船舶動力裝置的歷史及未來發(fā)展

船舶動力裝置的歷史及未來發(fā)展TheHistoryandFutureofMarinPowerSystem主要內(nèi)容

船舶動力裝置簡介

船用柴油機(jī)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展

船舶電力推進(jìn)技術(shù)的歷史與發(fā)展

挑戰(zhàn)與展望世界和中國都需要大規(guī)模的航運(yùn)。中國對外貿(mào)易1.15億USD，其中90%通過遠(yuǎn)洋航運(yùn)實(shí)現(xiàn)?！瓦M(jìn)口1.2億噸，居世界第二。每天都有以千萬噸計(jì)的油輪正在為中國運(yùn)送石油——礦石進(jìn)口，去年我國進(jìn)口鐵礦石20799萬噸，銅礦石進(jìn)口288萬噸，居世界第一。礦石絕大部分自澳大利亞、南非、南美進(jìn)口航運(yùn)業(yè)（Shipping）

——一個(gè)長盛不衰、欣欣向榮的行業(yè)

——最大的貼牌生產(chǎn)國——最大的輕工業(yè)、紡織業(yè)出口國——世界集裝箱運(yùn)輸量的1/3在中國。世界前10位集裝箱港口中，中國的香港、上海、深圳分別名列第一、第三、四位。（2010年世界集裝箱港口排名）

保障航運(yùn)的安全和暢通才能保障國防和社會生活的安全運(yùn)行。中國的航運(yùn)業(yè)將會繼續(xù)高速發(fā)展。船舶動力裝置

——船舶的心臟

航運(yùn)的硬件平臺是船舶和港口。港口是航運(yùn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。它需要能讓大型船舶停泊（深水），并有高效的裝卸設(shè)備和大面積的堆場。船舶是航運(yùn)的主體，穿梭于港口之間，其前進(jìn)和操縱的能力來自于其推進(jìn)裝置。船舶也相當(dāng)于有人居住的水上島嶼，需要有完整的循環(huán)系統(tǒng)來保障生產(chǎn)和生活環(huán)境，如供電、供水、供暖（冷）、治污等。依據(jù)船舶的用途，船舶有專用的工作機(jī)械：——艦船戰(zhàn)斗系統(tǒng)——鉆井船開采系統(tǒng)——挖泥船疏浚系統(tǒng)——漁船捕撈系統(tǒng)通常這些系統(tǒng)都以電力驅(qū)動。失去了動力，船舶便成為隨風(fēng)浪漂流的死船，處在極端危險(xiǎn)的境地。船舶動力系統(tǒng)的類型船舶動力系統(tǒng)通常有兩種類型。一、原動機(jī)與推進(jìn)器機(jī)械聯(lián)接構(gòu)成獨(dú)立的推進(jìn)裝置，另有船舶電站，負(fù)責(zé)供應(yīng)所有輔助機(jī)械及生活系統(tǒng)。推進(jìn)用的原動機(jī)又稱為主機(jī)（MainEngine）現(xiàn)有的船舶80%以上，采用這類系統(tǒng)。原動機(jī)（PrimeMotor）是將燃料的化學(xué)能（或原子能）轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。原動機(jī)常用的為柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽渦輪（常規(guī)或原子鍋爐）。推進(jìn)器（Propeller）通常為螺旋槳（螺距固定或可控），在小型高速船舶中也有用噴水推進(jìn)（WaterJetPropulsion）的。原動機(jī)和推進(jìn)器可以直聯(lián)或通過減速齒輪聯(lián)接。Energysources：FossilAtomic…GeneratorMainengine：DieselTurbine...loadsMechanicalEnergyElectricenergyPropellersEnergysources：FossilPrimeengine：DieselTurbine...MechanicalEnergy原動機(jī)的分類及用途汽油機(jī)GasolineEngine柴油機(jī)DieselEngine蒸汽渦輪裝置SteamTurbine燃?xì)鉁u輪裝置GasTurbine熱效率較低，功率小于200千瓦，大量用于汽車，僅游艇等小型船舶使用。

熱效率最高，低速柴油機(jī)可與螺旋槳直聯(lián)。80%以上的民用商船采用柴油機(jī)為主機(jī)，通常小于10萬千瓦

由渦輪和鍋爐組成，熱效率較柴油機(jī)低。功率可很大，以煤為燃料的裝置常用于發(fā)電廠，在船舶上常用于核動力船及液化天然氣船

重量輕而功率大，常用于航空發(fā)動機(jī)，船舶中主要用于軍艦

二、電力推進(jìn)的船舶動力裝置（MarineElectricPropulsion）電力推進(jìn)船舶有一個(gè)集中的中央電站，向全船供應(yīng)動力，包括推進(jìn)動力在內(nèi)。電力推進(jìn)船舶目前大約只占1/6，但未來將會成倍增長。

MEPS:WHAT’s&WHYMEPSisapropulsionsysteminwhichpropellersaredrivenbyelectricmotorsEnergysources：FossilAtomic…PropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine...FuelCellOtherloadsMechanicalEnergyElectricenergy船用柴油機(jī)的現(xiàn)狀與未來發(fā)展TheHistoryandfutureofMarineDieselEngine---柴油機(jī)：顧名思義是以柴油為原料石油燃料分類天然氣CH4/C2H6液化石油氣C3H8/C4H10汽油~C8煤油＞C8柴油~C16重油＞C16瀝青易于點(diǎn)燃易于自燃不易燃燒沸點(diǎn)增加方向C原子增加方向一、柴油機(jī)最基本的特征

TheBasicFeatureofDieselEngine:What’s&Why柴油機(jī)的工作原理（WorkingPrincipal）：i)活塞下行：吸入空氣

ii)活塞上行：壓縮空氣，使空氣變熱，壓力增加，燃油噴在熱空氣中著火產(chǎn)生高溫高壓

iii)活塞下行：高溫高壓煙氣膨脹推動活塞下行

iv)活塞上行：將已燃煙氣排出缸外

v)活塞下行：吸入空氣…，新的循環(huán)開始

柴油機(jī)是一種原動機(jī)（PrimeMotor，Engine)：——將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)換器(EnergyConverter)——為人類提供機(jī)械能(MechanicalEnergySupplier)——柴油機(jī)：顧名思義是以柴油為燃料

柴油機(jī)是一種內(nèi)燃機(jī)（InternalCombustionEngine)：

燃料在發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒（蒸汽機(jī)(SteamEngine)、蒸汽渦輪(SteamTurbine)等為外燃機(jī)(ExternalCombustionEngine)，汽油機(jī)也是內(nèi)燃機(jī)）柴油機(jī)是一種往復(fù)式發(fā)動機(jī)（ReciprocatingEngine)：

其特征是具有曲柄連桿機(jī)構(gòu)，將周而復(fù)始的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為持久的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

柴油機(jī)是一種壓燃式發(fā)動機(jī)（CompressedIgnitionEngine)：

燃料在壓縮后的熱空氣中自燃著火。汽油機(jī)是以火花去點(diǎn)燃熱的油、氣混合物，稱為點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)（SparkIgnitionEngine)

迄今為止，柴油機(jī)仍然是熱效率最高，應(yīng)用最廣泛的發(fā)動機(jī)。在船舶動力及大功率車輛的應(yīng)用上占有絕對的優(yōu)勢。二、柴油機(jī)的發(fā)展歷史

TheHistoryofDieselEngineDevelopment柴油機(jī)又名狄塞爾發(fā)動機(jī)，是德國人RudolfDiesel在1890年發(fā)明，是老牌工業(yè)文明的產(chǎn)物。

1893至1897年期間，在德國的奧古斯堡MAN制造廠開發(fā)出了第一臺可以應(yīng)用的柴油機(jī)。今天MAN公司仍然是世界上最大的柴油機(jī)制造商之一在最初20年中，柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，并在航空、車輛、航海等方面取得廣泛的應(yīng)用。1912年首臺柴油機(jī)用于遠(yuǎn)洋船舶，此時(shí)船舶的動力還是蒸汽機(jī)的天下（Titanic，即在該年首航并沉沒)。在此后20余年的競爭中，隨著二次世界大戰(zhàn)中“自由輪”的退役，蒸汽機(jī)全面退出了歷史舞臺，取而代之的是大功率的船用柴油機(jī)。另一方面在航空領(lǐng)域中渦輪機(jī)及噴氣機(jī)的崛起，則使星型航空發(fā)動機(jī)在飛行動力中被淘汰。在數(shù)十年的競爭過程中很多名牌公司被淘汰或兼并，其中包括美國、英國、荷蘭、瑞典等發(fā)達(dá)國家的制造商。今天90%以上的遠(yuǎn)洋船市場已被2~3個(gè)大跨國公司所壟斷。這些處于壟斷地位的大跨國公司主要是MAN-B&W公司以及Watshila-Sulzer公司，世界主要的造機(jī)或造船廠都是購買了他們的專利許可證生產(chǎn)他們的產(chǎn)品在韓國生產(chǎn)的MANB&WS90市場的需求引導(dǎo)著技術(shù)進(jìn)步的方向經(jīng)濟(jì)的全球一體化需要大規(guī)模的跨洋物流，從而要求船舶大型化、快速化。這就要求柴油機(jī)的功率迅速增長（因?yàn)椴裼蜋C(jī)的功率必需與螺旋槳轉(zhuǎn)速的三次方成正比）——特別是集裝箱船,不僅裝箱數(shù)增多,而且航速要求提高到24~25kn。例如建造裝運(yùn)TEU12000個(gè)，航速23~24kn的集裝箱船，要求單機(jī)功率近100,000kWTheHamburgExpress，theworld'slargestcontainership，carriesuptoTEU7500，poweredbyahuge12K98MC，70,000kWDieselEngine—遠(yuǎn)洋輪的需求導(dǎo)致低速柴油機(jī)巨人的出現(xiàn)由于螺旋槳轉(zhuǎn)速低時(shí)，效率較高，而較低的轉(zhuǎn)速也有利于燃料的燃燒。因此出現(xiàn)了60~70rpm/min的低速柴油機(jī)，柴油機(jī)的高度達(dá)到15米以上，這種機(jī)型稱為低速二沖程發(fā)動機(jī)，廣泛地用于遠(yuǎn)洋船舶?！娛律系男枨髮?dǎo)致了增壓技術(shù)的發(fā)展：在有限的空間和重量下發(fā)出最大功率早期的柴油機(jī)都是自然吸氣的，在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，有限的空氣只能燃燒有限的油，從而只能發(fā)出有限的功率。增壓(Supercharging)是指把空氣壓縮，密度增大后再進(jìn)入發(fā)動機(jī)氣缸。如此，氣多、油多，功率自然增加增壓技術(shù)的突破是在上世紀(jì)50年代初，至今非增壓的柴油機(jī)除了在部分車輛上還有使用外，在船舶上已經(jīng)絕跡燃燒的技術(shù)是柴油機(jī)最重要的核心技術(shù)——燃燒必須及時(shí)，并在以毫秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)結(jié)束——燃燒必須完全，不能有黑煙、CO、NOx等有害排放——燃燒必須平順，以減少振動和噪聲——對于燃燒過程的認(rèn)識并未窮盡，對于燃燒的控制也遠(yuǎn)未達(dá)到完善能源危機(jī)與重油的應(yīng)用在運(yùn)價(jià)激烈的競爭中，船東提出了降低燃料費(fèi)用的要求。降低燃料費(fèi)用一個(gè)重要措施是使用低品質(zhì)的燃料油(FuelOil)，柴油(DieselOil)和燃料油的價(jià)格相差一倍以上。這就導(dǎo)致了重油技術(shù)的誕生，今天這一技術(shù)已經(jīng)從低速機(jī)普及到中速機(jī)。三、船用柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

TheStateoftheArtofMarineDieselEngine自從柴油機(jī)誕生以來，技術(shù)性能已經(jīng)發(fā)生了極大的變化：——效率已經(jīng)從25%提高到50%，在近十年來，每年提高1%。這意味著用同樣的油現(xiàn)在可以產(chǎn)生一倍以上的馬力——平均壓力從0.5~0.6MPa提高到2.5MPa，這意味著同樣大小的柴油機(jī)現(xiàn)在可以產(chǎn)生四倍的馬力新的技術(shù)和方法

NewTechnologies&Solutions高新技術(shù)正在改變著傳統(tǒng)柴油機(jī)的面貌。電子控制及IT技術(shù)——常規(guī)的機(jī)械控制裝置被取代——各種芯片、傳感器、控制器、執(zhí)行器成為發(fā)動機(jī)運(yùn)行的靈魂——遙控、無人機(jī)艙、一人船橋（OneManBridge）

——智能發(fā)動機(jī)及中央能量管理系統(tǒng)（IntelligentEngine）——新的世紀(jì)：電子控制的智能發(fā)動機(jī)的時(shí)代已經(jīng)來臨，MAN的智能發(fā)動機(jī)2000年11月已經(jīng)在挪威的一艘37500dwt化學(xué)品船上試用船舶電力推進(jìn)技術(shù)的歷史與發(fā)展

傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)柴油機(jī)與推進(jìn)器機(jī)械連接的缺點(diǎn)：1、主機(jī)的功率必須按船舶最高航速配置，當(dāng)工作在低速時(shí)，柴油機(jī)的效率迅速降低。原動機(jī)負(fù)載低時(shí)效率低是不可避免的，這就象大馬拉小車一樣。因而機(jī)動性要求高的船舶，例如軍艦、郵輪、各種工作船舶，其油耗高成為難以解決的頑癥。2、柴油機(jī)不能工作在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之下（當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，柴油機(jī)會失火）。對于操縱性要求高，需要?jiǎng)討B(tài)定位的船舶無法滿足要求（海上鉆井、電纜敷設(shè)、海上輸油）。另外在低轉(zhuǎn)速下也發(fā)不出大的扭矩（破冰船），沒有制動功能和迅速正倒車。3、主機(jī)與推進(jìn)器剛性連接，制約了機(jī)艙優(yōu)化布置，占據(jù)了巨大空間，傳統(tǒng)的舵—螺旋槳的推進(jìn)效率低于電力推進(jìn)船舶的吊艙推進(jìn)器。

以上缺點(diǎn)，正好是電力推進(jìn)船舶的優(yōu)點(diǎn)。電力推進(jìn)船舶的優(yōu)點(diǎn)機(jī)動性：巡航時(shí)，可以關(guān)閉部分或大部分發(fā)電機(jī)組。操縱性：現(xiàn)代控制器驅(qū)動的推進(jìn)器可以在零轉(zhuǎn)速附近工作，并具有大扭矩，并有制動功能。柔性布置：可以把推進(jìn)電機(jī)放在艉水下吊艙內(nèi)和螺旋槳連接，吊艙可以360°旋轉(zhuǎn)。舒適性：振動、噪聲小、隱蔽性好電力推進(jìn)船舶的市場趨勢包括核動力在內(nèi)的新一代軍用艦船將無一例外地采用電力推進(jìn)及綜合電力系統(tǒng)。美國會已經(jīng)通過聽證，同意弗吉尼亞級核潛艇采用綜合電力系統(tǒng)。油價(jià)的高企可能使電力推進(jìn)迅速用于新的領(lǐng)域?qū)V泛應(yīng)用于滾裝船、郵輪、集裝箱船、化學(xué)品及LNG船、高速船、離岸工作船（鉆井船）等在民用船方面，電力推進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)值目前仍約占15％左右，約USD800M。預(yù)測至2013年電力推進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)值將增長5～6倍，達(dá)到USD4bn～5bn，約為現(xiàn)有動力系統(tǒng)總產(chǎn)值的70～80％盡管如此，船舶電力推進(jìn)發(fā)展的歷史卻頗為曲折。由于結(jié)構(gòu)簡單的交流電機(jī)其轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)的工作頻率，而變頻問題長期來未能解決。因此幾十年來船舶電力推進(jìn)只是用在軍艦及特種用途船舶上，而未成為推進(jìn)動力的主流。交流電機(jī)最簡單的的原理概括如下：將交流電導(dǎo)入電機(jī)的定子繞組，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，該磁場將以與交流電頻率相應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子也產(chǎn)生磁場時(shí)，這二個(gè)磁場磁力的作用將使轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。如果交流電的頻率不變則電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展史

人們在200年前發(fā)現(xiàn)了電，在150年前發(fā)明了發(fā)動機(jī)，其原理簡單地說來即為電生磁、磁生力。通過磁場的媒介，電能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能反之亦然。－1795年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)電流－1800年，伏爾泰發(fā)明電池，人類第一次有了可使用的電能－1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，打開了電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換之門－1834年，Davenport發(fā)明了第一臺使用電刷及半圓環(huán)（機(jī)械換流器）的直流電動機(jī)，并用伏爾泰電池為電源作了電力機(jī)車模型，正是這個(gè)模型使卡爾.馬克思欣喜若狂－1882年，愛迪生采用同樣的原理用蒸汽機(jī)作為原動機(jī)發(fā)電，并將直流電用于照明－1886年，WilliamStanley發(fā)明變壓器－1882～1892年，NikolaTelsa發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場原理，發(fā)明無刷的交流感應(yīng)電動機(jī)及發(fā)電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了多相功率配送，開始了愛迪生與威斯汀豪斯的交、直流之戰(zhàn)：TheWarofCurrents。最終愛迪生失敗—1900年10月12日，第一艘美海軍潛水艇下水，采用汽油機(jī)和電動機(jī)驅(qū)動，載重64噸，航速6節(jié)

－1911年，第一艘柴油機(jī)船下水（二沖程4x250/370）－1913年，第一艘柴油－電力推進(jìn)船Tynemount下水，1644噸，300HP/400RPM。但因起動負(fù)載過大而未成功，1914年改裝，1916年被擊沉于大西洋－1917年，世界大戰(zhàn)爆發(fā)刺激了海軍的發(fā)展，期間電力推進(jìn)在艦船中得到了很快的發(fā)展。電力推進(jìn)的德國潛艇擊沉了共650萬噸商船；美新墨西哥級戰(zhàn)斗艦為蒸汽透平電力推進(jìn)，功率已達(dá)40，000HP－1918年電力在世界的迅速應(yīng)用，使得列寧說出了“共產(chǎn)主義等于蘇維埃+電氣化”的名言－1920年，S/SNOMANDY郵輪下水，功率達(dá)到29MW，采用蒸汽透平為原動機(jī)，以同步發(fā)電機(jī)及同步電動機(jī)組成的電力傳動來帶動螺旋槳。而同期使用電力推進(jìn)的航空母艦其功率已達(dá)到180，000HP－1934年，第一艘使用變距漿的船只下水。在其專利問世30年以后的這項(xiàng)技術(shù)，使交流電機(jī)可能用于電力推進(jìn)。－第二次世界大戰(zhàn)期間：約有300艘水面艦艇采用電力推進(jìn)技術(shù)。而主要的技術(shù)方案或?yàn)榻涣魍诫娏鲃樱驗(yàn)橹绷靼l(fā)電、直流電動機(jī)驅(qū)動。由于其固有缺點(diǎn)，因而限制了其應(yīng)用。在民用船方面，除了豪華輪及破冰船之外，很少采用。而柴油機(jī)潛艇只有采用電力推進(jìn)，因?yàn)樵谒潞叫须姵厥俏ㄒ坏哪茉?。在二?zhàn)中慘烈的大西洋之戰(zhàn)，德國有千余艘潛艇擊沉。而其水下航速僅6節(jié)/小時(shí)。此后在軍用方面，1960年美建造了電力推進(jìn)的Tullibee號核潛艇（1988年退役），1974年建造了Lipscomb號核潛艇。但這些傳統(tǒng)的電力推進(jìn)裝置維修困難，性能不佳，并不成功。

－1947年，美貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體。這是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，以至于我們可以把二十世紀(jì)的后五十年稱為硅世紀(jì)。期間，半導(dǎo)體的應(yīng)用向著兩個(gè)極端的領(lǐng)域迅猛發(fā)展。在微電子方面，大規(guī)模集成電路的硅芯片（wafercore）是構(gòu)成全部的絢爛的信息世界的基礎(chǔ)；而在強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和傳遞方面，可控硅的應(yīng)用使大功率電能的電子控制得以實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生了一門新的學(xué)科PowerElectronics今天，由于大功率可控硅技術(shù)的突破，人們可以用毫安級的微電流來控制幾千安的強(qiáng)大電流，并且在微秒級的時(shí)間內(nèi)使之導(dǎo)通或關(guān)閉。利用這些高速的大功率電子開關(guān)，人們可以輕易地改變交流電的瞬態(tài)波形。包括頻率、電壓和相位。用這樣的變頻器來驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)，可以滿足任何需要，包括轉(zhuǎn)速和扭矩。船舶推進(jìn)電機(jī)通常是和螺旋槳直聯(lián)，最大功率已達(dá)43,000kW(43MW)。電壓通常為6600伏~11000伏，電流達(dá)數(shù)千安以上。當(dāng)強(qiáng)大的電流通過時(shí)，即使優(yōu)良的銅導(dǎo)線也會產(chǎn)生大量的熱，大電流成為電機(jī)功率最主要的制約因素，此時(shí)只有增加電纜截面積和增加散熱面積。而這將引起電機(jī)重量和體積的增大。目前2萬千瓦推進(jìn)電機(jī)的外徑都在3米以上。此外，減少電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換中的損