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船舶動(dòng)力裝置發(fā)展的新趨勢(shì)
【摘要】隨著世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，貿(mào)易往來(lái)和人員交流日益密切，船舶運(yùn)輸?shù)玫搅丝焖俚陌l(fā)展，人們對(duì)船舶的要求也越來(lái)越高，要求船舶動(dòng)力大、穩(wěn)定高效、節(jié)能環(huán)保等。船舶動(dòng)力裝置是船舶的核心部件，其性能直接決定船舶的整體性能，在現(xiàn)代船舶技術(shù)的推動(dòng)下，船舶動(dòng)力裝置推陳出新，一大批新型動(dòng)力裝置得到應(yīng)用，本文主要研究常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)的船舶動(dòng)力裝置，通過(guò)分析現(xiàn)狀、比較優(yōu)缺點(diǎn)、探討船舶動(dòng)力裝置發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。
【關(guān)鍵詞】船舶；動(dòng)力裝置；柴油機(jī)動(dòng)力裝置；混合動(dòng)力裝置
船舶動(dòng)力經(jīng)歷了蒸汽動(dòng)力、內(nèi)燃動(dòng)力、燃?xì)鈩?dòng)力、核動(dòng)力以及混合動(dòng)力幾種具有代表性的動(dòng)力類(lèi)型。主要是通過(guò)直接傳動(dòng)或者間接傳動(dòng)的形式為船舶提供源源不斷的動(dòng)力，滿(mǎn)足船舶各種動(dòng)力以及生產(chǎn)生活需要。然而受到經(jīng)濟(jì)大環(huán)境、技術(shù)進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)等因素的影響，船舶動(dòng)力裝置也發(fā)展迅猛。本文主要分析船舶常規(guī)動(dòng)力裝置的技術(shù)發(fā)展變化及趨勢(shì)，重點(diǎn)分析了幾種新型動(dòng)力裝置的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)。
一、柴油機(jī)動(dòng)力裝置發(fā)展
1.柴油機(jī)動(dòng)力裝置現(xiàn)狀分析
柴油機(jī)是一種啟動(dòng)速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)性能好、安全性能高、效率高以及技術(shù)成熟的內(nèi)燃機(jī)。從上個(gè)世紀(jì)六十年代取代蒸汽機(jī)以及蒸汽輪機(jī)之后，一直是應(yīng)用最廣泛的船舶動(dòng)力。柴油機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)主要分為柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和柴油機(jī)齒輪傳動(dòng)。目前在以柴油機(jī)為動(dòng)力的船舶占世界船舶95%以上，并且柴油機(jī)還是其他船舶動(dòng)力裝置的重要設(shè)備和組成部分[1]。世界范圍內(nèi)，柴油機(jī)兩大巨頭MAN公司和瓦錫蘭公司占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額，隨著技術(shù)的引進(jìn)學(xué)習(xí)以及自主研發(fā)能力的提高，我國(guó)柴油機(jī)也有了較快的發(fā)展。
2.柴油機(jī)動(dòng)力置發(fā)展趨勢(shì)
隨著技術(shù)的成熟，柴油機(jī)的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高水平，未來(lái)將朝高出功率、高可靠性、低排放量以及低污染發(fā)展。并且隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，柴油機(jī)工作也將走向智能化。特別是世界大環(huán)境的影響，低排放、節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為了動(dòng)力裝置發(fā)展的必然趨勢(shì)。
（1）柴油機(jī)推進(jìn)裝置整體供貨方式被廣泛接受
船舶動(dòng)力裝置是一個(gè)整體性的系統(tǒng)，除了柴油機(jī)本身，還應(yīng)包括聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱、螺旋槳、控制設(shè)備等，只有它們之間的密切配合才能發(fā)揮柴油機(jī)的最大功效，這就類(lèi)似組裝一臺(tái)電腦，全部選擇高性能的設(shè)備，但是由于設(shè)備與設(shè)備之間存在磨合和適應(yīng)的問(wèn)題，很容易造成高性能低效果。所以在柴油機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用整體設(shè)計(jì)的選擇，成套的供貨方式不僅有利于船舶本身，也有利于提高船廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。
（2）電子技術(shù)在柴油機(jī)中廣泛的使用
柴油機(jī)的經(jīng)歷了一百年的發(fā)展，特別是電子技術(shù)的應(yīng)用大大提高其使用效果，將繁瑣的操作過(guò)程變得更加的簡(jiǎn)單，也能提高對(duì)柴油機(jī)的控制和維護(hù)。例如RT-flex“智能型”柴油機(jī)，采用脈動(dòng)型高效噴油泵，經(jīng)過(guò)電子控制的噴油調(diào)節(jié)單元，可以將油送到每缸可以單獨(dú)控制的噴油閥，其設(shè)備的電子控制及檢測(cè)設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)隨時(shí)檢測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)各參數(shù)，做到精準(zhǔn)控制，大大提高了使用效率，使柴油機(jī)達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
二、燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置發(fā)展
燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置具有重量輕、功率大、動(dòng)力響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，但是與柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)也有許多的不足之處，比如，燃油經(jīng)濟(jì)性差、燃油高、還要使用高質(zhì)高價(jià)的蒸餾油，導(dǎo)致其推廣受到嚴(yán)重的阻礙。
2000年，大西洋船廠(chǎng)設(shè)計(jì)建造了一臺(tái)，燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽機(jī)聯(lián)合裝置（GOGES）聯(lián)合動(dòng)力裝置，航速可達(dá)24節(jié)，推進(jìn)功率2×19500KW，使其整體性能得到大幅提升，另外它具有加速性能好、可靠性高以及較低的NOX排放量，克服了油耗高的缺陷，是高速船的理想選擇，在高速船中得到廣泛的推廣與應(yīng)用。
三、電力推進(jìn)裝置發(fā)展
1.船舶電力推進(jìn)裝置
電力推進(jìn)裝置主要由以下幾個(gè)部分組成：原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、推進(jìn)器以及控制設(shè)備等組成。根據(jù)推進(jìn)器的不同，分為常規(guī)軸槳推進(jìn)（如圖1所示）以及全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。相比柴油推進(jìn)裝備，其具有較好的經(jīng)濟(jì)性、良好的操縱性、空間小、噪音低以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，海洋工程船中，低航速以及低負(fù)荷的工作環(huán)境下，相同的推進(jìn)功率下，電力推進(jìn)要比柴油推進(jìn)省大約10%的油[2]。
2.電力推進(jìn)裝置發(fā)展趨勢(shì)
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，交流變頻技術(shù)在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，這大大優(yōu)化了電力推進(jìn)系統(tǒng)。使其布局更簡(jiǎn)單，工作效率更高以及自動(dòng)控制和維護(hù)簡(jiǎn)單。另一個(gè)大趨勢(shì)是船舶電力系統(tǒng)和船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在科學(xué)合理和整合的情況下，實(shí)現(xiàn)一體化供電。這樣能把動(dòng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，使電力推進(jìn)裝置擁有穩(wěn)定的電力供應(yīng)，保證其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
四、混合動(dòng)力裝置發(fā)展
混合動(dòng)力裝置是一種新型的船舶動(dòng)力裝置，它主要分為機(jī)械推進(jìn)、電力推進(jìn)以及混合動(dòng)力推進(jìn)。隨著技術(shù)的成熟和推廣使用，商用船舶也逐漸采用了這種新型的動(dòng)力裝置，混合動(dòng)力裝置最早是柴油動(dòng)力裝置，在常規(guī)柴油機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了軸帶發(fā)電機(jī)和可調(diào)槳設(shè)備，這保證了主機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題，軸帶發(fā)電機(jī)還能夠低速航行，該系統(tǒng)現(xiàn)在普遍應(yīng)用于集裝箱以及多用途船舶中，大大提高動(dòng)力裝置的可靠性。現(xiàn)在工況工程船上一般采用最先進(jìn)的混合動(dòng)力裝置，其主要特點(diǎn)是既可以由柴油機(jī)推進(jìn)，也可以由柴-電推進(jìn)提供動(dòng)力。
在混合動(dòng)力裝置中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)是機(jī)-槳的配合，即充分發(fā)揮柴油機(jī)功率、齒輪箱減速比、發(fā)電機(jī)組功率以及螺旋槳之間的關(guān)系[3]。在功率-轉(zhuǎn)速特性圖上調(diào)節(jié)相應(yīng)的特征曲線(xiàn)，找到最佳的平衡點(diǎn)位置，從而達(dá)到最佳組合。其中主柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率儲(chǔ)備是影響船舶性能的重要因素，其功率儲(chǔ)備分為海況儲(chǔ)備和柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)功率儲(chǔ)備。海況儲(chǔ)備計(jì)算公式為：
其中：SM為海況儲(chǔ)備功率百分比；Pemax主機(jī)最大功率；Pec同航速、同載重下要求新主機(jī)功率。主柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)工功率儲(chǔ)備計(jì)算公式為：
其中：EM是主柴油機(jī)功率儲(chǔ)備百分比；PeMCR是最大持續(xù)功率；Pec是主機(jī)持續(xù)功率。 由于混合動(dòng)力裝置具有高可靠性和經(jīng)濟(jì)適用性，所以在未來(lái)商用船舶中具有較大的發(fā)展空間，現(xiàn)階段提倡節(jié)能環(huán)保，必將推動(dòng)船舶動(dòng)力的新能源的使用。通過(guò)混合動(dòng)力推進(jìn)，一方面保證了船舶動(dòng)力的可靠供給，另一方面，更增加了船舶的節(jié)能減排目標(biāo)。
五、特種推進(jìn)裝置應(yīng)用與發(fā)展
特種推進(jìn)裝置主要應(yīng)用與一些特種船舶，隨著海洋開(kāi)發(fā)的速度不斷加快，需要具有特殊功能的海洋工程船、勘探船以及高速客滾船。為了滿(mǎn)足其特種船的操縱性能而進(jìn)行特殊改造。這些設(shè)備的推廣使用，也推動(dòng)了船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展和進(jìn)步。
1.動(dòng)力裝置加可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)
動(dòng)力裝置加裝可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)，能夠提高裝置的節(jié)能性以及可操作性。在國(guó)外中速柴油機(jī)已經(jīng)推廣使用了可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)，一些大型的船舶使用的低速柴油機(jī)也開(kāi)始嘗試在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)裝置可調(diào)槳。它能充分配合機(jī)槳操作，發(fā)揮主機(jī)功率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。在發(fā)展趨勢(shì)中，可調(diào)槳裝置也將朝著大功率方向發(fā)展。
2.大功率噴水推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展
隨著現(xiàn)代客船朝大型化，高速化的趨勢(shì)發(fā)展，加速了噴水推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展，對(duì)船舶的速度越來(lái)越快，對(duì)于噴水推進(jìn)系統(tǒng)的需求也將不斷增加，對(duì)于噴水系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。如意大利MDV300木星型高速渡船，145m長(zhǎng)，可載客1800名、汽車(chē)460輛，航速達(dá)到40n。由兩臺(tái)22000kW燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)兩套噴水推進(jìn)裝置。隨其發(fā)展的大趨勢(shì)是，高功率、高效率的方向發(fā)展，并且隨著動(dòng)力裝置的一體化系統(tǒng)發(fā)展，更加注重相互的配合，噴水系統(tǒng)也將不斷的改進(jìn)和優(yōu)化，以滿(mǎn)足各類(lèi)船舶的需求。
六、總結(jié)
現(xiàn)代船舶動(dòng)力裝置是船舶的核心所在，如果沒(méi)有安全、穩(wěn)定的動(dòng)力做支撐，再好的船舶也沒(méi)有任何作用，伴隨科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，船舶動(dòng)力裝置和發(fā)生了巨大的變化，其中發(fā)展的主要趨勢(shì)是裝置多樣化、裝置系統(tǒng)化、大功率化、節(jié)能環(huán)保以及高安全性。
參考文獻(xiàn)
[1]馮明志.船舶大功率柴油機(jī)的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新[J].柴油機(jī)，2007（29）：1-5.
[2]秦立新.船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2009（31）：42-45.
[3]沈錦康，陳偉忠.混合動(dòng)力在深海作業(yè)多用途工作船上的前景展望[J].江蘇船舶，2010，27（4）.
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