是大型客船、滚装客船、滚装船的推进动力装置的首选。

（3）船舶柴油机的控制技术向电子化、智能化方向发展。（4）双燃料发动机用于特种船舶推进装置的前景可观。

LNG船的动力装置基本上是蒸汽轮机，蒸汽轮机输出功率大、排出废气少、维护量少、可靠性高，但是蒸汽轮机的热效率低、燃油消耗率高。近年来，各种替代方案应运而生，例如天然气—燃油的双燃料二冲程和四冲程发动机的诞生等。与常规动力装置相比，双燃料发动机最大限度地利用了气体燃料，大大降低了燃油消耗（节约燃料20％～30％），同时，双燃料发动机的NOX排放量只相当于普通柴油机的1/10，,CO2的排放也相当低。双燃料发动机是LNG船主机的首选。目前主要机型有瓦锡兰公司生产的Wartsila的DF系列双燃料发动机、MAN B&W公司生产的ME-GI及四冲程双燃料发动机。随着人们对不污染海洋环境和大气的“绿色船舶”的期望，世界上众多的科研部门正在努力，以期减少柴油机动力装置的排放污染。

2）大型豪华旅游船的建造促进了电力推进系统的发展。

电力推进系统是通过电子变频技术，采用简单的交流电动机带动定螺距螺旋桨，根据需要从零到满负荷自由选择转速，以满足机动性和操纵性的要求。电力推进系统的优点：

①可省去中间轴及轴承，机舱布置灵活。

②可选用中高速柴油机，可使螺旋桨的转速得到均匀、大范围的调节。③倒车功率大，操纵容易，倒航迅速，船舶机动性提高。④主电机对外界负荷变化适应性好，甚至可短时堵转。3）高速船的发展为燃气轮机动力装置带来了生机。

由于燃气机在单位功率重量和尺寸方面的优势，加上其优良的加速性能、可靠性、振动小和低的NOX排放量等优点，被高速客船等采用。与柴油机相比，燃气轮机的不足之处主要是其较低的经济性。因此在作为推进动力时经常配备柴油机，而利用燃气轮机具有良好的起动性能用于加速工况，配上柴油机组成联合动力装置克服低工况油耗高的缺点，是高速船较合适的动力装置。实践表明燃气轮机机组可靠性达99.5％，热效率已达39％，加上其特有的NOX排放量低的优势，因此特别适合渡轮的使用要求。

4）推进装置一改以往单一供货方式而成套供货方式发展。5）环境保护要求更安全、更低排放的船舶动力装置。（1）安全要求动力装置的冗裕配置。

除将化学品船、液化气体船、油船等设计成双壳船体，还应采用冗裕配置推进装置及舵系，或设置应急动力装置，可保证主推进一旦失效，船舶仍能在恶劣海况下以6kn航速前进。最常见的方式是轴带发电机，当需要时主机与齿轮箱脱开，轴带发电机转为电动机，以发电机的电力带动螺旋桨实现船舶应急推进。更进一步的发展，是双套主推进系统。（2）低排放的船舶动力装置

人类对保护环境质量要求的日益严格，使船用柴油机废气排放对大气污染的影响亦受到了密切的关注。根据《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ对功率大于130KW的柴油机NOX的排放的规定，现今的智能柴油机通过控制燃烧，能够满足低排放和经济性的要求，此外，燃烧良好还可减少颗粒物排放。在低排放方面，电力推进及燃气轮机更具有优势。2．轮机管理重心的变化

由于船舶自动化程度大幅度提高，计算机技术迅速发展，与20世纪的船舶相比较，轮机管理工作的重心发生了根本性的改变，因此，对轮机管理人员提出了更高的要求，其重点体现在以下几个方面：

（1）对轮机设备的检修方面。由于对船舶设备的工况检测仪器、仪表、故障诊断方法的日益完善，设备的维护、检修将从定时、定期模式向视情模式发展。（2）对船机设备的使用方面。由于船机设备的自动控制、自动故障监测的广泛使用，设备的使用管理已由传统的“管机为主”、“管电为辅”向“机电综合管理”方向发展。

（3）对轮机人员的业务要求方面。要求轮机人员不但有精湛的船机方面的知识，还要加强掌握船电方面专业知识和自动化方面的知识，这对于在现代化船舶上担任轮机管理工作的轮机人员显得尤为重要。

（4）对轮机人员的业务培训方面。要加强轮机人员的业务培训工作，使轮机人员尽快掌握和更新机电一体化方面的新技术和相关知识。

（5）对机电设备故障远程诊断方面。要加强专家故障诊断系统的建设和完善。（6）对机舱的资源更要加强管理。包括人力资源和设备等，使得机舱的资源能够充分发挥各自应有的作用。

第二节

一、对动力装置的要求

船舶动力装置的要求及性能指标

对船舶动力装置的要求，主要包括可靠性、经济性、机动性、重量和尺度、续航力、生命力等相关指标。1．可靠性

影响可靠性的因素主要有三个方面：设计制造（包括修复）的质量、安装工艺的水平、使用管理技术能力。使用管理技术能力对可靠性的影响表现在：严格按照造船规范建造是取得可靠性的先决条件；备件的数量和保管是提高可靠性的有力保障；管理人员的业务能力是影响可靠性的重要因素。2．经济性

船舶在营运中，船舶动力装置的维护费用占船舶总费用的比例很大，现在已超过50％。为了提高船舶的营运效益，必须尽量提高动力装置的经济性。3．机动性

机动性是指改变船舶运行状态的灵敏性，它是船舶安全航行的重要保证。船舶起动、变速、倒航和回转性能是船舶机动性能的主要体现，而机动性取决于动力装置的机动性，动力装置的机动性由以下几个指标来体现。（1）起航时间

从接到起航命令开始，经过暖机、备车和冲试车，使发动机达到随时可用状态的时间。这段时间越短的船舶其机动性越好。（2）发动机由起动开始至达到全功率的时间

这是加速性能的指标，这段时间的长短主要取决于发动机的型式、船体形状、螺旋桨形式、吃水及外界阻力大小等因素。影响发动机加速的因素是它的运动部件的质量惯性和受热部件的热惯性，热惯性更为突出，中速机优于低速机。船舶本身的阻力大小对发动机的加速性能也有很大的影响，由于调距桨对外界条件有很好的适应性，它的加速性能明显好于定距桨。（3）发动机换向时间和可能的换向次数

发动机换向所需的时间是指主机在最低稳定转速时，由发出换向指令到主机以相反方向开始工作所需的时间。换向时间越短，发动机的机动性越好。主机换向时间不得大于15s。

（4）船舶由全速前进变为倒航所需时间（滑行距离）

这是体现主机紧急倒车性能的指标。由于船舶惯性大，由全速前进变为后退所需的时间，总是大大超过发动机换向所需的时间。船舶开始倒航前滑行的距离主要取决于船舶的装载量、航速、主机的起动换向性能、空气瓶空气压力和主机倒车功率。

（5）发动机的最低稳定转速和转速禁区

在多缸柴油机中，由于各缸喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件的间隙和喷孔孔径间的差别，以及一般油量调节杆安装间隙的不同，使得船用主柴油机在低转速（低负荷）运转时，各缸供油量显著不均。严重时个别缸不能发火而使转速不稳，甚至自动停车。因而船用主柴油机都有一个使各缸都能够均匀发火的最低转速，称最低（工作）稳定转速。

船用主柴油机（尤其是直接驱动螺旋桨的主柴油机）的最低稳定转速直接影响船舶微速航行性能。一般低速柴油机的最低稳定转速不高于标定转速的30%，中速机不高于40%，高速机不高于45%。在主机使用转速范围内如果存在引起船舶或轴系共振的临界转速，则应规定为转速禁区，并以红色在主机转速表上标示。在主机使用转速范围内，转速禁区越窄越好。4．重量和尺度 5．续航力

续航力是指船舶在加足航行所需物资（燃油、滑油、淡水等，主要指燃油）后所能航行的最大距离或最长时间。它是根据船舶的用途和航区确定的。续航力不但和动力装置的经济性、物资储备量有关，也和航速有很大关系。6．生命力

生命力是指船舶在船机发生故障的情况下最大限度地维持工作的能力。

二、船舶动力装置的基本性能指标

动力装置的基本特性指标是指技术指标、经济指标和性能指标。这些指标是我们对船舶进行选型、设计和判断性能优劣的重要依据。1．船舶动力装置的技术指标

技术指标指标识动装置的技术性能和结构特性的参数。它主要指下列几个指标：

1）功率指标

功率指标表示船舶做功的能力。为了保证船舶具有一定的航速，就要求推进装置提供足够的功率。动力装置的功率是按船舶的最大航速确定的。在船舶以一定的航速前进时，螺旋桨产生的推力，必须克服船体对水和风的阻力，这些阻力取决于船舶线型、尺寸、航行速度，以及风浪大小和航道深浅等。（1）船舶有效功率PR 船舶有效功率PR指推进船舶航行所需功率。运行阻力R(N)，船舶的航行速度vs（m/s），则有效功率

PR= R×vs×1/1000 KW PR常称为拖曳功率，可以从船模或实船的静水试验中得出。阻力R，相当于速度vs拖动船模（或实船）时绳索上的拖曳力。

（2）主机的输出功率

主机的输出功率即主机的制动功率或主机的有效功率。如果考虑了推进轴系的传动损失，主机的供给功率实际上就是主机的额定功率。

新船设计时，估算船舶的有效功率PR可用“海军常数法”进行估算。（3）相对功率

相对功率就是对应于船舶每吨排水量所需的主机有效功率。

Pr= Pe/ D kW/t D—船舶排水量，t 2）重量指标

（1）主机的单位重量gm

主机的单位重量gm是指主机单位有效功率的重量，即

gm= Gm/ Pe kg/kW 式中，Gm—主机重量，kg；Pe——主机有效功率，kW（2）动力装置的单位重量gz

动力装置的单位重量gz是指主机单位有效功率所需动力装置的重量，即

gz= Gz/ Pe kg/kW 式中，Gz—主机重量，kg；Pe——主机有效功率，kW（3）主机的相对重量am

主机的相对重量am是指主机重量Gm与船舶排水量D之比，即

am= Gm/ D kg/t 式中，Gm—主机重量，kg； D—船舶满载排水量，t（4）动力装置的相对重量az

动力装置的相对重量az是指动力装置重量Gz与船舶满载排水量D之比，即

az= Gz/ D kg/t 式中，Gz—主机重量，kg； D—船舶满载排水量，t 3）尺寸指标

对于不同船舶，机舱尺寸要求也不统一，为了表征机舱的面积和容积利用率，特引用面积饱和度和容积饱和度两个指标。（1）面积饱和度Ks： 面积饱和度是指每平方米机舱面积所分配的主机有效功率，即

Ks= Pe/ S kW/㎡

式中，Pe—主机有效功率，kW； S—机舱所占的面积，㎡（2）容积饱和度Kv：

容积饱和度是指每立方米机舱容积所分配的主机有效功率，即

Kv= Pe/ V kW/m3

式中，Pe—主机有效功率，kW； V—机舱所占的容积，m3 2．船舶动力装置的经济性指标

船舶动力装置的经济指标常用六个指标表示。1）动力装置的总效率

动力装置的总效率主要由推进装置的热效率、柴油发电机组的热效率和燃油锅炉的热效率组成。（1）推进装置的热效率

推进装置的热效率是指推进装置所产生的有效功的热当量与主机所消耗热量之比。

（2）柴油发电机组的热效率

柴油发电机组的热效率是指柴油发电机组电功率的热当量与其所消耗热量之比。

（3）燃油辅助锅炉的热效率

燃油辅助锅炉的热效率是指燃油辅助功率有效利用的热量与其 所消耗热量之比。

2）柴油机的燃油消耗率ge

柴油机的燃油消耗率是指在单位时间内柴油机额定功率所消耗的燃油量，即

ge=Ge/Pe kg/(kW.h)式中，Ge——柴油机每小时燃油消耗量，kg/h;Pe——主机有效功率，kW 3）船舶主机日耗油量Ge

船舶主机日耗油量是指主机在24h内的燃油消耗量 4）船舶日耗油量GD

船舶日耗油量是指每24h全船主机、辅机、辅助锅炉的所消耗的燃油总量。5）船舶每海里燃油消耗率gn

船舶每海里燃油消耗量指船舶航行每海里所消耗的燃油总量，即

gn= GT / vs = GTe+ GTg + GTb + GTo / vs t/n mile GT——船舶每小时燃油消耗量，t/h；vs——航速；GTe、GTg、GTb、GTo——分别表示主机、发电柴油机、燃油辅助锅炉及焚烧炉等其他耗油设备每小时的耗油量，Kg/h 一般情况下GTg、GTb、GTo与航速无关。

主机每海里燃油消耗gTe = Pe.ge/ vs kg/n mile gTe既与ge有关又与vs有关。这项经济指标与船舶营运管理水平和轮机管理水平密切相关。图1-2为主机燃料消耗率和每海里航程船舶燃料消耗量随船速变化的关系图。当船舶处于慢速航行时，虽然主机燃油消耗率ge较高，但船舶每海里燃油消耗率gn较低；随着船速的增加，虽然ge有所降低，但gn却明显增加。图中gn的最小值所对应的航速称为节能航速。

图1-2 燃料消耗随航速变化关系图

ge——燃油消耗率（红线）；gn——每海里燃油消耗率（蓝线）

6）船舶经济航速

经济航速是指船舶营运时取得某种经济效果的航速，常用的经济航速有以下几种：节能航速、最低营运费用航速和最大盈利航速。（1）节能航速

节能航速是指每小时燃油消耗量最低时的静水航速，它常由主机按推进特性运行时能维持正常工作的最低稳定转速所决定。营运船舶在实现减速航行时，主机所输出的功率大大减少，其每海里燃油消耗率大幅度降低。但航速降低后，营运时间被延长，运输的周转量也少了，故当船舶须实现减速航行时，尚应结合企业的货源、运力及完成运输周转量的情况综合考虑后再决策。（2）最低营运费用航速 船舶航行1天的费用，主要由其固定费用（折旧费、修理费、船员工资、港口驶费、管理费、利息、税金以及船舶停泊期间燃、润油费等）和船舶航行时燃、润油费用构成。最低营运费用航速是指船舶每航行1n mile上述固定费用及航行费用最低时的航速，可供船舶及其动力装置的性能评价及选型用。在满足完成运输周转量的前提下，船舶按最低营运费用航行，其成本费最省，但它并未考虑停港时间及营运收入的影响，故不够全面。（3）最大盈利航速

最大盈利航速是指指每天（或船舶在营运期间）能获得最大利益的航速。此航速的大小，往往与每海里（或公里）运费收入、停港天数及船舶每天付出的固定费用有关。一般在运费收入低、停港时间长、运距短、油价高的情况下，其最大盈利航速相对较小。

第三节 船舶动力装置的可靠性

一．船舶的特殊性

船舶动力装置的可靠性与船舶的特殊性密切相关。船舶的特殊性主要表现在：（1）船舶大部分时间在海上航行。

（2）设备发生故障时，往往处于复杂的航区和严酷的气象条件，局部故障可能影响全局，甚至导致严重后果。

（3）船舶动力装置的使用环境苛刻多变、运行时工作参数变化范围较大，随时能要船员进行操纵，有时还要求采取应急措施，因此对船员要求较高。（4）船用机械特别是主机制造台数少，而且母型机的试验难以在陆地上充分进行。

（5）主机型式更新换代速度较快。

（6）机器部件和元件以及它们的质量和功能各异，所需知识面较广。（7）现场数据主要由船员整理和提供。

二、可靠性在船舶动力装置中的应用

船舶的特殊性，不仅体现出动力装置可靠性的重要性，而且也说明动力装置的可靠性是个复杂的课题。它既与各组成设备的可靠性、维修性有关，也涉及到参与管理的人的因素，因此它和人机工程学、劳动管理学、心理学等领域交错在一起，使问题难以解决。

三、船舶各种机械的故障统计

1．动力装置中各种机械发生故障的比例 在世界四大柴油机制造公司近几年的统计资料表明，在柴油机船上，主机故障占总故障数的比例达到四成，主机是动力装置中最重要的，但也是可靠性最薄弱的环节。在主机发生故障的原因中，约一半是由于材料质量不良和机件污损，前者是制造阶段的原因，后者是使用阶段的原因。所以从设计者到管理者，对主机可靠性都要给予足够的重视。2．柴油机部件的故障统计

根据劳氏船级社、中国远洋运输总公司、日本相关机构等相关机构对船舶主机故障统计表明，低速柴油机发生故障最多的部件是活塞、气缸盖和十字头轴承。中速柴油机（包括柴油发电机）中曲轴及其轴承故障比较突出。这些部件应作为可靠性技术中的重点问题给予研究，在运行管理中也应格外注意。

第四节 提高船舶动力装置可靠性的措施

要保证和提高船舶动力装置的可靠性，首先在设计时就应满足可靠性要求，然后，在制造和工艺方面尽可能达到设计时规定的可靠度。只有这样在使用中才能体现出转子是否可靠。显然船舶动力装置的可靠性问题贯穿于整个设计、制造和工艺阶段以及全部运转期间。因此，我们可以把影响动力装置可靠性的因素分为设计、制造工艺和管理三个方面。下面我们将着重从管理与维修保养方面探讨如何提高动力装置的可靠性。

一、提高管理水平

一个产品工作是否可靠，除决定于出厂质量外，使用管理维护的好坏对其可靠性也有决定性影响。因此，管理人员的业务水平，对于保证船舶的可靠性具有头等重要的意义。统计表明，许多故障是由于船员采取了不正确的措施和违反技术操作规程所导致的。随着船舶的设备日趋复杂，对船员业务水平、熟练程度、操作技能、发现和排除故障等的能力要求越来越高，其完成任务的职责也在加强。业务水平高的船员，可以保证船舶技术设备的使用和维护的质量始终处于较好状态；能正确执行操作规程，充分做好设备起动前的准备工作，正确判断设备的技术状态和正确地确定负荷高低；还可以迅速发现和排除故障，用较短的时间完成维修工作。在拆装机械、更换零部件时，如果船员水平不高，则可能使部件遭受异常负荷和额外应力，从而导致故障次数增加。

国内外的故障统计资料表明，人为故障所占比例越来越大。在人为原因造成的故障中，属于责任心不强（工作不仔细、检查不及时和违章操作）与属于管理水平低（保养维护不良、指挥命令不当、判断错误、操作错误等）所引发的几乎各占一半，而且低职船员的人为事故所占比例高于高职船员。这些事实说明了提高船员管理水平的重要性和迫切性，并应从职业道德教育和业务水平提高两方面去努力。

二、提高维修质量

维修是恢复和保证产品可靠性的一个重要措施。为了使产品发生故障后能很快修好，除了要求有先进的维修手段、熟练的维修人员之外，产品本身也应该有良好的可维修性。可维修性包括易拆卸性、可达性、可还原性、通用性、互换性、适检性等，因此维修时应着重考虑以下几个方面。1．对设备的维修要及时

2．在有条件的情况下，鼓励船员对设备进行自修 3．在厂修时要做好监修工作 4．做好备件的管理工作 5．要有防错措施

6．维修前应将维修时的方法、步聚及可能发生的问题考虑周全

三、充分利用技术管理指导性文件 1．利用这些技术资料制定操作规程

遵守操作过程可以避免或减少误操作，减少事故和有利于延长设备使用寿命。2．根据文件资料判断设备的实际技术状态

主机的推进特性曲线和柴油发电机的负荷特性曲线，都是发动机实际工作状态好坏的衡量标准，依据它们可尽早发现故障的隐患，及时采取有效措施。3．制定维修计划与标准

依据技术文件制定出设备维护、维修计划及标准。利用这些计划及标准，对设备进行维修保养，可以使设备保持在最佳的技术状态。对复杂、重要、技术维护所用平均年劳动量高的设备，若采用事后维修则会造成较大的经济损失、可靠性损失（质量损失）和安全事故。因此，应该依靠平时的检查和维修，使系统和设备始终保持在最佳状态，防止事故的发生，这就是预防性维修。为了做好这项工作，必须对作业的内容、时间，判断缺陷的方法和缺陷特征，应达到的标准等，按指导性文件的要求，结合设备的具体状态，进行周密计划并实施。

4．指导对设备的维修保养

在对设备进行维修保养时，可根据相应的技术文件提供的技术参数、拆卸与安装的步骤、安全注意事项和检修操作注意事项等，对设备进行正确地维修保养，确保设备恢复到最佳的技术性能。

四、做好可靠性数据的收集与管理

可靠性数据的收集与管理是开展提高可靠性活动的基础工作和主要内容。通过对可靠性数据的收集、整理、分类、统计和分析，可达到两个目的： ①了解整个动力装置、装置中各种机械设备和各种零部件的可靠性状况，为新型船舶的开发设计、对有关设备和部件的改进提供可靠的依据，促进造船事业的发展。

②通过故障发生的时间、产生原因、维护和管理工作量的统计分析，正确制定使用和维修的标准及规范，改进管理维修工作，提高管理水平。

第五节 船舶动力装置的余热利用

一． 船舶动力装置的余热利用方案 1．船舶动力装置热平衡方程式

柴油机船舶动力装置的动力设备主要是主柴油机、柴油发电机组和辅助锅炉等。它们都以液态燃料为能源。船舶航行工况所需要的总热量为

Q=Qm +Qg+ Qb

式中，分别为主机、柴油发电机组和辅助锅炉所消耗的热量，KJ/h。船舶动力装置热平衡方程式为/

x+y+z=1 式中，x= Qm/Q，y= Qg/Q，z= Qb/Q分别为主机、柴油发电机组和辅助锅炉消耗热量的百分比。动力装置的能量平衡各成分的值x，y，z与船舶用途和动力装置的类型有关。

在进行船舶动力装置设计时，必须考虑整个船舶的能量平衡和各个耗能设备的热平衡，以便找出能量综合利用的途径，决定所采用能量综合利用的装置和方案，从而提高动力装置能量平衡中有效利用热量的比例，以达到节约燃料的目的。

2．船舶动力装置余热利用方案

根据柴油机的热平衡，能量转换的数值范围如下： ①转变为机械功的热为35％～40％。②排气带走的热为27％～50％。

③冷却介质（缸套冷却水、增压空气冷却水、润滑油等）带走的热15％～30％。

④其他热损失（辐射热、摩擦损失热）2％～8％。余热利用是提高船舶动力装置经济性的措施之一。废热利用的方法是按废热特点进行的。主机排气废热温度高，可利用的单位热量大；而冷却水的温度较低、量大，可利用的热量也不少。不同类型船舶的余热利用形式是很多的，几种余热利用装置的原理图：

（1）用废气锅炉全部或部分代替辅助锅炉。

（2）用废气锅炉全部代替辅助锅炉，且还可用废气涡轮发电机部分代替柴油机发电。

（3）用废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮发电机，全部或部分代替柴油机发电。（4）用废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮发电机全部代替柴油机发电，并且废气锅炉还可以部分代替辅助锅炉。

（5）用废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮发电机全部代替柴油机发电，并且用废气锅炉全部代替辅助锅炉。

（6）如冷却水温度较高，则冷却水的热量可用来产生蒸汽，以驱动汽轮发电机。也可用于其他需要加热的设备。

（7）把冷却水直接或间接为冷却预热，作燃油加热、制淡、制冷和生活杂用等的热源。

目前在船上较普遍地实现了余热利用（1）和（2），以及把冷却水的热量部分地用于海水淡化装置和加热空调系统中的空气。利用废热产生蒸汽和热水，可以减少辅柴油机和辅锅炉的耗油，提高装置经济性。然而，装置上是否被采用以及如何采用，必须结合船舶动力装置的具体情况加以综合平衡，尤其要对下列三个方面问题进行仔细分析研究后才能作出决定：

（1）区别船舶类型和装置功率范围

（2）要用专门措施保证废热供应和废热消耗两者的平衡（3）废热利用一定要综合考虑经济性 3．最大限度利用余热的联合装置

随着柴油机废气涡轮增压器效率的提高和废气动力涡轮的利用，使柴油机排出废气可利用能量减少，其可利用部分和以前相比约下降50％，所以仅靠废气锅炉所提供的热量，难以满足船舶动力装置及辅助系统的要求，这就要求对能量平衡必须进行研究。另一方面柴油机实现了超高增压，增压空气压力超过0.4MPa，温度超过180℃，其能量、质量和数量增加，利用价值大大提高，这部分过去未加利用的能量和废气能量的联合利用就可满足新的能量平衡。废热回收装置的主要设备是多级蒸汽经济器、混压蒸汽涡轮、增压空气冷却器（即炉水预热器）。

图1-4为三菱重工（Mitsubishi）的超级透平发电系统（STG）示意图。该系统在双压废气经济器和混压蒸汽透平发电机的基础上补充了一个热水闪发能量发电系统。另外该系统还将增压空气的废热回收，用于对废气锅炉的给水加热。三菱的MET-SC涡流增压器由于效率提高，只需较少的废气，剩余的废气则提供给一个径流式废气透平。该废气透平的热水闪蒸蒸汽透平通过一个齿轮装置共同驱动发电机。

STG系统比带有热水闪蒸的蒸汽发电系统多获得40％～60％的电能，并且使整个装置的燃油消耗减少2％～3％。当主机在低负荷运转时，所产生的辅助能量能够满足船上用电需要，而不必使用柴油发电机或轴带发电机装置和辅锅炉产生的蒸汽。最早的STG系统已安装在VLCC油船上，主机是装有MET-SC型涡轮增压器的7RTA84M低速柴油机；废气/蒸汽联合驱动的发电机功率为1350KW；轴带发电机/马达为500KW；两台1000KW的柴油发电机组；空气冷却器作为炉水预热器；废气锅炉产生的低压蒸汽供加热器使用。

图1-5为瓦锡兰公司推出的典型的柴油机余热回收系统，简称WHRS(Waste Heat Recovery System)。该系统除了有效地利用柴油机排出的废气能量，还将柴油机缸套冷却水和扫气空气的余热回收利用，有效地节约了燃油的消耗及废气的排放。

二、船舶动力装置的效率

为了评定和比较柴油机船舶动力装置的经济性，应计算整个动力装置的效率。目前较常用的计算方法有下列几种。1．柴油机船舶动力装置的总效率

在评价不同形式船舶柴油机动力装置的余热利用效率时，先要明确热量有效利用的范围，不仅包括与螺旋桨功率等值的热量，还包括全船各种耗能装置和动力装置本身需要的热量。在这种情况下，评价船舶柴油机动力装置的经济性标准就是总效率。总效率为所有耗能设备的有效热之和与所消耗总热量之比。2．船舶能量利用效率

船舶动力装置的主要功用是保证额定航速，所以相对于螺旋桨功率的能量与船舶消耗的总能量之比，可以作为船舶热能利用效率的综合性标准。这个比值称为船舶能量利用效率，即推进轴上总有效功率与所有耗能设备总消耗热能之比。船舶能量利用效率不仅反应动力装置本身的热工完善程度，而且表征综合推进装置的工作效率。3．推进装置的推进效率

现代大功率柴油机船舶动力装置本身（滑油泵、燃油泵、冷却水泵、分油机、热交换器、通风机等）需要消耗大量的能量，因此推进轴上总有效功率与推进装置消耗的热量之比可用来评定各类船舶动力装置的经济性。因为它仅考虑推进装置的燃料消耗，故可评定各类船舶动力装置的经济性，而不能评定利用废热的经济性。

三、废气锅炉的管理 1．典型的废气锅炉系统

目前MC机型在正常额定负荷下透平后的排气温度为250～270℃，降低负荷运转时将会更低些，因此可利用的排气余热减少，使废气锅炉产生的饱和蒸汽不能满足船舶加热系统的需要，此时燃油辅助锅炉可作为补充。

MAN B&W公司推出两种典型的废气锅炉系统。其一为标准的废气锅炉系统，它用于产生饱和蒸汽供加热之需，废气锅炉有单一的蒸发器组成，是简单的单压蒸汽系统。给水直接泵送到燃油锅炉，废气锅炉与燃油锅炉之间有循环水泵并共用一个水鼓。

该系统具有明显的简单性和低投资成本，又完全满足船舶加热蒸汽量的要求，因而得到广泛应用。

其二为带涡轮发电机的废气锅炉系统，如图1-7所示，它是带有给水预热器、蒸发器和过热器的单压蒸汽系统，其蒸汽除用于加热之外还可以用于驱动涡轮发电机，系统中燃油辅助锅炉的汽鼓一般也作为共用汽鼓。该废气锅炉系统将更加先进些。

2．废气锅炉烟灰积垢与着火的原因分析

在NK所统计的82艘船舶中，多数为二冲程柴油机和水管锅炉，其中53艘船舶的废气锅炉发生烟垢着火和损坏。废气锅炉着火分为小的烟垢着火和高温着火。

（1）小的烟垢着火

在有充分氧气存在时，烟垢的可燃成分在高温下（高于闪点）自由蒸发，被火花或火焰点燃，并保持小范围和有限的燃烧，称为小的烟垢着火。在柴油机机动操纵和低负荷运转期间容易发生。

烟垢潜在着火温度一般为300～400℃，但存在未燃烧的燃油时着火温度约为150℃，极端情况下甚至低到120℃。这意味着着火也可发生于主机紧急停车之后，因为灼热颗粒（火花）还残留在管路管上。（2）高温着火

高温着火有氢着火和铸铁着火，可导致废气锅炉损坏。如温度在1000℃以上氢着火可以发生。铸铁着火即高温下发生的铸铁氧化反应，在温度超过1100℃时，铸铁着火可以发生，使锅炉自身燃烧。

废气锅炉烟垢着火的条件：只有在烟垢、火源和氧气同时存在时才可以发生着火现象。烟垢着火的原因往往是由于柴油机燃油燃烧后产生的含油的烟灰微粒所引起的。

主机的型号及制造工艺对烟垢着火无明显影响，甚至和短行程和长行程也没有多大关系。另外，废气锅炉使用水管的形式对烟垢着火也没有明显影响，实际上锅炉安装的简单管件与带有扩展管表面的管件有几乎同样数目的着火问题。最新开发的柴油机排气温度又比较低，容易导致废气锅炉烟灰沉积。统计表明废气锅炉的进口和出口温度对烟垢着火的发生都没有任何明显影响。在现代柴油机较低排气温度下，为了仍能维持船舶蒸汽消耗的需求，促使与其匹配的废气锅炉被设计得更加高效，这包括利用大受热面、锅炉设计为扩展管表面和低燃气流速。上述高效与超扩展锅炉的设计和劣质燃油的使用，使废气锅炉管上烟灰沉积有增加的趋势，并导致烟垢着火。此外，近年来船舶装载不足，也造成着火事故的上升。

3．废气锅炉与柴油机的匹配，锅炉窄点的影响，允许的废气压力损失 图1-9是图1-10可以说明与高效率柴油机匹配的高效率废气锅炉的一些参数对烟垢着火的影响。1）锅炉的窄点

废气锅炉窄点是废气与饱和蒸汽之间的最小温度差，即废气离开蒸发器时的温度和饱和蒸汽之间的温度差。窄点是可以用来表示废气锅炉利用效率的一个参数。温度/热传导图称为T/Q图，图1-9是图1-7所示废气锅炉系统实例的T/Q图。一般蒸汽压力为0.7MPa（绝对）或以上，相应的最低蒸发温度为165℃，按T/Q图废气出口温度不能低于180℃，则15℃或以上用作窄点。（1）锅炉窄点对锅炉受热面和蒸汽量的影响。从图1-10的曲线可看出，废气锅炉窄点由15℃改变为10℃和5℃时，蒸汽量增加5％和10％，而废气锅炉受热面增加1.41倍和2.32倍，当流经废气锅炉的压力损失太大时可降低废气流速。

（2）锅炉窄点对锅炉压力损失和废气流速的影响。较低的窄点可提高废气锅炉的利用效率，但废气锅炉须有较大受热面，因此压力损失也较大。对最大允许废气压力损失有一定限制，设计废气锅炉的废气流速必须降低。低废气流速对形成烟垢有特别明显的影响趋势，现今劣质渣油运转使这种趋势变得更糟。（3）低窄点和烟垢。当窄点及其废气流速低时，窄点是影响烟垢发生的一个参数，相反，高窄点锅炉不必设计成高废气流速的锅炉，原则上，这种锅炉也可以设计成低废气流速，即有低废气压力损失。2）废气锅炉允许的废气压力损失

如前所述，通过锅炉的允许废气压力损失，对通过废气锅炉的废气流速有重大影响。高压力损失如能接受，那么要设计高废气流速的锅炉就是可能的，但是如果只允许小的压力损失，则废气流速必然是低的。

通过锅炉的允许压力损失依赖于柴油机增压器后总的排气系统的压力损失。（1）MC型柴油机排气系统的允许背压。在柴油机的约定MCR工况下，增压器后排气系统总背压最大不超过0.0035MPa，可用增压器后测量的静压力表示。为了系统尾部有背压储备，在约定MCR工况下推荐为0.0030MPa。

排气系统的背压与废气流速有关，即与废气流速的平方成比例，从而与管径4次方成比例。在约定MCR工况下，建议废气管内流速不超过50m/s,实际上为避免压力损失太大，废气流速约为35m/s。

（2）废气锅炉的允许压力损失，在约定MCR工况下，废气锅炉推荐的最大压力损失一般为0.0015MPa。

4．废气锅炉烟灰沉积和着火的预防措施（1）废气流速不能太低 废气锅炉流速低是烟灰沉积着火的主要影响参数之一。设计废气流速低于10 m/s者几乎都有着火故障，而高于20 m/s很少发生着火故障。考虑到柴油机在部分负荷运转流速高达25～30 m/s，烟灰很少沉积，也无需安装吹灰器。火管锅炉的设计废气平均流速高于20 m/s时，对烟管也具有自动清洗的作用。（2）烟灰黏性的预防

含有灰分、残炭和硫分的劣质渣油的使用，使烟灰具有黏性，这是烟灰发生沉积的重要因素。使用含有氧化铁的燃油添加剂，可使烟灰失去黏性，导致烟灰沉积趋势的减少。这样对烟垢沉积的废气流速限制也可降低，即烟垢沉积将失去对低废气流速的敏感性。（3）锅炉受热面废气温度不能太低

锅炉废气出口温度应不低于155℃，锅炉进口给水循环温度，对有预热器的应高于120～130℃，否则凝结的硫酸可使烟灰有黏性，增加烟垢形成的趋势。（4）锅炉循环水流速度和流量比不能太低

应保持锅炉管表面边界层的废气低于烟灰着火温度，减少烟垢点燃的危险。温度高于150℃可发生烟垢着火危险，极端情况下在120℃时也有着火危险。（5）柴油机排气不允许恶化（6）水管锅炉应装自动吹灰器

在船舶经常停航待命和降速航行时，应尽量使用最低燃油费用航速。若柴油机在航行时经常处于较高负荷下工作，应尽量使用最低耗油率航速。从节约燃料费用的角度出发，应尽量使用最低燃油费用航速。最佳经济航速即最大盈利航速。

Sulzer RTA柴油机布置区由R1、R2、R3、R4围成，由经济运转工况点R2可知，平均有效压力降低1%,燃油消耗可降低0.2%～0.25%。

在常用航速范围内，桨转速降低1%，在航速及载货量不变的条件下，一般可减少油耗0.2～0.3% 动力装置选型确定之后，一般应进行船舶经济性的总体论证以确定最佳航速。Sulzer RTA柴油机布置区由R1、R2、R3、R4围成，R2是经济运转工况点,其特点是A．Ⅰ+Ⅱ+Ⅴ

Ⅰ．最高燃烧压力不变；Ⅱ．平均有效压力降低；Ⅲ．平均有效压力为标定；Ⅳ．功率和转速降低；Ⅴ.转速不变。

船速与航速的概念不同，船速是指船舶相对水的速度，航速是船舶相对陆地的速度；航速等于船速与流速矢量之和。

关于续航力、油耗及航速三者的关系——燃油储备一定时，续航力与航速的平方成反比；续航力相同时，油耗率与航速的平方成正比。

废气锅炉的产气量与蒸汽压力有关，蒸汽压力高，产汽量下降。为了达到节能的目的，应根据使用对象确定——仅用于供热系统的，选用饱和蒸汽可产生更多的蒸汽量；需带动辅助机械的，可以将压力提高。废气锅炉出口排烟温度t2不得低于160～170℃；

目前，废气锅炉是按进气温度为255℃，排出温度为188℃标定工况设计的。废气锅炉出口排温t2越低，能够回收的热量就越多。理论上可降至环境温度，但事实上这是不可能的。废气锅炉进口排气温度t1越高，可回收的排气热量就越多。

要想获得更多的余热和废气锅炉蒸发量，必须使蒸汽压力和饱和温度都降低 对船舶余热利用方案中利用发动机冷却水的余热途径理解错误的是________。A．冷却水的冷却器是制冷机的发生器 B．冷却水的冷却器作为汽轮机给水的加热器 C．冷却水的冷却器作为制淡系统的蒸发器 D．中央冷却水的冷却器作为制淡系统的蒸发器

船舶动力 篇3

关键词：船舶 电力推进 动力定位

动力定位（DP）是指不用抛锚，而由船载计算机自动控制推进器来保持船舶或浮动平台位置的技术。定点控制、航迹控制、循线控制、跟踪控制等都属于动力定位范畴。

动力定位技术是一项跨学科的船舶综合控制技术，具有作业海域范围广，机动性好等突出的技术优势，被广泛应用于海洋矿石钻探采样、海底安装作业、钻井勘探作业、海工吊装、潜水支持、油井维修和改装、油田守护供应、海底管线敷设、水下机器人（ROV）跟踪、沉船勘探打捞和清除、挖泥船作业、海洋科考等作业，是开发海洋资源，建设海洋经济不可或缺的设备。

1 船舶动力定位系统的原理和组成

动力定位系统是一个闭环调节系统，其基本原理是：使用精密、先进的仪器来测定船

舶或平台因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过计算机等自动控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，使船舶或平台回复到原有的位置。

动力定位系统包括动力系统、推进器系统、动力定位控制系统和测量系统，图1是DP系统的组成方框图。

动力系统是指给整个动力定位系统提供电力，并负责电源的分配和管理。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。包括发电机和原动机，主配电板，功率管理系统和不间断电源UPS。

推进器系统包括主推进器、舵、侧推，全回转推进器、推进器控制器等等，它是动力定位系统的执行部分，常用电动机或柴油机驱动推进器。主推进装置可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如Z型推进，SSP推进等。各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。

动力定位控制系统包括控制器和测量系统。控制器是动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，将船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，输入到控制器中。控制器对测量系统提供的数据进行分析和运算，并给出推力器的控制指令。对动力定位系统的故障进行检测及报警，显示系统的工作状态。

2 船舶动力定位执行机构即电力推进系统的特点

电力推进作为船舶的新型推进动力，发动机与螺旋桨之间无任何机械联系，仅在发电机与推进电动机之间有电气连接，是船舶推进系统的创新，体现了“绿色航运”、“绿色船舶”环保节能理念，深受世界航运与船舶领域的青睐。

与传统的由发动机-传动轴-螺旋桨组成的机械式船舶推进系统相比，电力推进系统具有下列的优点：

1.经济性好：发动机以恒转速、最佳负荷运转，推进效率和运行效率高。机械设备总量减少，节约了维修保养费。与同功率机械推进系统相比，可减少油耗10%～15%，航速可提高0.5节以上。

2.性能提升：操纵控制方便，起动加速性好，换向时间短，制动快，正反车速度切换快，可极大地提高船舶的操纵性，发挥出最佳的使用技术性能和战术技术性能。

3.生命力强：柴油机推进的船舶，一旦发动机重要部件或舵机、轴系出现故障时往往导致瘫船。而电力推进系统使用多台发动机，具备足够的安全冗余，在个别机组发生故障时不致丧失动力。

4.节省空间：重量轻，体积小，改善了机舱布置，使动力装置安排更加合理，提高了有效舱容率。

5.环保：燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，有利于船舶控制环境污染。

6.实现自控：有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动化控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准。

7.优化机舱：机械噪声大幅度下降，振动减少，工作区整洁，减少废气排放，环境质量得到改善。维修工作量大幅减少，可减少人员编制。

但电力推进系统也具有不足之处：

1）电力推进装置本身成本较高，增加约25%。

2.）能量损失。

3 动力定位系统的各种试验（主要指动力系统部分）

为了确保船舶电力推进动力定位的正确实施，必须根据船级社的要求，进行各种试验，主要有：

3.1.系泊试验

1）动力系统系泊试验的各组成部分，如发电机，发电机原动机，主配电板等，应满足船舶建造检验的一般要求。另外还应进行下列检验：发电机组一台发电机组不投入运行，并联运行其他发电机组，逐个启动几台功率较大的推力器电动机。启动期间引起的电压降不超过15%。

动力系统中的发电机的台数和容量：（a）在起动推力器的电动机时，尤其是在一台发电机不能工作时，起动期间引起的主汇流排上的瞬态电压变化不应超过额定电压﹣15%。（b）如果安装的推力器的总功率超过了所配置的发电机的总功率，则应采取连锁或推力限制措施来防止动力装置的超载。（c）在选择发电机的台数和类型时，应考虑可能在DP推力器操作中出现的高电抗负载。

2）动力管理系统

（1）进行发电机的自动并联及自动解列试验。动力管理系统应能在运行的发电机负荷较重时，自动启动备用发电机投入电网，即自动并联。并在运行的发电机负荷较轻时，自动切断一台发电机的供电并停止其原动机的运转，即自动解列。建议自动并联可设置在单台发电机的输出功率的大约85%时进行。自动解列可设置在单台发电机的输出功率低于额定功率的大约30%时进行。

（2） 系统的各个重负荷均应进行重负荷询问试验。在其启动前应向动力管理系统发出询问信号，动力管理系统根据运行发电机的功率裕量发出允许启动指令。否则要在启动备用发电机后再发指令。当整个动力系统的功率裕量都不足以启动负载时，则禁止启动，这就是负载询问（或称大功率询问、重载询问）。

（3） 试验高电力负荷报警功能。当总的电力负载超过运转中发电机总容量的预定百分比时，应发出报警。报警的设定值应在运转容量50%至100%之间可调，该报警的设定值可设于自动并联时的功率百分比之上。

（4） 推力器负载自动调整功能的试验。运行发电机负荷超过100%时，推力器应降低功率运行。在发电机输出功率超过设定值时，验证推力器进行自动降速。

（5）注意动力定位系统控制器与动力管理系统的协调。

3）配电板

（1 ）检查主配电板汇流排的分段及其连接，对于DP-3附加标志，每一汇流排要以A-60进行分隔，在每个分隔内均应设有断路器连接。

（2） 在DP控制中心，应设置连接显示器，显示发电机的在线功率储备，即在线发电机的容量与输出功率的差。对于分段式汇流排，则每一分段要设置这种指示器。

4） 不间断电源UPS：每一个动力定位计算机系统必须提供不间断电源UPS，以确保在任何动力故障下不会影响一台以上的计算机。不间断电源电池的容量需支持至少30分钟的操作。

3.2 航行试验

动力定位系统的航行试验要根据船舶实际情况与设计部门及船厂商定。联合操纵杆模式的动力定位系统可进行航迹控制，可采用保持艏向和保持船位的旋转试验其有效性及控制精度。

自动模式的试验动力定位系统是根据人工输入的艏向和船位自动定位并加以保持。

注意：在整个系统进行操作时，至少有连续2小时的气候条件达到一定水平，即使推力器上的平均载荷达到50%或更高。当环境条件无法达到上述要求时，可推迟到适当场合下作为一个特殊的试验来进行。

3. 3 故障模式与影响分析试验FMEA

IMO（国际海事组织）将动力定位按冗余度分为0级、1级、2级和3级。对应于IMO的动力定位冗余级别划分及配置要求，各船级社的定义和规定也略有差别，具体可参见各船级社规定。

对2级和3级冗余度动力定位系统，各船级社需要检验“故障模式效果分析”（FMEA）。.针对动力定位系统本身，和具体船配各系统进行模拟故障试验。验证单一的设备或系统（包括任一套动力定位系统）发生故障时，不会影响或者说是不会中断整个动力定位系统的操作，保证该船不会丧失动力定位能力，即体现整个动力定位系统的冗余度。

参考文献

[1]DP OPERATOR`S HANDBOOK by Captain David Bray FNI Published by The Nautical institute 2011

[2]动力定位检验指南. 中国船级社 2002

[3]6000 HP 平台供应船动力定位系统简介. 谢家纯. 船舶设计通讯， 第1期， 2006年6月

[4]船舶电气工程.主编： 马伟明、张晓锋、焦侬、邹孟奇、李杰仁、周平、陆嘉明.中国电力出版社

船舶动力系统的发展趋势研究 篇4

关键词：船舶,动力系统,发展趋势

引言

船舶动力系统是现代化船舶中最重要、最主要的设备。通常而言,它的价值约占船舶设备总成本的35%以上,占船舶总造价的20%以上[1]。由于船舶是能源消耗的大户,也是当前环境污染与温室气体排放的主要源头之一。因此,船舶动力系统未来发展的一个重要方向,应当从节能降耗的角度出发,通过积极应用与发展新能源技术,以促进我国船舶能不断向着绿色化、节能化与先进化的方向迈进。

1 船舶动力系统概述

船舶动力系统的主要功能:一是发出一定的功率以推动船舶在预定的航向与速度下航行;二是根据各种作业需要,将燃料的化学能转换为相应的机械能、热能、电能等二次能源。因此,根据船舶动力系统的以上两个功能,可将其结构分为推进装置与辅助装置两部分。

1.1 推进装置

推进装置也通常被称为主动力装置,是提供船舶正常航行所需推进力的一整套设备,其典型结构如图1所示。

推进装置主要由以下设备组成:

(1)主发动机。主发动机也被简称为主机,包括提供推进动力的原动机以及为其服务的辅助设备与管系结构。原动机的类型主要有蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机、汽轮机等。

(2)推进器。它是一种能量转换装置,可将原动机中提供的能量转换为船舶正常航行的推动力。推动器的类型主要有螺旋桨、直翼推进器、明轮、泵喷射推进器等。

(3)传动设备。它是将原动机提供的动力传递到推进器中的设备,并能起到一定的减速、转向、减振的功能。传动设备主要包括减速器、离合器、联轴器、轴系设备、管系设备等。

1.2 辅助装置

船舶动力系统中的辅助装置,主要是产生除推动力以外的二次能源,以供船舶各种作业及船员生活所需。

辅助装置主要包括:

(1)发电机组。它用于供应全船所需的电能,主要由柴油发电机组、汽轮发电机组以及为其服务的设备与管系组成。

(2)辅助锅炉。它用于供应全船加热、供暖所需的热能,主要由辅助锅炉、余热锅炉以及为其服务的设备、管系及阀件组成。

(3)自动化控制装置。近年来,为实现对船舶动力系统的远程操纵与控制,在现代化船舶中都普遍装设了自动化控制装置,主要包括自动控制系统、自动调节系统、远程监测系统等,以更好地保障动力系统的运行质量与运行水平。

2 船舶动力系统未来发展趋势

目前,我国船舶动力系统未来主要的发展方向,一是对现有动力系统进行不断优化与改进;二是探索与发展新能源动力系统的应用。

2.1 现有动力系统的优化与改进

表1即为上文分析的三种动力系统在1000t商用船舶应用时,其性能参数的对比表。

从表1中可以看出,在这三种船舶动力系统中,柴油机动力系统除噪声与振动较大外,在燃油经济性、可靠性、操纵性、单位重量以及功率选择范围方面都具有较明显的技术优势。因此,在现代化船舶中,柴油机动力系统的应用最为广泛。据统计,目前以柴油机作为原动机的船舶占船舶总数的90%以上,因此对柴油机动力系统的不断优化与完善,也是船舶动力系统未来的主要发展趋势之一。

当前,柴油机动力系统的一个重要发展方向,就是通过机内净化技术的应用,在不断提高船用柴油机经济性与燃烧效率的同时,还能有效控制CO2、CO等有害气体及碳烟微粒的排放量,以实现对自然环境的有效保护。常用的船用柴油机机内净化技术,主要包括增压中冷技术、高压喷射技术、燃烧室改进技术、燃料优化技术等[3]。

2.2 发展新能源动力系统

2.2.1太阳能动力系统

因太阳能的清洁、环保、无地域限制、资源丰富等优点,太阳能发电技术已被越来越被广泛地应用于各工业领域及生活领域。太阳能动力系统,即是利用太阳能发电技术,将太阳能电池作为船舶主动力或辅助动力的动力系统。

尽管太阳能发电技术在日常生活中的应用已较为普及,但是作为船舶动力能源的研究仍处于起步阶段,其技术尚不成熟。在实用化应用方面,太阳能动力系统主要用于中小型的游览船以及大型的运输船舶中。

在国外,美国、欧洲和日本等国对太阳能船舶动力系统的研究最多,并已有成功应用的经验。在2000年,美国即建成了利用太阳能、风能以及燃油的小型混合能源船舶。该船舶共有8片太阳能电池板,并可作为船舶的风帆,船体共可搭载120人;在2006年,美国与日本还合作设计了利用太阳能动力系统的大中型游览船,该船体可共搭载500人[4]。

在我国,太阳能船舶动力系统也已逐渐进入到了实用化的阶段。在2010年,我国独立设计的第一艘太阳能、燃油的混合动力游览船在黄埔江上正式起航。该船舶的太阳能电池板共12块,并共同构成了船舶的“太阳翼”,其高度与宽度分别为10m和5m,还可以根据光照条件随着阳光进行旋转。

对太阳能船舶动力系统的未来发展进行展望,一是尽可能发展新型的光转换材料,以提高光电技术的能量转化效率;二是在太阳能电池板的设计上,应在保障船舶正常航行和作业需要的基础上,尽量加大太阳能电池板的表面积,从而提高船舶的航行里程与航行时间。

2.2 燃料电池动力系统

燃料电池动力系统,即是利用燃料电池作为船舶主动力或辅助动力的动力系统。燃料电池是一种通过电化学反应,将化学物质转换为电能的高效转换装置。我们常见的太阳能、风能、地热能等新能源,在实践应用中往往容易受到外界环境、气候变化的影响,而无法持续为船舶的航行提供动力能源。而燃料电池不仅有着很高的能量转换率与持续性的供电保证,而且具有节能环保的特点,因此近年来受到了航运界的广泛青睐,并逐渐被应用于船舶动力系统中。

目前,燃料电池技术在船舶动力系统中的应用已进入到实用化阶段。由于其所具有的噪音低、无污染、能效高等优势,在国内外的部分LNG船、科学考察船、军用船舶、中小型游览船或客船的动力系统中,都已采用燃料电池作为船舶的主动力或者辅助动力。然而,燃料电池的价格偏高、燃料供应与提取难度较大、技术成熟度不高等问题,也成为了限制燃料电池动力系统大规模应用与普及的重要难题。

对燃料电池动力系统的发展进行展望,一是通过不断提高燃料电池的燃料提取水平,以及加强燃料供应网络与供应站的建设,从而降低船用燃料电池的使用成本;二是加强对燃料电池技术不断研究与发展,以提高燃料电池的使用寿命与可靠性,确保燃料电池动力系统运行中的安全与可靠。

3 结束语

船舶是能源消耗的大户,也是当前环境污染与温室气体排放的主要源头之一。因此,船舶动力系统未来发展的主要方向,应当是从节能降耗的角度出发,通过不断对原有动力系统进行优化与改进,以及不断发展新能源技术,以促进我国船舶能不断向着绿色化、节能化与先进化的方向迈进。

参考文献

[1]严新平,徐立.船舶清洁能源技术[M].北京:国防工业出版社,2012:13-16.

[2]冯明志,吴惠忠.船舶大功率柴油机的发展与技术创新[J].柴油机,2013,(2):126-128.

[3]江康源.船舶动力装置发展的新趋势[J].船舶工程,2012,(2):225-227.

燃气轮机在船舶动力方面的应用 篇5

邵高鹏

（清华大学汽车系，北京 100084）

摘 要：介绍船用燃气轮机的工作原理和特点，对比燃气轮机和内燃机性能的优缺点，总结燃气轮机应用于船用动力的现状和未来的发展方向。

关键词：船用燃气轮机；原理；应用；发展方向；

1．引 言

燃气轮机动力装置在50年代开始用于船舶，在此之前，水面舰艇都已蒸汽轮机和内燃机作为其动力装置，大型舰船以蒸汽轮机为其主要的动力装置，蒸汽轮机的优势在于技术相对简单，制造相对容易，但是其同样存在油耗大，占用空间大等等劣势，而柴油机的单机功率有限，必须采用多机并用。并且由于燃气轮机汽固有的一些优点，使得它逐渐向柴油机动力在船舶动力上的统治地位发起了挑战。最初的燃气轮机还只能应用与军用舰艇，但是随着燃气轮机技术的发展，燃气轮机在商船上也逐步得到了推广。

2．船用燃气轮机的工作原理

船用内燃机的循环模式可以分为简单开式循环，其工作过程同内燃机类似，也可以分为吸气、压缩、做功及排气四个工作行程，但是与内燃机又有很大的不同，下图中是一种燃气轮机的结构示意图。

轴流压气机的转子高速回转，在压气机的进口处产生吸力，将新鲜空气吸入压气机，对应着吸气的过程。空气在轴流压气机中增压，压力和温度都有升高，空气继续流动经过扩压器，减速增压进入燃烧室中，此时的空气温度和压力都较高，比容很小，这就实现了空气的压缩过程。在空气进入燃烧室的同时，燃油同时喷入与空气混合形成可燃混合气，点燃后迅速燃烧，温度继续升高，而压力变化不大（由于流动损失的存在）；高温高压的燃气，经过涡轮的静叶的导向之后冲击涡轮的动叶叶片，推动叶片使涡轮转子高速转动而产生转矩。涡轮常分为两级，第一级涡轮（高压涡轮）上产生的转矩用于驱动与之联动的压气机，第二级涡轮（动力涡轮）上产生的转矩经过传动轴和减速箱输出，这就是燃气轮机的燃烧和做工过程。经过两级涡轮的燃气经废气箱和烟囱排入大气，是燃气轮机的排气过程，这部分气体中仍然含有一些能量，可以把这部分能量加以利用来提高整机的工作效率。

除了简单开式循环外，船用燃气轮机还有一些更为复杂的循环型式，包括回热机组和中冷机组等等。回热机组中排气温度高，经回热器(即换热器)先把压气机出口的空气加热，然后空气再进入燃烧室，优点是可以提高热效率，但是会增加机器的重量和尺寸；中冷机组在压缩过程中采用中间冷却，这样可以减小高压压气机的压缩功，使单位流量工质的输出功增大。

3．船用燃气轮机的特点

燃气轮机虽然发展比内燃机和蒸汽轮机稍晚，但是很快便在航空领域取得了绝对的统治地位，并在船用动力系统中也得到了广泛的应用，与传统的内燃机动力和蒸汽轮机等相比，燃气轮机能够克服很多它们的缺点，但是也有一些自身惯有的不足。

与柴油机相比，船用燃气轮机有以下特点：

1.燃气轮机工作时虽然同样经历吸气、压缩、做功和排气四个环节，但是这些环节是分别在不同位置同时、连续地进行的，各装置的工作过程互不干扰而且又同时进行，而柴油机要等一个冲程结束后才能开始另一个冲程。

2.燃气轮机以高速回转方式工作，它的主要运动部件压气机转子和涡轮转子等都经过精确地调节平衡，因此燃气轮机在高速转动的过程中冲击小，平稳性好。而活塞式内燃机运动方式为往复运动，工作时有较强的冲击。

3.相比内燃机，燃气轮机有更高的工作温度，而燃烧膨胀压力较低。4.燃气轮机启动时需要强制点火，而正常运行之后则可以自燃，而内燃机一般只有一种固定的着火方式。

5.燃气轮机运行时没有时间和角度的要求，也没有正时的问题，燃气轮机的燃油喷射是连续不间断的，而内燃机只在一个循环中的某个阶段进行喷油。

一般来说，与船用柴油机相比，燃气轮机的优点主要有：

1.比功率大，重量轻，体积小。在同等功率的各种内燃机中，燃气轮机具有最轻的重量和最小的体积。船用燃气轮机单位功率重量，只有高速柴油机的十五分之一或更小。

2.船用燃气轮机对功率指令反应迅速，低温起动性，加速性良好，且起动后立即可投入全负荷工作。不必“暖车”，不必慢慢提速，有利于提高舰船的机动性。

3.燃气轮机工作时有充足的空气来满足燃油燃烧所需。由于燃烧完善，从而保证在起动、加速、变速及正常运行等不同工况下排气都不会冒黑烟。这个突出的优点，大大提高了军用船舰的隐蔽性。

4.燃气轮机结构紧凑，传动机构较少，工作极为平稳，不震动，工作噪音。尤其是高频噪音较小。便于安装封闭式机罩而对机组实行整体隔音、降噪，从而使机舱工作条件得到改善。在一定程度上也能提高船舰的隐蔽性。

5.燃气轮机工作可靠性高，故障较少发生。同时拆卸、维修、安装都较方便。与船用柴油机相比，船用燃气轮机具有以下缺点:

1.耗油率偏高，尤其是小型船用燃气轮机。但随着技术的发展，已得到很大改善。2.燃气轮机的工作转速很高，但输出扭矩较小，必须通过减速箱降速提高扭矩才能输出作功。然而配套的减速箱减速比都比较大，其重量甚至大于燃气轮机本身，增加了结构的复杂性。

3.燃气轮机工作当中耗气量特别大。故进气通道及排气烟囱尺寸都较大，占用了船 舱的部分空间容积在小吨位船上布置起来有些不便。4.燃气轮机的构造较复杂精细，制造材料和工艺要求都很高，因而它的造价较柴油机高，维修配件也比较贵。

5.为满足燃气轮机高速、高温工作所需，对使用的润滑油有较严格的要求，必须具有良好的润滑性及抗高温的热稳定性。燃料则用热值高，含杂质、水分少，尤其是含硫分低的优质轻柴油，因而在一定程度上限制了使用范围并增加了营运成本。

4．燃气轮机应用于船舶的状况

1.军事方面：英国于1967 年率先提出实行水面战舰全燃汽轮机推进的动力政策。1969年以后，高性能船舶燃气轮机LM2500 研制成功，美国海军动力装置迅速走上了全燃推进的道路，并在装舰数量上远远超过了英国。原苏联一直是船舶燃气轮机的最大使用国，其海军装用燃机的舰艇数、燃机台数和装机总功率均占世界第一位。80 年代初，日本海军步英国、美国和原苏联后尘也走上了全燃推进的道路。最近十多年，其燃机装舰的速度和规模均超过了英国。目前的护卫舰，尤其是装备现代武器的大型护卫舰，采用燃机(含柴燃联合装置)推进日益增多；在驱逐舰和巡洋舰中，燃汽轮机将取代蒸汽机，成为两舰种的动力装置；轻型航母也倾向于采用燃机驱动。我国第一艘装备燃气轮动力的“舷号452”气垫登陆艇于1989年服役，成为我海军发展史上的一个重要里程碑。后来又在一些中大型军舰，如舷号112、113、168、169等驱逐舰上，装备了多种不同型号的燃气轮机动力，为海军的现代化建设奠定了牢固基础。2001年，以沈阳黎明公司为研制总成单位、六〇六所为总设计单位，联合清华大学、中科院、上海交通大学等科研院所和有关企业，组成设计研制项目联合体，借鉴国外技术，引进国外智力，共同研制R0110重型燃气轮机。这一项目被列为国家“十五”期间“863”能源领域重大专项。2009年，重型燃气轮机己进入最后联调及试验验证阶段。输出功率预计可达114500kW，可以作为中型常规航空母舰的主动力。这对于提高我国的综合国力具有积极推动作用。

2.民用船舶：近十年来，燃气轮机在高速渡船中得到大量应用。具有代表性的是瑞士斯坦纳航运公司营运的三艘HSS1500大型高速渡船。大型旅游船和高速集装箱船采用燃机推进是船用燃机在商船应用领域中的又一个重大突破。在商船推进领域中，船舶燃气轮机正在向船用柴油机的世袭地位挑战。

5．船用燃气轮机的未来发展方向

近20 年来，随着燃气轮机技术的发展、高性能航空发动机的改装以及在燃气轮机热力循环方面的开发研究，船用燃气轮机的性能日益先进，技术日臻完善。船用燃气轮机技术发展方向主要有以下几个方面。

1.提高燃气轮机参数，改进部件设计，提高简单循环机组性能，由于舰船对高性能燃气轮机的需求，近20 年来推出了多型大功率高效燃气轮机组。通过提高初温和压比、改进部性能等措施，在简单循环下机组效率超过40%，如GE公司的LM6000PC、R-R公司的MT30等。在推出新机组的同时，各大公司不断提高原有机组的性能。

2.采用先进的复杂循环，提高机组性能采用回热循环、间冷－回热循环等复杂循环，是提高燃气轮机性能的另一条途径。对于低压比小功率船用燃气轮机，通过增加回热器形成回热循环来提高效率；对于高压比三转子大功率船用燃气轮机，增加中间冷却器和回热器形成间冷回热循环，可增大功率、提高效率。

3.采用燃蒸联合循环，提高装置的功率和效率在燃气轮机后增加一个利用排气热量的余热利用回路，用来产生蒸汽并使它在蒸汽轮机中做功，然后蒸汽轮机与燃气轮机并车驱动螺旋桨。这种燃蒸联合装置可明显地提高装置的输出功率和效率。燃蒸联合循环的效率将达到45%～50%，在使用低压蒸汽时，整个系统的能量利用率高达80%。

4.燃气轮机发电模块是未来舰船燃气轮机的主要应用方向综合电力系统是今后舰艇动力的发展方向，其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一，为舰船装备高能武器奠定电能基础。综合电力系统对电站总功率的需求大幅度增加，这就要求单台发电机组的功率成倍增长，传统意义上的柴油机发电机组已不能满足这种变化要求。燃气轮机单机功率大、输出转速高，特别适合作为综合电力系统的原动力.5.低NOx排放燃烧室的研制对陆地和空中推进装置日益严格的排放要求，未来舰船的主动力装置应满足今后的排放法规，以保证舰船在世界各国港口均能顺利入港。通常用于陆基燃气轮机的干式低排放系统采用贫预混燃烧室，但是这些装置大多数是以气态燃料运行而不是使用馏出油。英国罗尔斯·罗伊斯公司正承担一项计划，根据贫预混预气化(LPP)原理生产使用馏出燃油的液体干式低排放系统。此项工作已证明，在高功率下可以使NOx排放减少到是常规扩散火焰技术的10%。

参考文献：

船舶动力系统国家工程实验室获批 篇6

油机厂等单位共同申请建设的“船舶动力系统国家工程实验室”项目获国家发展改革委批准。该实验室建成后将成为我国船舶配套系统也是中船重工第一个国家工程实验室。

711所以国家工程实验室为纽带，联合全国著名低速柴油机生产厂和研究所，建设低速柴油机研发机构。实验室的建设将充分利用现有条件，补充部分关键试验手段，建设较为完整的低速柴油机研发试验验证平台，以满足船舶低速柴油机本机、系统、关键部件以及动力系统4个层面引进技术消化和创新技术开发的需要。实验室的建设，将为提升我国船用低速柴油机的研发能力，突破影响低速柴油机发展的关键技术，为我国设计制造高技术含量、高附加值的新型船用大功率低速柴油机及配套设备奠定基础；将有利于进一步提高中船重工集团公司在动力系统领域的核心竞争力，也将为711所战略业务的稳步发展奠定扎实基础。

船舶动力系统国家工程实验室的建设目标和任务包括两部分，一是将围绕提升我国船舶工业的核心竞争力，开展船舶低速柴油机引进技术的消化吸收再创新，建立船用低速柴油机性能及关键零部件技术参数数据库；二是开展低速柴油机高效和环保设计、模块化制造、高压共轨系统集成制造、超大型关键零部件精密成型及快速加工等关键技术、工艺和设备的试验与验证，掌握大功率低速柴油机设计技术，实现大功率低速柴油机及动力系统的自主研发，为行业发展提供技术支撑和服务。

LNG燃料动力船舶建造检验要点 篇7

1. LNG管路

LNG管路系统通常由注入管路、供气管路、透气管路以及通风管路构成。为保证管路性能良好, 应认真分析审批图纸, 并遵照其技术要求对管路的制作、安装、密闭性以及实效进行严格的技术检验。具体检验标准流程如下:

第一, 布置管路之前, 应对热形变现象、气罐位移以及船体构件位移所产生的应力的影响考虑进来。

第二, 为避免膨胀街头的形变, 如过度膨胀或压缩, 应对相邻管系采取合理的加固措施。尤其是波纹管膨胀接头, 需另加支撑使其免受机械损伤;对于法兰接头, 为避免发生螺母松动, 应另设加固构件, 如防松垫圈[1]。

第三, 如果当前需要对气罐与船舶整体间保持绝缘, 可通过电器接地的方法进行隔离, 无论是管路还是气罐。都需对其接头进行电器接地处理。

第四, 对于供气管路而言, 应尽可能避免使用软管、法兰, 并严禁接入滑动式膨胀接头[2]。

第五, 应控制好管路与船舶外板的间距, 至少应保证在800毫米左右。

第六, 在安装过程中, 应保证管路具备足够的挠性, 为避免过度膨胀或压缩情况的出现, 可利用U型膨胀弯, 或直角型膨胀弯, 保证管系的稳定。

第七, 应使用统一颜色标识管系。同时, 所使用的颜色应尽量醒目, 与附近的舱壁, 其他设备等有显著区别, 如红色、黄色等[3]。

第八, 在材料选择方面, 应使用不锈钢管材, 以保证其具有良好的耐低温性, 常用的管材有304、308、316奥氏体不锈钢, 选择之后应对其焊接工艺方案进行提交审核。整个建造期间, 包括运输、存放、加工等所有环节, 应注重对不锈钢管进行维护, 从而避免晶间腐蚀。

第九, 如果焊接工艺方案已经通过审核, 无损探伤范围需符合要求[4]。

2. 充装处所 (燃料充装)

燃料充装部位最主要的构件就是管路及阀件, 如果因操作不当而发生LNG泄漏, 就会给整个船舶带来低温损伤, 在LNG挥发的条件下, 形成的气体具有可燃性, 给周围设备和场地增加严重的安全隐患。因此, 为最大程度地保证安全, 其关键在充装过程的密闭性, 防止LNG泄漏造成低温损害, 给设备和人员带来危险, 因而需在充装过程中加大控制力度。目前通常的做法是, 充装前首先对船舶结构通过水幕保护 (water curtain) 进行隔离, 或者加设防护罩来隔离;充装过程中, 往往会涉及到监测, 报警, 应急措施, 以及通讯等多个环节, 以保证加注船只与被加注船只之间有良好的协调性[5]。同时, 在船体防火方面, 与充装站相应位置的起居场所、服务场所等的舱壁应进行隔热处理, 等级为A—60级, 但如果使用了钢质舱壁, 形成严密的围蔽, 只保留一处与外界沟通的开敞, 或者充装站能够与这些场所保持合理的距离, 就可将等级下调至A—0级。在这一过程中, 应对C型气罐严加防范, 并对LNG气罐的额定充满率进行控制, 使其不得超过90%。

3. 结语

本文通过对LNG燃料动力船舶建造检验要点进行论述和分析, 指出了LNG燃料动力船舶的良好发展前景, 分析了LNG动力船舶的优势。同时为保证其具有足够的安全性, 应严格遵守技术规范, 本文对LNG管路以及燃料充装两方面的操作要求进行了较为详尽的说明。

参考文献

[1]徐立, 邓儒超, 徐楚, 张笛, 方军庭.船舶核动力装置二回路故障分析及安全性研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2014, 20 (01) :300-301.

[2]李学军, 高占峰, 刘辉, 李杰, 姚丹丹.小型LNG运输加气船的经济性分析研究[J].船舶标准化工程师, 2014, 15 (04) :179-180.

[3]楼海军, 阚安康, 康利云, 刘红敏.船舶舱室空调热舒适性评价指标及其微气候参数优化[J].船舶工程, 2014, 17 (01) :125-126.

[4]孙迪, 李国宾, 魏海军, 廖海峰, 柳霆.磨合磨损过程中摩擦振动变化规律研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2013, 20 (02) :215-217.

混合动力电动船舶现状及前景分析 篇8

关键词：动力系统,混合动力,续航能力,经济效益

0 引言

“混合动力电动船舶”可以定义为以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源, 其中至少有一种可以提供电能的船舶。混合动力船舶技术目前尚处在不断探索和研究的阶段[1]。在国外, 有不少科研机构提出了一些相关方法和理论。世界上第一艘柴电和燃料电池混合动力系统的U31号潜艇已于2003年在德国基尔港试航成功[2]。2010年1月, 意大利和斯洛维尼亚联合研制了GREENLINE33混合动力游艇, 该游艇混合了电池组、柴油机和太阳能动力。

国内在混合动力船舶领域方面起步较晚, 成功应用的例子并不多。在我国, 上海海事大学于2005年成功研制了国内第一艘燃料电池试验船“天翔1号”。该船的燃料电池总功率为2k W, 推进器功率1470W, 14km/h航速下的续航时间为5小时。

1 混合动力电动船舶动力系统的配置

混合动力电动船舶, 采用动力电池作为船舶的主动力源, 柴油发电机组和太阳能为辅助能源。正常航行时, 主要由岸电充电的动力电池供电, 柴油发电机组处于待机状态, 并不运行[3]。只有在极限条件下 (船舶靠离码头、风浪洋流恶劣环境、大推力操纵船舶、动力电池剩余容量不足等) , 才起动辅助柴电机组投入工作。动力控制系统如图1所示。

2 混合动力电动船经济效益分析

与传统动力推进船舶相比, 混合动力电动船舶在节能减排和节支等方面表现出了不错的经济效益。以一艘航速为10k N, 推进动力为95k W的电力推进船舶为例, 在经济航速下, 推进动力每小时所需电量为95k Wh, 其辅助用电5k Wh, 合计100k Wh, 取柴电机组额定容量为120k Wh, 每年航行时间为4000h。

(1) 在节能方面:柴电机组效率为 (120-100) /120=0.83, 若取耗油系数为212g/k Wh, 则实际每小时油耗100*212/0.83=25542g=25.542kg, 取柴油—标准煤折算系数为1.4571, 则折算成标准煤25.542*1.4571=37.217kg。若以动力电池供电, 取电池—标准煤折算系数为0.34, 则每小时标准煤耗为100*0.34=34kg。因此, 实际可节约能源37.217-34=3.217kg标准煤, 节能3.217/34=9.46%。每年节约能源3.217*4000=12868kg=12.868t标准煤。

(2) 在减排方面:混合动力电动船在正常航行时, 主要由动力电池供电, 因此基本无废气排放。若以柴电机组供电, 每小时烟气排放为100*7.68=768kg, 其中CO2排放100*0.61=61kg。

则每年烟气排放量4000*768=3072t, 其中CO2排放4000*61=244t。

(3) 在节支方面:根据我国陆上电网商业电价和柴油商业售价的计算比较, 若以柴电机组供电, 每小时油费100*2.08=208元。每小时电费100*1.2=120元。因此, 实际每小时节约油费208-120=88元, 每年节约油费4000*88=35.3万元。在国际石油价格不断攀升的情况下, 节支效果将会进一步凸显。

3 关键技术

混合动力电动船舶之所以发展缓慢, 是因为混合动力系统数学控制模型难以建立, 能源控制系统复杂。

3.1 混合动力船舶能源系统控制模型

现有的船舶动力系统模型基本上都是在单一的能源系统 (柴电机组电站或柴油发动机) 基础上建立起来的。当加入动力电池以后, 由于能量源的物理特性和运行特性的本质不同, 并且船舶在运行中的工况也多种多样, 所以在建模过程中需要不断优化, 以实现能源系统控制模型的完整性。

3.2 混合能源控制系统

混合能源控制系统主要由动态检测模块、状态控制模块、协调控制模块组成。混合能源控制系统功能示意框图如图2所示。

(1) 动态检测模块检测混合能源控制系统的运行参数和运行状态, 由于此系统是一个多变量的复杂系统, 对参数不能完全进行直接测量, 因此对由不同时间、不同方式获取的数据进行多源信息融合处理, 以便获得更准确、更可靠的混合动力系统运行状态描述。

(2) 状态控制模块是在获取动态检测模块的提供的参数基础上, 根据对船舶推进系统的转速与功率需求、柴电机组当前输出功率及限制、动力电池组的剩余容量、给定航速的经济型等因素的综合评判结果, 确定不同工作模式 (动力电池供电模式、柴电机组供电模式、混合供电模式) 的控制条件, 并实施不同工作模式的无扰动切换。

(3) 协调控制模块是将参数优化问题与动力系统参数匹配一同考虑。以船舶动力性能为约束条件, 在不同航行条件下, 以最小排放、最少燃油、或最大续航能力为优化目标, 采用目标达成方法将多目标问题转换为单目标问题, 实现混合动力的功率最优分配, 从而实现协调控制。

随着全球经济的持续发展, 船舶废弃物排放对环境的污染日益严重, IMO海上环境保护委员会 (MEPC) 早在2008年5月就通过了MARPOL公约VI的修正案, 严格限制船舶大气污染物的排放[4~6]。在这样的大背景下, 混合动力电动船节能减排的优势将越来越显著, 这也是未来船舶技术革新的突破方向。与此同时, 诸如太阳能、风能、核能、生物质能、氢能及混合能源等新能源在船舶行业的广泛应用, 也将促进船舶交通运输的飞速发展。

参考文献

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[2]崔为耀.从212到216——浅谈德国燃料电池AIP潜艇的演化[J].现代舰船, 2012, 09:21-25.

[3]丁晨雷, 康伟, 褚建新.小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计[J].上海造船, 2011, 02:38-41+46.

[4]陈永道.船舶动力系统现状及发展趋势[J].机械制造与自动化, 2013 (02) .

[5]李明, 黎菁, 段征.船舶混合动力系统的研究[J].柴油机, 2012 (03) .

内河航道船舶交通流动力模型研究 篇9

随着内河航道船舶交通量不断增加, 船舶趋向大型化、高速化, 航道出现了严重拥堵现象。为改善航道交通状况, 保障船舶航行安全, 有必要对河航道船舶交通流模型进行开发和评估。

对内河航道交通流模型的研究起步较晚, 现有的研究主要限于借助道路交通流模型的基本方程。船舶交通工程学认为, 船舶交通流的基本方程可表示为交通量等于交通流速度、交通流密度以及交通流宽度的乘积[1]。但水上交通工程与道路交通工程存在交通工具和交通设施的巨大差异, 船舶交通流的基本方程不能全面反映船舶流随时间和空间变化而变化的规律。近年来, 部分学者借鉴交通流动力学理论讨论船舶交通流模型, 分析船舶流的一些特征[2]。但到目前为止, 此类研究仅仅采用了守恒方程, 即一阶连续模型, 而没有考虑由于船舶外形尺寸、动力特性等不同而产生的船舶相互之间的加速度和惯性影响以及船舶在水域中航行所受的阻力作用[3,4]。因此, 该模型不能完整反映非均衡状态交通流的动力学特性。针对以上船舶交通流的研究不足, 本文结合内河航运的特点, 从微观船舶跟驰模型出发, 通过将微观参量转化为宏观参量, 建立船舶交通流动力模型, 并对不同扰动下的交通波传播情况进行数值模拟, 以再现一些常见的水上交通现象。

2船舶跟驰理论模型

道路车辆交通流动力学模型大多都是基于车辆跟驰模型演化而来, 跟驰模型是基于反应-刺激的关

反应·刺激在车型较为单一的车流情况下, 各车的制动距离近似相等, 从而推导出经典的线性跟驰模型[5]。但对于船舶交通流, 由于船型尺寸、动力特性等差距都很大, 相邻船舶的制动距离假设相等是不符合实际的。本文考虑不同船型分布情况下的船舶制动距离差, 结合文献[6]提出的广义跟驰模型, 推导得到船舶跟驰模型:

式中:η为粘性系数, 与船型分布有关, 若船型尺寸服从正态分布, 则η是关于分布标准差的增函数即船型混合比例越高, 船型越复杂, 粘性系数值越大;u为船舶航行速度, 速度越大, 相邻船舶的制动距离差越大, 阻力越大;Sd为船舶领域[7], 它是船舶在航行过程中所需要的安全缓冲领域;B、H、R分别为航道通航宽度、航道通航深度以及航道转弯半径。

3船舶跟驰模型

3.1船舶交通流动态模型

tx22

方程 (3) 和 (4) 构成了船舶交通流动力学模型。对由方程 (3) 和 (4) 组成的方程组进行特征线分析, 得到特征速度:

由于扰动传播速度ω0>0, 则该船舶交通流动力模型中不存在大于宏观车流速度的特征速度, 符合实际船舶流情况。

式中:H (x) 是Heaviside函数, kj为阻塞密度。这样的条件描述了一种特殊的交通状态, 交通处于停止队列状态 (如前方出现船闸) , 且后方没有船舶加入队列的情况 (上游船闸停止调度船舶) 。此时, 船舶流应保持原有状态, 即:

因此, u≥0恒成立, 即该船舶交通流动力模型中不会出现船舶倒退问题。

3.2相关参数验证

(1) 船舶交通流密度k

船舶流密度即船舶的空间密集度, 对于已定线的内河航道, 可定义为在一条航迹带宽度内, 单位长度航道上的船舶艘数, 可以通过出入量和摄影法调查得到。下面就出入量法做一简介:选取一段两断面间无出入交通的长为L的航段, 在两端A、B两点分别设置观察点, 船舶从A驶向B, 如图1 (a) 所示, 观察开始 (t=t0) 时, AB航段内存在的初始船舶数为N (t0) , 从A驶入的船舶数为A (t0) , 从B驶出的船舶数为B (t0) , t时刻内从A驶入的累计船舶数为A (t) , 从B驶出的累计船舶数为B (t) , 若N (t0) +B (t0) -A (t0) =0, 则t时刻AB航段内存在的船舶数应为初始船舶数和t时刻内AB航段的船舶数改变量之和。即:

当选取的航道L比较短, 观察时间间隔t比较

(2) 船舶交通流平衡速度

文献[9]认为船舶交通流的密度与速度呈分段线性关系:

式中:uf为船舶畅行速度;k为船舶交通流密度;ks为船舶交通流临界密度;kj为船舶交通流阻塞密度。

(3) 弛豫时间 (slack time) T

弛豫时间是是指交通状态改变时, 驾驶员反应到执行船舶速度调整达到平衡状态的时间, 它由反应时间和执行时间两部分构成:

反应时间Tr是驾驶员感知到交通状态变化的时间;执行时间Te则是在感知到交通状态变化到执行调整操作至达到平衡状态的时间。

(4) 粘性阻力Cf

粘性阻力项Cf的定义同上文所述。

4数值模拟

4.1数值计算法

对时间采用前差分, 对空间采用中心差分, 构造守恒方程 (3) 的差分格式:

i01~

.2实例分析

下游航段变窄在船舶交通流特性上表现为下游密度高于上游。设置源项扰动密度稍大于临界密度, 交通流密度图 (见图2) 显示, 后半部分密度波只向后传播, 而不向前传播。在实际交通流中, 可以解释为因前方船舶流密度较大而出现船舶积压, 上游航段因下游密度波和源项密度波扰动的影响, 密度波扰动幅度随时间推移不断增大, 相应的速度也出现一定的高低起伏变化, 特别是在两密度波交界处, 速度波动最大, 主要是临界密度附近交通流处于不稳定状态。

(2) 下游航段变宽模拟结果分析

下游航段变宽在船舶交通流密度上表现为下游密度值较上游小。分别在两部分航段设置不同的中高密度值 (均高出临界密度) , 前半部分密度初始值高于后半部分初始值, 交通流源项扰动密度略高于前半部分密度值。交通流密度时空图 (见图3) 显示前半部分交通流密度波随时间的推移既会向前传播, 也会向后传播, 向后传播的速度大于向前传播的速度, 扰动传播有衰减趋势。

(3) 瓶颈航段模拟结果分析

瓶颈航段反映在密度上即航段航道的密度高于周围两边航段的密度值。设置瓶颈航段的密度值比周围两边航段的密度值高, 刚开始速度为畅行速度, 船舶交通流时空变化图 (见图4) 显示, 瓶颈航段的密度波会随着时间推移向前后传播, 大约在3 000 s后, 向后传播的密度波和航段起始源项向前传播的密度波汇合, 出现复杂的非线性现象, 速度呈下降趋势, 产生了振荡且延伸的拥挤交通。反映在实际船舶交通流中, 可以解释为航段前方出现交通瓶颈 (如船舶相撞的交通事故) 导致船舶流被挤压。

数值模拟结果表明, 本文建立的船舶交通流动力模型能够较好地模拟不同扰动情况下的交通波传播等常见的水上交通现象, 具有很好的适用性。

5结论

本文在研究传统跟驰模型推导过程中, 发现其简化过程无法考虑船型尺寸分布、船舶动力、水面阻力等复杂的船舶航行条件。通过增加粘性阻力项克服以上缺陷, 建立了船舶跟驰模型;将微观参量转换为宏观参量, 应用动力学方法建立了船舶交通流动力模型;对交通流模型进行了数值离散, 模拟结果表明船舶交通流动力模型能够再现各种交通扰动波的传播情况, 具有较好的适用性。论文的突出创新在于建立了船舶交通流方程的广义粘性阻力项, 利用一些宏观参数组合的函数来表达船舶流前进中的广义阻尼, 是解决诸多微观阻尼在方程中无法表达的可靠方法。但粘性阻尼项的形式论证尚不够充分, 目前虽有线性的标定系数, 但各因素间的相互比例关系不精确会造成实际误差没法评估的情况。论文后期将通过实测数据标定合理的粘性项, 完善粘性项的研究, 进一步完善船舶交通流动力模型。

参考文献

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[8]Daganzo C F Requiem for second order fluid approximations of traffic flow[R].Transportation Research Part B, 1995, 29:277-286.

船舶动力 篇10

一、技术发展趋势

船舶在经历了漫长的以人力、风力作为航行动力的阶段后, 直到200年前才进入以机械能作为航行动力的阶段。船舶的机械推进随着蒸汽机、蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机的发明及实船应用, 先后出现了由多种原动机做动力的推进方式。蒸汽机在19世纪初至20世纪初是世界航运船舶最重要的原动机, 之后, 逐渐被蒸汽轮机、柴油机所取代。目前, 世界上各类船舶的动力系统主要有以下四种推进方式:

1. 蒸汽轮机推进系统——取代往复式蒸汽机, 又被柴油机所取代, 目前主要在LNG船和核动力军船上应用

蒸汽轮机, 又称汽轮机、蒸汽透平发动机或蒸汽涡轮发动机, 是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械。由于其热效率和功率重量比比往复式蒸汽机有很大改进, 发明后逐渐在军船和商船上取代了往复式蒸汽机。20世纪上半叶横跨大西洋往返于欧洲和北美的高速定期班轮多是采用蒸汽轮机作动力。20世纪60年代后, 蒸汽轮机又逐渐被热效率更高的柴油机所取代。蒸汽轮机推进系统, 主要由蒸汽轮机、主锅炉、凝汽器、齿轮减速器、联轴节、齿轮箱、轴系、螺旋桨等设备组成, 其特点是单机功率大, 工作可靠, 振动和噪声小, 维修费用低, 可燃用廉价劣质燃料, 但是, 其热效率较柴油机装置低, 且设备多。

目前, 蒸汽轮机推进系统主要是在LNG船和核动力军船上应用。在现有LNG船队中蒸汽轮机推进装置仍占主导地位, 艘数占比达83%、舱容占比达76%。LNG船使用蒸汽轮机推进有其特殊的原因:在LNG船上, 液化气装在隔热舱中运输, 仍不可避免地有部分液化气蒸发, 而将这部分天然气重新液化的费用很高, 因此, 较经济、安全的方式是用作锅炉燃料, 由锅炉产生的高压蒸汽推进汽轮机。值得注意的是, 由于蒸气轮机推进系统自身的不足和其他类型推进系统的竞争, 在近年完工交付的LNG船中已出现了新型双燃料柴-电推进装置和低速柴油机作动力, 特别是在LNG船手持订单中, 采用蒸汽轮机作动力的LNG船艘数占比仅为29%、舱容占比仅为25%;而采用低速柴油机作动力装置的LNG船艘数占比为17%、容积占比为24%, 采用双燃料柴-电推进装置的LNG船艘数占比达到54%、容积占比达到50%。预计未来蒸气轮机推进系统的应用领域将逐渐变小。

作为蒸汽轮机推进系统的主要设备——锅炉的技术发展趋势是:在保证安全可靠运行的基础上, 减轻设备的质量、提高经济性;在不断增加蒸汽产量的同时, 提高蒸汽的压力和温度。因此, 锅炉的型式日益改进, 近年来强制循环锅炉和蒸汽燃气联合装置中的增压锅炉已得到应用。蒸汽轮机的技术发展趋势是:不断增强可靠性、机动性, 提高操纵性, 简化设备。

2. 柴油机推进系统——全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机, 成为最主要的船舶动力, 目前在各型船舶上应用

活塞往复式柴油机, 是热效率最高的一种热机, 具有启动迅速、部分负荷运转性能好、安全可靠、功率范围大、效率高、技术成熟等优点, 而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和便携性等优点。船舶主机和船舶电站多采用柴油机。自上世纪60年代起, 柴油机全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机, 成为最主要的船舶动力。根据二冲程柴油机和四冲程柴油机做主机不同, 柴油机动力系统又分为柴油机直接驱动和柴油机齿轮传动。柴油机直接驱动就是由二冲程柴油机直接驱动螺旋桨的推进方式, 它主要由低速柴油机、轴系和螺旋桨组成, 主要应用在大中型远洋运输船舶上。柴油机齿轮传动就是由四冲程柴油机经过齿轮箱降速, 再驱动轴系和螺旋桨的推进形式, 它主要由中速柴油机 (单机驱动或多机驱动) 、齿轮箱、轴系和螺旋桨 (可调距螺旋桨) 组成, 主要应用在中小型货船、客船、滚装船、豪华游船、海洋工程辅助船和军船上。目前以柴油机为动力的船舶占世界商船队的95%以上, 其中, 柴油机直接驱动占55%, 柴油机齿轮传动占39%。此外, 柴油机还是船舶燃气轮机推进系统和电力推进系统的主要设备。

作为柴油机推进系统的主要设备, 低速柴油机和中速柴油机的技术发展趋势是:单机、单缸功率越来越大;不断降低排放和烟度, 提高环保性能;优化产品性能, 提高主机经济性;用智能型主机替代传统型主机, 提高综合经济效益等。

3. 燃气轮机推进系统——上世纪50年代开始在商船上作主机, 但从未得到大规模应用, 目前主要在军船上使用

燃气轮机, 又称燃气透平发动机或燃气涡轮发动机, 与蒸汽轮机、水轮机、风力发电机同属于透平机械, 其优点是单位重量和尺寸小、单机功率大、机动性能高、低NOx排放, 缺点是经济性差、进排气管道大、机舱布置困难、低负荷运转性能差。上世纪50年代燃气轮机开始在商船上应用, 但从未得到大规模应用。燃气轮机推进系统, 主要由燃气轮机、齿轮箱、轴系和螺旋桨等组成。目前, 燃气轮机主要在军船上使用, 且舰用燃气轮机系列已发展完善并定型, 14700k W (20000Hp) 左右或以上的大功率舰用燃气轮机已发展成熟。随着燃气轮机使用范围的扩大, 使用方式由一轴一机扩展到一轴多机, 包括蒸汽轮机和燃气轮机联合装置、柴油机和燃气轮机联合装置、柴油机和燃气轮机交替使用装置、燃气轮机和燃气轮机联合使用装置或交替使用装置等。按不同的使用方式, 用同一种燃气轮机组合的功率范围基本可以覆盖从快艇到轻型航母等各类大中型水面舰艇。部分豪华游轮也配有燃气轮机和柴油机组成的混合动力系统。在一些海洋工程船舶或平台、军船和商船上也有以燃气轮机作为发电机组的原动机。

作为燃气轮机推进系统的主要设备, 燃气轮机的技术发展趋势是:对现有机型进行技术改造, 降低排放和信号特征, 不断改善其可靠性和可用性;在简单循环燃气轮机基础上, 发展回热或中冷回热船用燃气轮机, 从而提高单机的功率和效率。

4. 电力推进系统——上世纪90年代开始在船舶领域应用, 目前除在军船上应用外, 还在小型商船上应用

船舶电力推进系统, 一般指采用电动机械驱动螺旋桨来推进船舶运动的系统。它主要由原动机、发电机、配电系统、电动机、推进器 (螺旋桨) 以及控制调节设备等组成。其中, 原动机可以采用柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等, 目前绝大多数船舶电力推进系统采用中速或高速柴油机, 燃气轮机也有一定应用。根据原动机不同, 电力推进系统分为柴油机电力推进和燃气轮机电力推进等;根据主回路电力不同, 电力推进系统分为直流电力推进、交流电力推进和交直流电力推进等;根据电机的布置不同, 电力推进系统还分为机舱式和吊舱式。电力推进系统具有操纵性强、安全、布置方便、经济、环保、舒适等优点。上世纪90年代, 电力推进系统开始在船舶领域应用, 除在军船领域应用外, 还在豪华游船、渡船、海洋工程船舶 (平台) 等商船领域应用。目前采用电力推进的船舶比例还较小, 且多为小型船舶, 原动机主要是柴油机, 但是, 其应用前景十分广阔。

随着双燃料发动机的成熟与应用, 电力推进系统在LNG船上的应用取得重大进展。ABB、西门子、阿尔斯通等大公司已形成电力推进系统的系列成套装置, 并向大功率船舶动力系统应用渗透。

二、产业竞争格局

目前, 船舶动力系统的研发、设计, 仍然是欧洲、美国、日本等国家或地区居领先和垄断地位, 并且, 蒸汽轮机及锅炉、燃气轮机、电力推进装置的制造也分别由这些国家的企业掌控。但是, 占船舶动力系统最大比例的柴油机推进系统的制造已基本转移至韩、日、中三国。

1. 船用柴油主机——韩、日、中三国的产量占世界总产量的约85%, 韩国是船用柴油机制造大国, 现代重工集团世界市场占有率在1/3以上

根据2009年世界造船完工量1.17亿载重吨估算, 当年船用柴油主机的市场规模在5000万马力左右, 其中, 低速柴油机的市场规模在4250万马力左右 (占85%) , 中速柴油主机的市场规模在750万马力左右。低速机市场MAN品牌机型占最大比例 (80%左右) , 中速主机市场瓦锡兰品牌机型占较大比例 (接近40%) 。

世界船用柴油主机制造集中在韩、日、中三国, 目前三国船用柴油主机产量占世界总产量的比例约在85%, 其中船用低速机产量约占世界总产量的90%。韩国是世界船用柴油机制造大国, 按马力计产量占世界总产量的近50%, 现代重工是世界最大的船用柴油机生产商, 世界市场占有率在1/3以上。斗山发动机、STX集团、三井造船都是居世界前列的船用柴油机企业。值得关注的是, 2004年—2008年, 韩、日、中三国都大幅扩大了船用柴油主机产能 (特别是低速机) , 导致自2010年起全球低速机产能出现严重过剩, 但是, 相对于本国造船产量而言, 韩、日、中三国造机能力过剩的程度不同, 韩国最大, 中国最小。

2. LNG船用汽轮机及锅炉——目前只有少数几家公司制造船用汽轮机及为其配套的大型锅炉, 主要制造商是三菱重工、川崎重工、现代重工、三井造船及法国的企业

由于上世纪70年代建造的VLCC船多数采用汽轮机作主机, 当时世界上有许多船用汽轮机制造商和为其配套的锅炉制造商。石油危机后, VLCC船全部改用低速柴油机做主机, 船用汽轮机的需求急剧减少。目前, 世界上只有少数几家公司制造船用汽轮机及为其配套的大型锅炉, 制造LNG船用蒸汽轮机的企业主要是三菱重工、川崎重工和现代重工, 其中, 川崎重工生产的汽轮机约90%向国外出口, 三菱重工生产的汽轮机大部分供本企业和本国销售, 现代重工购买三菱重工技术生产汽轮机的历史短、能力较小, 只是为本公司建造的LNG船供货。目前世界上生产为汽轮机配套的主锅炉的企业主要有三菱重工、川崎重工、三井造船及法国的企业, 其中, 三菱重工的生产供应能力较大。

3. 船用电力推进装置——ABB集团是船舶电力推进系统的发明者和领先者, 科孚德机电公司、西门子集团、肖特尔公司、罗·罗公司等在该领域也分别占有一席之地

1987年ABB公司发明了吊舱式推进系统Azipod, 1990年该产品首次实船应用, 经过10余年发展, Azipod吊舱系统发展为Azipod吊舱、紧凑型Azipod吊舱和相对反转式Azipod吊舱三个系列, 功率范围覆盖0.5兆瓦~32兆瓦, 市场占有率接近70%, 并已在10多种船型上使用。此外, 法国科孚德机电公司、德国西门子集团和肖特尔公司、英国罗·罗公司、美国SAM公司、芬兰瓦锡兰公司、日本川崎公司等在船舶电力推进装置市场也分别占有一席之地。

科孚德机电公司除为军船提供电推系统外, 占豪华游船柴油机电力推进和LNG船双燃料电力推进市场60%的份额, 并为海洋工程船舶提供电力推进装置, 截至2008年底, 该公司已累计为315艘船舶提供了电力推进系统, 总功率达3900兆瓦, 其最新推出的产品是配备了PWM型MV7000变频器的电推系统。西门子集团的主要电力推进产品有Siship PAX、Siship Cargo以及Siship Drive LV。其中, Siship PAX系统使用西门子的中压推进系统, 适用于游船和客船;SishipCargo为混合式供电和推进系统, 既可使用重油和柴油, 还可使用船舶在运输过程中挥发的天然气, 适用于液化天然气船;Siship Drive LV为低压柴电推进, 适用于海洋工程船以及其它特种船。罗·罗公司的电推产品为采用卡玛瓦HS型螺旋桨的Mermaid吊舱推进系统, 功率覆盖5兆瓦~25兆瓦。SAM公司的电推产品为与肖特尔公司共同开发的Dolphin吊舱式系统, 功率覆盖5兆瓦~11兆瓦。

ABB Azipod力推进系统, 大幅提高船舶燃油效率, 显著降低废气排放。

4. 舰船用燃气轮机——GE公司、罗·罗公司和乌克兰曙光机器设计科研生产联合体是世界三大舰用燃气轮机研制公司, 阿尔斯通公司、川崎重工、石川岛播磨重工等也研制舰用燃气轮机