21世紀(jì)艦船動(dòng)力發(fā)展趨勢(shì)Part2課件

1、21世紀(jì)艦船動(dòng)力發(fā)展趨勢(shì)2005年11月第1頁(yè)，共52頁(yè)。2.6.1 PC2-6B柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 缸徑/沖程：400/500mm 轉(zhuǎn) 速: 600r/min 最高爆壓: 190bar 單缸功率: 750kW 功率重量比: 9.310.4kg/kW 功率容積比: 7178kW/m3第2頁(yè)，共52頁(yè)。2.7 艦用柴油機(jī)兩項(xiàng)新技術(shù) 柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)降低柴油機(jī)的排放污染第3頁(yè)，共52頁(yè)。2.7.1柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng) 上世紀(jì)90年代中期，新型的共軌式電控噴射系統(tǒng)問(wèn)世并迅速發(fā)展。瓦特西拉 NSD公司于1998年研制出大型船用柴油機(jī)電控共軌系統(tǒng)，這是首臺(tái)全電子控制噴油的4缸直列式二沖程機(jī)。MTU公司從

2、1990年開(kāi)始進(jìn)行共軌電控噴射系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并于1996年在MTU4000系列高速柴油機(jī)上采用。在此基礎(chǔ)上，2000年在8000系列機(jī)上也成功地采用。共軌噴射系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，為直噴式柴油機(jī)改善低工況性能，進(jìn)一步降低油耗，減少排放和降噪提供了技術(shù)保障。以電控共軌噴射、電子調(diào)速為核心的智能化技術(shù)是柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展第三次質(zhì)的飛躍，上二次分別為高壓油泵（直接噴射）和渦輪增壓技術(shù)的應(yīng)用。第4頁(yè)，共52頁(yè)。2.7.1.1 船用共軌燃油噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖(1) 瓦特西拉船用共軌系統(tǒng) 第5頁(yè)，共52頁(yè)。系統(tǒng)由高壓油泵、高壓油軌、蓄油器、電控噴油器、控制油路、電控系統(tǒng)以及高壓油管組成。系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)： *可適用于不同缸

3、數(shù)的柴油機(jī)。 *把燃油總量分配在幾個(gè)蓄油器中，有效消除共軌中壓力波動(dòng)造成的不良影響，并且每個(gè)蓄油器的高壓燃油并不多。 *與進(jìn)排氣門(mén)可共用一根凸輪軸驅(qū)動(dòng)。 瓦特西拉船用共軌系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn) 第6頁(yè)，共52頁(yè)。(2) MTU 4000系列機(jī)的共軌系統(tǒng)原理圖第7頁(yè)，共52頁(yè)。 系統(tǒng)主要由高壓油泵、共軌油管、噴油器和電子控制系統(tǒng)組成。齒輪驅(qū)動(dòng)的高壓油泵以設(shè)定的壓力（約120MPa）將高壓燃油輸送到共軌，再由共軌分配到各個(gè)噴油器。噴油量取決于共軌壓力和噴油器電磁閥控制電流的持續(xù)時(shí)間，共軌壓力的調(diào)整和電流持續(xù)時(shí)間的控制均通過(guò)電子控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。燃油壓力由共軌上裝設(shè)的壓力傳感器來(lái)測(cè)定，對(duì)應(yīng)于電子控制系統(tǒng)中設(shè)定

4、的壓力特性曲線。高壓油泵的燃油流量與發(fā)動(dòng)機(jī)的每一工況點(diǎn)相匹配。電子控制系統(tǒng)可靈活控制噴油量和噴油時(shí)間。 MTU 4000系列機(jī)的共軌系統(tǒng)工作原理第8頁(yè)，共52頁(yè)。(3) MTU 8000共軌系統(tǒng) MTU公司在4000系列機(jī)成功應(yīng)用共軌系統(tǒng)后，又在8000系列柴油機(jī)上推出共軌系統(tǒng)。該共軌系統(tǒng)與瓦特西拉共軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，只是系統(tǒng)中的每個(gè)蓄油器只負(fù)責(zé)向一個(gè)噴油器提供噴射燃油，且噴油器的燃油噴射直接由電磁閥控制而不需要另設(shè)控制油路對(duì)其進(jìn)行控制。共軌注油壓力達(dá)180MPa。單體蓄油器具有足夠的容量。由于高壓油軌保持持續(xù)供油，使蓄油器內(nèi)始終儲(chǔ)有足夠的燃油，可防止噴油器上游壓力下降和燃油系統(tǒng)壓力振蕩，同時(shí)使

5、發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下也能得到高的噴油壓力，在低工況時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)有效的燃燒。第9頁(yè)，共52頁(yè)。MTU8000柴油機(jī)共軌系統(tǒng)布置和原理圖第10頁(yè)，共52頁(yè)。2.8.1.2 電控高壓共軌噴射系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)噴射壓力的選擇不受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和噴油量的影響，即噴油壓力與柴油機(jī)的運(yùn)行工況無(wú)關(guān)。保證整個(gè)柴油機(jī)工況內(nèi)的噴射性能，改善燃燒過(guò)程;噴油定時(shí)和噴油量的調(diào)節(jié)依靠電控系統(tǒng)電磁閥開(kāi)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)，且噴油規(guī)律可調(diào)，可在一次供油過(guò)程中實(shí)現(xiàn)多次噴射 ;由于噴射壓力、噴射定時(shí)、噴油量和噴油規(guī)律都可實(shí)現(xiàn)柔性調(diào)節(jié)，因此，在整個(gè)運(yùn)行工況內(nèi)能優(yōu)化燃燒過(guò)程，不僅提高經(jīng)濟(jì)性，還可降低NOx、噪音和煙度;無(wú)需對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行大的改動(dòng)，即可用共軌系統(tǒng)代

6、替原噴射系統(tǒng) 第11頁(yè)，共52頁(yè)。2.8.2 降低柴油機(jī)的排放污染 目前國(guó)外對(duì)船舶控制排污要求越來(lái)越嚴(yán)格。國(guó)際海事組織（IMO）于1996年12月提出的NOx規(guī)定值如圖。國(guó)際海事組織已確定1998年在新設(shè)計(jì)的船舶中實(shí)施排放限制規(guī)定，而且決定以后每五年對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一次強(qiáng)化。美國(guó)聯(lián)邦環(huán)境保護(hù)局規(guī)定從2001年起收繳排放稅（$10000/t NOx）。20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)外各主要柴油機(jī)制造商，已把降低排放與降低油耗放在同等重要，甚至更為重要的位置加以研究。降低排放已成為推進(jìn)船用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。 第12頁(yè)，共52頁(yè)。2.8.2.1降低柴油機(jī)NOx排放的幾種措施 柴油機(jī)采用高壓共軌系統(tǒng)直接噴

7、水降NOx 噴射蒸汽降NOx并提高效率 利用水蒸汽降低排放 第13頁(yè)，共52頁(yè)。三、推進(jìn)器發(fā)展趨勢(shì)第14頁(yè)，共52頁(yè)。3.1 前言推進(jìn)器的發(fā)展趨于簡(jiǎn)單、快速和高性能。未來(lái)艦船將更多地采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸小，使用方便、便宜、效率高的定距槳。螺旋槳存在的缺點(diǎn)：一是推進(jìn)效率不高，尤其在高速;二是螺旋槳會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，特別對(duì)潛艇的隱蔽性極為不利。除傳統(tǒng)螺旋槳外，新世紀(jì)還將更多地采用噴水推進(jìn)器、吊艙推進(jìn)器等。第15頁(yè)，共52頁(yè)。3.1.1各種推進(jìn)器應(yīng)用的大致范圍示意圖第16頁(yè)，共52頁(yè)。3.2 噴水推進(jìn)器噴水推進(jìn)的起源較早。由于噴水推進(jìn)技術(shù)進(jìn)展緩慢，直到二次大戰(zhàn)后，為適應(yīng)水翼艇等高速艇的發(fā)展，噴

8、水推進(jìn)第一次得到較大發(fā)展。20世紀(jì)五、六十年代建造了幾型噴水推進(jìn)水翼船，七十年代是它發(fā)展十分迅速的時(shí)期。自1980年KaMeWa公司推出首臺(tái)混流泵噴水推進(jìn)器以來(lái)，使噴水推進(jìn)在軍用船舶和民用船舶上得到較多的采用。隨著噴水推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)展，它將成為更多艦船推進(jìn)器的選擇方案。噴水推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的趨向是：由小功率向大功率發(fā)展；應(yīng)用船的噸位由小型向大型拓展；航速由高速向中低速發(fā)展；技術(shù)不斷成熟，應(yīng)用將更加廣泛。目前推進(jìn)泵效率可達(dá)92%左右，推進(jìn)總效率可達(dá)65%70%左右。KaMeWa的180SII噴水推進(jìn)器功率大于40MW。第17頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.1 噴水推進(jìn)器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：一是水下噪聲??；二是船的附體

9、阻力小，如再考慮到推進(jìn)效率影響，相同推進(jìn)功率的船，航速可提高；三是推進(jìn)效率較高；四是操縱性好；五是適應(yīng)變工況能力強(qiáng)；六是抗空泡能力強(qiáng)。另外噴水推進(jìn)還具有吃水淺，淺水效應(yīng)好，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：一是航速低于2025節(jié)時(shí)效率一般較螺旋槳低，但如果考慮到附體阻力小、主機(jī)工況變化小、齒輪箱速比小等因素，情況將會(huì)有所改變；二是重量大，由于船內(nèi)管道內(nèi)有水，增大了船的排水量；三是在水草或雜物較多水域使用，進(jìn)口易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，流道污染清理較難；四是價(jià)格比螺旋槳貴；五是換泵葉較麻煩。第18頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.2 噴水推進(jìn)原理 噴水推進(jìn)裝置的噴水泵使由進(jìn)水管進(jìn)入的水流的動(dòng)量增加，在噴口處水流以大于船速的流

10、速向后噴出，其反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)。噴水推進(jìn)裝置實(shí)際是一個(gè)泵，其軸轉(zhuǎn)速并不直接與船速有關(guān)，無(wú)論船處于靜止還是以最大速度航行，噴水推進(jìn)器的軸轉(zhuǎn)速不受船速影響，這與傳統(tǒng)螺旋槳不同。 第19頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.2.1 噴水推進(jìn)船操縱原理圖 第20頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.2.2 噴泵倒車(chē)裝置作用原理圖 第21頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.3 噴水推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)圖 噴水推進(jìn)裝置主要由進(jìn)水管道、噴泵、出水噴管和倒車(chē)裝置、控制系統(tǒng)等組成。第22頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.4 國(guó)外主要的噴水推進(jìn)器公司KaMeWa噴水推進(jìn)裝置實(shí)物圖Hamilton公司噴水推進(jìn)裝置實(shí)物圖第23頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.4 國(guó)外主要的噴水推進(jìn)器公司L

11、ips公司噴水推進(jìn)裝置實(shí)物圖 MJP公司噴水推進(jìn)裝置實(shí)物圖第24頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.5 噴水推進(jìn)器與常規(guī)螺旋槳性能比較 效率比較航速比較 3.2.5.1 KaMeWa噴水推進(jìn)與常規(guī)槳效率、功率比較 第25頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.5.2 KaMeWa噴泵與常規(guī)槳噪聲比較（航速15kn）第26頁(yè)，共52頁(yè)。 3.2.5.3裝有KaMeWa噴泵與常規(guī)螺旋槳船的回轉(zhuǎn)直徑比較第27頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.6 噴水推進(jìn)裝置的控制系統(tǒng)圖第28頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.7 KaMeWa 噴水推進(jìn)試驗(yàn)室圖 第29頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.8 噴水推進(jìn)裝置的典型應(yīng)用3.2.8.1 燃?xì)廨啓C(jī)帶噴泵第30頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.

12、8.2 CODOG三軸噴水推進(jìn)（中間泵無(wú)倒車(chē)裝置）第31頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.8.3 某高速渡輪的四軸噴水推進(jìn)裝置第32頁(yè)，共52頁(yè)。3.2.8.4 其它應(yīng)用第33頁(yè)，共52頁(yè)。3.3 吊艙推進(jìn)器吊艙推進(jìn)器（POD）是將推進(jìn)電機(jī)安裝在水下箱體內(nèi)，直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。有單電機(jī)、雙電機(jī)和一軸單槳、雙槳等不同形式。與Z型推進(jìn)器相比，吊艙推進(jìn)器由于省去了機(jī)械傳動(dòng)，減少了機(jī)械損耗，降低了振動(dòng)和噪音，改善了船體結(jié)構(gòu)，使艉部線型優(yōu)化，吊艙的流線型設(shè)計(jì)，提高了流體動(dòng)力效率。比傳統(tǒng)軸式傳動(dòng)電力推進(jìn)系統(tǒng)更充分地發(fā)揮了綜合電力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 第一臺(tái)吊艙推進(jìn)器于1990年12月由ABB公司應(yīng)用在芬蘭的航道工作

13、船上，其功率為1.5MW，ABB公司的吊艙稱為“方位吊艙”(Azipod)。隨后，Cegelec公司和KaMeWa公司合作研制出吊艙推進(jìn)器，稱為“美人魚(yú)”（Mermaid）。西門(mén)子肖特爾推出的吊艙推進(jìn)器稱為西肖吊艙（SSP）。STN ATLAS公司和Lips BV公司開(kāi)發(fā)了稱為“海豚”的吊艙（Dolphin） 第34頁(yè)，共52頁(yè)。3.3.1 吊艙推進(jìn)器的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn): 1、采用吊艙裝置后，不需要減速齒輪箱、艉軸系、艉舵和舵機(jī)以及艉側(cè)推器等常規(guī)設(shè)備。這樣主機(jī)布置靈活，可節(jié)省艙容。造船時(shí)無(wú)需進(jìn)行軸系校正，只需對(duì)吊艙一次性整體吊裝，可縮短船建造周期。 2、噪音低。由于吊艙裝置位于最佳尾跡區(qū)，可減少空

14、泡現(xiàn)象，減弱了螺旋槳產(chǎn)生的振動(dòng)，改善了流體動(dòng)力性能。 3、優(yōu)良的操縱性。航向保持能力強(qiáng)，較小的轉(zhuǎn)彎半徑，很短的急停距離。 4、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好。所需功率比雙槳船低，燃油費(fèi)用低，能縮短檢修周期和在港機(jī)動(dòng)時(shí)間。第35頁(yè)，共52頁(yè)。3.3.1 吊艙推進(jìn)器的優(yōu)缺點(diǎn) 缺點(diǎn): 1、采用吊艙雖然船舶造價(jià)低，但總的投資還是大些。 2、目前吊艙功率有限（30MW，最大槳直徑為6m左右），這就限制了吊艙在功率要求高的快速船上的應(yīng)用。 3、由于目前吊艙內(nèi)電機(jī)功率容積限制，吊艙槳的直徑、轉(zhuǎn)速不是最佳值。吊艙槳的效率比傳統(tǒng)槳舵裝置效率低，但對(duì)雙槳船而言，由于傳統(tǒng)槳舵裝置的附體阻力較大。吊艙槳船對(duì)相同航速所需的功率還是要低。

15、 4、吊艙槳在戰(zhàn)斗艦船上應(yīng)用還需研究解決一些問(wèn)題。第36頁(yè)，共52頁(yè)。3.3.2 國(guó)外幾家主要的吊艙推進(jìn)器ABB Azipod吊艙推進(jìn)器第37頁(yè)，共52頁(yè)。 阿爾斯通公司“美人魚(yú)”吊艙推進(jìn)器 第38頁(yè)，共52頁(yè)。 西門(mén)子肖特爾公司（SSP）吊艙推進(jìn)器 第39頁(yè)，共52頁(yè)。3.3.3 SSP吊艙推進(jìn)器的特點(diǎn)永磁電機(jī)的直徑可以減少40%；電機(jī)的效率上升到98%；減輕了電動(dòng)機(jī)的重量；不需要外部空氣冷卻系統(tǒng),電動(dòng)機(jī)冷卻由電動(dòng)機(jī)機(jī)罩外表面的海水實(shí)現(xiàn)冷卻；雙螺旋槳配置，減小了螺旋槳的直徑與槳轂直徑比,把總的推進(jìn)負(fù)載均勻分到兩套螺旋槳上，回收前螺旋槳的旋渦能量；在兩鰭上產(chǎn)生推力；降低了螺旋槳的壓力空泡效應(yīng),

16、 降低了噪音；降低了操舵的轉(zhuǎn)矩；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊；機(jī)械部件少。第40頁(yè)，共52頁(yè)。3.3.4 吊艙推進(jìn)器的的應(yīng)用情況吊艙推進(jìn)器優(yōu)勢(shì)使它在民船及軍輔船上應(yīng)用較廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅ABB公司總計(jì)吊艙單127臺(tái)套，裝船總功率1320MW。隨著該技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，艦船采用吊艙式推進(jìn)器已開(kāi)始越來(lái)越多地成為國(guó)外海軍艦船的選擇。 二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，英國(guó)海軍油船、海洋考察船、法國(guó)海軍多用途登陸艦、西班牙海軍兩棲攻擊艦、荷蘭海軍船塢登陸艦、挪威海軍海洋警備艦、加拿大海軍破冰船等多型輔船采用了吊艙推進(jìn)器。英、法、美、德、北約等國(guó)家或組織的海軍已將吊艙式推進(jìn)器列入其發(fā)展計(jì)劃。第41頁(yè)，共52頁(yè)。英國(guó)計(jì)劃發(fā)展的驅(qū)逐

17、艦吊艙推進(jìn)器布置圖第42頁(yè)，共52頁(yè)。3.4 Z型推進(jìn)器Z型推進(jìn)器是將推進(jìn)電動(dòng)機(jī)布置在船體內(nèi)，由上下二對(duì)傘型齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)螺旋槳的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。下傘型齒輪和螺旋槳成一體，位于水下箱體內(nèi)，可以任意360左右旋轉(zhuǎn)，具有良好的推進(jìn)和操縱性能。操舵是通過(guò)專門(mén)的液壓裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。Z型推進(jìn)器已有50多年的發(fā)展歷史，技術(shù)較成熟，主要應(yīng)用于航速低于15kn的拖輪及海上作業(yè)船。一般單機(jī)功率小于3000kW。Z型推進(jìn)器按槳的不同結(jié)構(gòu)形式又可分為單槳SRP和雙槳STP等。第43頁(yè)，共52頁(yè)。3.4.1 SRP Z型推進(jìn)器結(jié)構(gòu)原理圖第44頁(yè)，共52頁(yè)。3.4.2 SRP Z型推進(jìn)器在船上安裝圖第45頁(yè)，共52頁(yè)。3.4.

18、3 STP Z型推進(jìn)器結(jié)構(gòu)原理圖第46頁(yè)，共52頁(yè)。3.4.4 Z型推進(jìn)器與吊艙推進(jìn)器性能比較項(xiàng)目與名稱Z推（SRP）Z推（STP）吊艙電機(jī)位置船內(nèi)同左水下吊艙內(nèi)電機(jī)類(lèi)型異步電機(jī)同左永磁電機(jī)電機(jī)效率95%96%同左98%槳效率水動(dòng)力性能差，效率低水動(dòng)力性能好，效率較高水動(dòng)力性能好，效率高齒輪傳動(dòng)兩組90度傘型齒輪同左無(wú)齒輪潤(rùn)滑油量3500L同左60L冷卻裝置、濾器、油泵有有無(wú)機(jī)械傳動(dòng)效率95%同左100%推進(jìn)總效率比POD低12%比POD低5%比SRP高12%啟動(dòng)性能預(yù)熱滑油比POD慢同左較快軸承數(shù)12個(gè)同左4個(gè)轉(zhuǎn)舵裝置液壓（機(jī)構(gòu)效率70%）同左電氣(機(jī)構(gòu)效率90%)或液壓旋轉(zhuǎn)軸數(shù)34組同左單一軸系對(duì)中需要同左不需要電機(jī)發(fā)熱熱散在艙內(nèi)同左由海水帶走噪聲振動(dòng)較大同左較小占艙容大同左小運(yùn)動(dòng)件維護(hù)量較大同左 比Z推減少75%第47頁(yè)，共52頁(yè)。3.5 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳(CRP)或稱雙反轉(zhuǎn)螺旋槳。是將兩個(gè)普通螺旋槳分別裝于同心軸上，以相反方向旋轉(zhuǎn)，如圖所示。因?yàn)榍昂舐菪龢擦鞯男D(zhuǎn)方向相反，其總的結(jié)果是