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動力裝置原理與設(shè)計 主講 徐立15927497347 2020年3月30日星期一 2 主要內(nèi)容 船船動力裝置概論推進(jìn)裝置設(shè)計船舶后傳動設(shè)備船舶管路系統(tǒng)船舶動力裝置設(shè)計 2020年3月30日星期一 3 第1章船舶動力裝置概論 船舶動力裝置的含義及組成船舶動力裝置的類型及特點船舶動力裝置的基本特性指標(biāo)對船舶動力裝置的要求 2020年3月30日星期一 4 船舶動力裝置的含義及組成 含義 組成 推進(jìn)裝置輔助裝置機艙自動化船舶系統(tǒng)甲板機械 主發(fā)動機推進(jìn)器傳動設(shè)備 船舶電站輔助鍋爐裝置 保證船舶正常航行 作業(yè) 停泊以及船員 旅客正常工作和生活所必需的機械設(shè)備的綜合體 Tips 船舶動力裝置是一個復(fù)雜的能量綜合體 動力管系船舶管系 錨泊機械操舵機械起重機械 2020年3月30日星期一 5 典型的柴油機動力裝置能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 重油 柴油 機械能 熱能 電能 余熱 燃油加熱滑油加熱制淡裝置艙室取暖廚房加熱 駁動輔機船舶照明船舶通訊機艙自動化 2020年3月30日星期一 6 船舶動力裝置設(shè)計的特點和主要要求 2020年3月30日星期一 7 設(shè)計的特點 須符合船舶的特殊使用條件 船用條件 包括環(huán)境條件 空間條件 須設(shè)計成具有必要的目標(biāo)任務(wù)條件和合適的保障條件 包括營運條件 作業(yè)條件 研究條件及工作條件 生活條件和生存條件 須全面綜合地進(jìn)行設(shè)計 進(jìn)行通盤考慮 包括動力裝置與總體性能 動力裝置與其他專業(yè) 動力裝置內(nèi)部各子系統(tǒng)之間的綜合平衡和匹配 以實現(xiàn)預(yù)定的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 須全面掌握動力裝置所覆蓋的各技術(shù)領(lǐng)域 如船舶推進(jìn)技術(shù) 熱能轉(zhuǎn)換技術(shù) 電氣技術(shù) 安全技術(shù) 消防技術(shù) 防污染技術(shù) 冷藏技術(shù) 通風(fēng)和空調(diào)技術(shù) 仿真技術(shù)以及人員生活 生存技術(shù)等 受控于國際公約 規(guī)則 船級社規(guī)范 船旗國法規(guī)等要求和約束 須根據(jù)市場經(jīng)濟的特點 對設(shè)備的選用和配套應(yīng)在目標(biāo)成本的控制下進(jìn)行 2020年3月30日星期一 8 原則要求 1 營運經(jīng)濟性2 可靠性 冗余度 3 操縱性 操縱簡單 管理方便 4 可維性 設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式 系統(tǒng)與管路的布置應(yīng)使維修方便簡捷 5 建造經(jīng)濟性6 重量 尺寸指標(biāo)7 振動 噪聲指標(biāo) 2020年3月30日星期一 9 具體要求 符合任務(wù)書或規(guī)格書或合同文本對動力裝置的要求 符合船舶總體性能對動力裝置的要求 符合該船所入船級的船級社規(guī)范的要求 符合該船登記國 船旗國 的有關(guān)法規(guī) 如掛中國旗 應(yīng)符合 船舶和海上設(shè)施法定檢驗規(guī)范 符合該船受控的國際公約 規(guī)則的要求 Solas公約 MARPOL公約 符合該船營運中所涉水域或港口的有關(guān)規(guī)定 如進(jìn)入美國水域或?qū)俳?jīng)濟區(qū)則應(yīng)符合美國海岸警衛(wèi)隊USCG的規(guī)則 巴拿馬運河規(guī)則等 符合設(shè)備廠規(guī)定或推薦的系統(tǒng)設(shè)計要求 或與其協(xié)調(diào) 以最終滿足具體船舶的要求 2020年3月30日星期一 10 船舶動力裝置設(shè)計的主要內(nèi)容 2020年3月30日星期一 11 主要內(nèi)容 1 主推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計 包括主機選型 主機及齒輪箱配套 主機及齒輪箱和調(diào)距槳配套等 2 軸系設(shè)計 3 電站設(shè)計 主電站及應(yīng)急電站 4 熱源系統(tǒng)設(shè)計 蒸汽 熱媒油等 5 動力系統(tǒng)設(shè)計 燃油 滑油 冷卻水 壓縮空氣 進(jìn)排氣 加熱蒸汽或熱媒油等系統(tǒng) 和輔助設(shè)備選擇 6 船舶系統(tǒng)設(shè)計 疏排水系統(tǒng) 注入 測量 空氣系統(tǒng) 供水系統(tǒng) 艙底水系統(tǒng) 壓載水系統(tǒng) 消防系統(tǒng)等 以及油船 液化氣船和化學(xué)品船的專用系統(tǒng) 7 自動控制 監(jiān)測 報警系統(tǒng)設(shè)計 8 防污染系統(tǒng)設(shè)計 機艙防油污系統(tǒng) 油船防油污系統(tǒng) 生活污水防污染系統(tǒng)及防止有毒液體物質(zhì)污染系統(tǒng)等 9 機艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計 2020年3月30日星期一 12 船舶動力裝置的基本類型及特點 2020年3月30日星期一 13 基本類型 柴油機推進(jìn)動力裝置汽輪機推進(jìn)動力裝置燃?xì)廨啓C推進(jìn)動力裝置核動力推進(jìn)動力裝置聯(lián)合動力推進(jìn)動力裝置 052級驅(qū)逐艦 青島 號 053H3級導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦 型攻擊核動力潛艇 2020年3月30日星期一 14 柴油機推進(jìn)動力裝置的特點 優(yōu)點 A 有較高的經(jīng)濟性 耗油率比蒸汽 燃?xì)鈩恿ρb置低得多 B 重量輕 單位重量的指標(biāo)小 C 具有良好的機動性 操作簡單 啟動方便 正倒車迅速 D 功率范圍廣 缺點 A 柴油機尺寸和重量按功率比例增長快 B 柴油機工作中的噪聲 振動較大 C 中 高速柴油機的運動部件磨損較厲害 D 柴油機低速穩(wěn)定性差 E 柴油機的過載能力相當(dāng)差 2020年3月30日星期一 15 我國船舶大功率柴油機現(xiàn)狀 船用低速柴油機技術(shù)大功率低速柴油機的機型大都是二沖程 單氣門直流掃氣 定壓增壓 長行程 高壓縮比的十字頭式機 當(dāng)前 低速二沖程柴油機的平均有效壓力為1 90 1 95MPa 最高燃燒壓力15 15 5MPa 燃油消耗率165 171g kWh 單缸功率達(dá)到6950kW 大修期達(dá)28000h以上 船用中速柴油機技術(shù)國外大功率中速柴油機絕大部分是四沖程機 缸徑為160 640mm 轉(zhuǎn)速375 1150r min 平均有效壓力為2 4 3 0MPa 最高燃燒壓力16 21MPa 最高噴油壓力160 180MPa 燃油消耗率170 180g kWh 單缸功率2010kW 大修期為18000 24000h 2020年3月30日星期一 16 汽輪機推進(jìn)動力裝置 1 鍋爐2 過熱器3 主蒸汽管路4 高壓汽輪機5 低壓汽輪機6 減速齒輪7 螺旋槳8 冷凝器9 冷卻水循環(huán)泵10 凝水泵11 給水泵12 給水預(yù)熱器 2020年3月30日星期一 17 汽輪機推進(jìn)動力裝置的特點 優(yōu)點 a 單機功率大 可達(dá)7 5 104kW以上 b 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 無周期性擾動力 機組振動噪聲小 c 工作可靠性高 d 可使用劣質(zhì)燃料油 缺點 a 總重量大 尺寸大 b 燃油消耗率高 c 機動性差 啟動前準(zhǔn)備時間約為30 35min 緊急須15 20min Tips 汽輪機推進(jìn)裝置主要采用的是汽輪機 減速齒輪箱 定距槳的形式 少數(shù)采用汽輪機電力傳動形式 2020年3月30日星期一 18 燃?xì)廨啓C推進(jìn)動力裝置 1 螺旋槳2 減速齒輪3 壓氣機4 燃燒室5 燃?xì)廨啓C6 聯(lián)軸器7 起動電動機 1 壓氣機 2 燃燒室 3 燃?xì)廨啓C 2020年3月30日星期一 19 關(guān)于燃機 燃?xì)廨啓C裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃楣べ|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機 它的結(jié)構(gòu)與飛機噴氣式發(fā)動機一致 也類似蒸汽輪機 主要結(jié)構(gòu)有三部分 1 燃?xì)廨啓C 透平或動力渦輪 2 壓氣機 空氣壓縮機 3 燃燒室 其工作原理為 葉輪式壓縮機從外部吸入空氣 壓縮后送入燃燒室 同時燃料 氣體或液體燃料 也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合 在定壓下進(jìn)行燃燒 生成的高溫高壓煙氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C膨脹作功 推動葉片高速旋轉(zhuǎn) 乏氣排入大氣中或再加利用 2020年3月30日星期一 20 燃?xì)廨啓C推進(jìn)動力裝置的特點 優(yōu)點 a 單位功率的重量尺寸小 b 啟動加速性能好 c 振動小 噪聲小 缺點 a 主機沒有反轉(zhuǎn)性 b 必須借助啟動機械啟動 c 葉片材料昂貴 工作可靠性較差 壽命短 d 進(jìn)排氣管道尺寸大 艙內(nèi)布置困難 LM2500 2020年3月30日星期一 21 核動力推進(jìn)動力裝置 1 核反應(yīng)堆2 反應(yīng)堆芯3 控制棒4 冷卻循環(huán)泵5 蒸汽發(fā)生器6 高壓汽輪機7 低壓汽輪機8 輔汽輪機9 主冷凝器10 輔冷凝器11 主給水泵12 減速器13 螺旋槳14 穩(wěn)壓筒 2020年3月30日星期一 22 核動力推進(jìn)動力裝置的特點 優(yōu)點 a 極少的燃料釋放巨大的能量如1 1 106kW之核動力裝置工作一晝夜僅消耗核燃料15 18g b 無需空氣 缺點 a 裝置大 b 操縱管理檢查系統(tǒng)比較復(fù)雜 c 裝置造價昂貴 俄羅斯阿庫拉Akula 鯊魚 級戰(zhàn)略核潛艇 4型攻擊核動力潛艇 2020年3月30日星期一 23 聯(lián)合動力推進(jìn)動力裝置 汽輪機 加速燃?xì)廨啓C COSOG或COSAG 柴油機 加速燃?xì)廨啓C CODOG或CODAG 燃?xì)廨啓C 加速燃?xì)廨啓C COGAG或COGOG 尼米茲級航空母艦 美 林肯 號1 2020年3月30日星期一 24 聯(lián)合動力推進(jìn)動力裝置的特點 優(yōu)點 a 重量尺寸小 b 操縱方便 備車迅速 c 自巡航到全速工況加速迅速 d 具有多機組并車的可靠性 e 管理與檢修費較低 缺點 a 必須配備不同燃料及相應(yīng)的管路及貯存設(shè)備 b 主減速器的小齒輪數(shù)目多 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 c 在減速器周圍布置有難度 英 無敵 號 意 加里博迪號 2020年3月30日星期一 25 艦船電力推進(jìn)的應(yīng)用概況 艦艇電力推進(jìn)的應(yīng)用歷史悠久 二戰(zhàn)時期曾流行一時 當(dāng)時 美海軍建造了數(shù)百艘電力推進(jìn)戰(zhàn)艦 當(dāng)時采用電力推進(jìn)的主要原因是齒輪裝置制造量不足 由于技術(shù)水平的限制 系統(tǒng)大而笨 效率低 成本高 戰(zhàn)后 除德國的17艘 萊茵 級護(hù)衛(wèi)艦采用柴電推進(jìn)外 其它水面艦艇均采用機械推進(jìn) 80年代后 隨著交流電機及其控制技術(shù) 電力電子器件的發(fā)展 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在功率 功率密度 效率等方面已經(jīng)能滿足船舶推進(jìn)的需要 其應(yīng)用情況也發(fā)生了根本性的變化 據(jù)統(tǒng)計 80年代后期以來 水面作戰(zhàn)艦艇開始有了電力推進(jìn)與機械推進(jìn)相結(jié)合的混合推進(jìn) 小功率的電力推進(jìn)已在英國的 桑當(dāng) 級獵雷艇 法國的 Silure 級輕型反潛護(hù)衛(wèi)艦 瑞典的 菲呂桑德 級布雷艇 法 荷 比三國聯(lián)合研制的 三伙伴 級獵雷艇等水面艦艇上得到應(yīng)用 2020年3月30日星期一 26 電力推進(jìn)的組成部分 艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)一般由以下幾部分組成 螺旋槳電動機 采用直流他勵雙樞雙換向器電動機或交流同步電動機 異步電動機 目前用的最多的是直流雙樞電動機發(fā)電機 采用直流他勵或復(fù)勵電機 交流整流同步發(fā)電機或交流同步發(fā)電機 原動機 采用柴油機 汽輪機或燃?xì)廨啓C 目前一般采用高速或中速柴油機 大功率時多采用汽輪機或燃?xì)廨啓C 控制調(diào)節(jié)設(shè)備 潛艇蓄電池也是一種電力推進(jìn)裝置 2020年3月30日星期一 27 目前艦艇電力推進(jìn)裝置的發(fā)展動向 以交流 交流發(fā)電機和交流電動機 電力推進(jìn)裝置取代直流 直流發(fā)電機和直流電動機 電力推進(jìn)和交直流 交流整流發(fā)電機和直流電動機 電力推進(jìn)裝置交流電力推進(jìn)裝置具有極限功率大 效率高和可靠性好的優(yōu)點 根據(jù)推進(jìn)電機的類型 可分為異步電動機和同步電動機交流推進(jìn)裝置 而根據(jù)電流交換器的結(jié)構(gòu)形式不同分為晶閘管變頻交流電力推進(jìn)裝置 電力晶體管和可關(guān)斷晶閘管交流電力推進(jìn)裝置 發(fā)展超導(dǎo)電力推進(jìn)是以超導(dǎo)電機 超導(dǎo)發(fā)電機和超導(dǎo)電動機 為功率元件的電力推進(jìn)裝置 與普通電力推進(jìn)相比 具有重量輕 體積小 效率高 噪聲低的特點 由于超導(dǎo)材料必須工作在相應(yīng)的臨界溫度以下 要有一套復(fù)雜的液氮設(shè)備 所以在一定程度上制約了它的廣泛應(yīng)用 近年來 隨著低溫技術(shù)的迅速發(fā)展 特別是低溫技術(shù)的小型化 為超導(dǎo)電力推進(jìn)在艦艇上的應(yīng)用提供了良好的條件 2020年3月30日星期一 28 目前艦艇電力推進(jìn)裝置的發(fā)展動向 發(fā)展?jié)撏剂想姵赝七M(jìn)系統(tǒng)以代替現(xiàn)有的潛艇鉛酸電池潛艇燃料電池電力推進(jìn)裝置是以燃料電池為潛艇水下航行動力源的推進(jìn)裝置 燃料電池是一種能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換裝置 電池本體加上燃料 氧化劑及它們的貯存器構(gòu)成一個完整的燃料電池系統(tǒng) 其特點是 在能量轉(zhuǎn)換方式上與蓄電池相同 都是化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能 因此具有安靜 效率高的優(yōu)點 在構(gòu)成方式上則與柴油發(fā)電機組相似 即貯能部分 貯存燃料及氧化劑的貯存器 與能量轉(zhuǎn)換裝置部分相分離 因此具有長時間連續(xù)工作的能力 只要燃料和氧化劑足夠 而不象蓄電池那樣需要來回充放電 近年來 燃料電池研究取得了一些重大的技術(shù)突破 例如 潛艇上液態(tài)氧貯存器采用新式殼體結(jié)構(gòu) 有些國家研究了用氫化物制取氫的方法等 發(fā)展綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng) 2020年3月30日星期一 29 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng) 英國綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究英國國防部于1994年正式開始IFEP系統(tǒng)的應(yīng)用研究 1996年成立了一個專門機構(gòu) 電船計劃管理局 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)發(fā)展和采購未來英海軍水面艦艇的綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng) 英國IFEP發(fā)展計劃的重點首先是發(fā)展原動機 英國堅持原動機全燃化 大功率 21MW 燃?xì)廨啓C發(fā)電機主要使用WR 21中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C 中功率 7 8MW 采用復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C 又與荷蘭合作試驗小型復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C 僅有回?zé)崞?作為小功率 1 2MW 燃?xì)廨啓C發(fā)電機的基礎(chǔ) IFEP系統(tǒng)的另一個主要設(shè)備是推進(jìn)電機 英國正在研制16 24MW的軸向磁通永磁電機 IFEP系統(tǒng)將可能用于英國的未來護(hù)衛(wèi)艦 未來航空母艦和未來攻擊型潛艇 2020年3月30日星期一 30 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng) 美國綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究自80年代以來 美國海軍一直積極發(fā)展艦艇綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng) 主要集中發(fā)展海軍艦艇推進(jìn) 電力和控制系統(tǒng) 美國在21世紀(jì)海軍發(fā)展規(guī)劃中 明確提出綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作主要集中在發(fā)電 如WR 21中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C 燃料電池等 電力儲存 如蓄電池 飛輪 電感能量儲存 電容能量儲存 壓縮氣體或蒸汽設(shè)備等 和推進(jìn)技術(shù) 如永磁電機 等方面 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展分三個階段 小比例預(yù)研 全尺寸樣機預(yù)研和全尺寸工程研制 前兩個階段已接近完成 第一階段中制成了3兆瓦 300轉(zhuǎn) 分的軸向磁通永磁電機 第二階段中制造了9 2MW 150轉(zhuǎn) 分的全尺寸永磁電機樣機 該樣機由兩個半功率模塊組成 共用機殼 軸和軸承 采用釹 鐵 硼稀土永磁材料 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的線繞電樞 同時還采用橫向磁通技術(shù) 電機小而輕 1998財政年度開始全尺寸工程研制 法國參與了美 英的IFEP研究計劃 德國 加拿大也對水面艦艇的全電力推進(jìn)方案進(jìn)行了研究 2020年3月30日星期一 31 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點和不足 同機械推進(jìn)方式相比 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)在經(jīng)濟性 提高戰(zhàn)斗力 增強生命力等方面具有優(yōu)勢 經(jīng)濟性好 IFEP系統(tǒng)油耗小 據(jù)美國近期報道 驅(qū)逐艦采用全電力推進(jìn) 在30年工作壽命期間將比機械推進(jìn)節(jié)省16 以上的燃料費 IFEP節(jié)油的原因在于 a 低速航行時 電力推進(jìn)可用較少的發(fā)動機提供相同的凈功率 b 電力推進(jìn)艦艇在低速航行時 能夠使原動機在高功率工作點運行 而機械推進(jìn)艦艇在低速航行時 原動機效率下降 耗油量增大 c IFEP系統(tǒng)減去了艦艇的輔助裝置和戰(zhàn)斗系統(tǒng)所需的單獨發(fā)電機組 d 在雙體船 三體船等非常規(guī)船型上使用時 IFEP系統(tǒng)易于實現(xiàn)自動化 可減少人員配置 降低培訓(xùn)費 布置的靈活性可使艦船結(jié)構(gòu)優(yōu)化 減少艦船的排水量 改善了艦船的可生產(chǎn)性 降低了生產(chǎn)費用 艦艇航行時 只讓所需的最小數(shù)量的原動機運行 減少了原動機總運行時間 可節(jié)省維護(hù)費用 2020年3月30日星期一 32 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點和不足 提高了艦艇的戰(zhàn)斗力a 由于減少了原動機數(shù)量 去除了許多機械傳動系統(tǒng) 可騰出有效空間以裝載更多武器 b 能為未來的激光 電磁武器提供足夠的電力 c 改善了操縱性 螺旋槳由電機控制 能在全速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速 對指令的響應(yīng)快 d 增加了續(xù)航力 由于降低了耗油量 同樣的燃油可提供更大的續(xù)航力 e 不管是柴油機 還是燃?xì)廨啓C 都不容易實現(xiàn)正 反兩個方向運轉(zhuǎn)的操作 為解決此問題 現(xiàn)代艦艇多采用可調(diào)距螺旋槳 但這種方式需耗費大量的燃料 而電力推進(jìn)的反向問題可通過使用電力電子設(shè)備轉(zhuǎn)換所用電源的極性或相位來方便地實現(xiàn) 可提高艦艇的操縱靈活性 f 系統(tǒng)布置靈活 可降低排水量 由于突破了將發(fā)動機 推進(jìn)器 傳動軸系布置在一條直線上的傳統(tǒng)設(shè)計模式 用電纜完全取代機械連接 原動機可以布置在任何地方 使全艦系統(tǒng)和設(shè)備布置更加靈活 從而降低艦艇排水量 2020年3月30日星期一 33 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點和不足 增強了生命力a 降低了噪聲 提高了隱蔽性 由于原動機可以布置在水線以上 從而可以降低水下輻射噪聲 而且由于取消了齒輪箱 也大大降低了振動噪聲 與機械推進(jìn)相比 在寬頻帶可降低15 20分貝 在窄頻帶降低更多 b 操作人員可選擇最合適的發(fā)動機組合形式 確保發(fā)動機以最佳效率工作 避免了發(fā)動機的低負(fù)載運行 c IFEP系統(tǒng)由其左右舷雙重總線向負(fù)載供電 具有很強的抗故障能力 推進(jìn)系統(tǒng)也有備用線路 不易完全損壞 2020年3月30日星期一 34 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點和不足 當(dāng)一艘艦艇的大部分航行時間是滿功率高速航行時 使用效率低的全電力推進(jìn)系統(tǒng)是不利的 全電力推進(jìn)系統(tǒng)不適合于航空母艦使用 航母盡管有可能采用綜合電力系統(tǒng) 但目前采用標(biāo)準(zhǔn)的機械推進(jìn)更為合適 因為象航母那樣大型的艦船 電力推進(jìn)與蒸汽動力裝置相比并不節(jié)約空間和重量 未來航母可能需要更大的電力 以滿足電磁彈射與回收裝置 未來的電磁武器以及對抗措施的需要 而增加電力的最經(jīng)濟的方法是使用功率更大的汽輪機組 全尺寸系統(tǒng)試驗的綜合電力系統(tǒng) IPS 不適合潛艇使用 因為這種IPS使用感應(yīng)電機 不是使用永磁電機 體積和噪音太大 只適合于水面艦艇使用 2020年3月30日星期一 35 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計是當(dāng)代先進(jìn)的電力電子技術(shù) 交流調(diào)速技術(shù) 電機制造技術(shù) 永磁材料技術(shù) 計算機控制技術(shù) 先進(jìn)燃?xì)廨啓C技術(shù)等的綜合運用 技術(shù)含量高 其關(guān)鍵技術(shù)有大功率 高功率密度的永磁電機技術(shù) 包括電動機和發(fā)電機技術(shù)大功率電力電子器件技術(shù) 目前各國主要是在不斷提高絕緣柵雙極晶體管的功率等級 以減小轉(zhuǎn)換器的體積 重量先進(jìn)的燃?xì)廨啓C技術(shù) 英美已聯(lián)合發(fā)展了中冷回?zé)崛細(xì)廨啓CWR 21 并進(jìn)行了小功率高速燃?xì)廨啓C發(fā)電機組的研究區(qū)域配電系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng) 2020年3月30日星期一 36 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點與應(yīng)用 先進(jìn)的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng) 就是推進(jìn)用電機直接和推進(jìn)螺旋槳相連 制成一個獨立的推進(jìn)模塊 并吊掛在船體底部 該推進(jìn)模塊可以360 水平旋轉(zhuǎn) 這樣 推進(jìn)的方位角可以人為地進(jìn)行控制和調(diào)節(jié) 其直接后果就是取消了舵機系統(tǒng)及相應(yīng)的操縱機構(gòu) 在吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)中 螺旋槳和推進(jìn)電機共軸 兩者之間沒有任何其他環(huán)節(jié) 結(jié)構(gòu)簡單 緊湊 通常制成一個獨立的推進(jìn)模塊 它可以在船舶試航前安裝 甚至可以在海上進(jìn)行裝卸 2020年3月30日星期一 37 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點與應(yīng)用 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)相比有如下一些特點 推進(jìn)效率高 取消了尾軸 尾側(cè)推器 舵機系統(tǒng)等 不需專門的冷卻系統(tǒng) 從而節(jié)省了艙容 簡化了安裝 空間配置靈活 可以在機艙整個空間內(nèi)立體布置 既方便靈活 又充分利用了機艙艙容 為船體設(shè)計 尤其是船尾和集控室部分的設(shè)計提供了很大的靈活性 從消防和安全性方面考慮 還可以把發(fā)電機分成幾組 如全船共有6臺發(fā)電機的情況下 可以分成3臺1組 布置在不同的艙室中 模塊化設(shè)計原理使得推進(jìn)模塊可在船舶建造基本完成 準(zhǔn)備試航前安裝 必要時 可在海上安裝和拆卸推進(jìn)模塊 噪聲低 振動小 廢氣排放減少最短的應(yīng)急停車時間推進(jìn)器可在360 水平范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn) 極大地提高了船舶的操縱性和機動性 根據(jù)需要決定并入電網(wǎng)的發(fā)電機臺數(shù) 使每臺機組都能工作在比較理想的負(fù)荷下 這樣不僅對柴油機的良好燃燒和使用重油有好處 而且可以減少維修保養(yǎng)工作和降低備件費用 2020年3月30日星期一 38 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點與應(yīng)用 目前世界上吊艙式電力推進(jìn)器系統(tǒng)主要有AzipodSSPPropulsorMermaidDolphin4其中 Azipod是ABB公司早在十幾年前首次推出的 目前占據(jù)著吊艙式電力推進(jìn)器市場的最大份額 其產(chǎn)品也經(jīng)過了實船的考驗 但十幾年來 系統(tǒng)在機械結(jié)構(gòu)方面改進(jìn)不大 尚有有待完善的地方 而SSPPropulsor Mermaid和Dolphin這3種吊艙式推進(jìn)器都是在看到Azipod的成功后 陸續(xù)推出的Azipod SSPPropulsor和Mermaid都有世界最大的生產(chǎn)電力系統(tǒng)和驅(qū)動設(shè)備跨國公司的背景 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展主要取決于推進(jìn)電機 半導(dǎo)體器件和大功率變頻裝置的發(fā)展 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)受益于這些研發(fā)工作的最新成果 如SSPPropulsor采用的永磁式電動機 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 實現(xiàn)的周波變換器 Cycloconverter Azipod系統(tǒng)采用的集成門換流晶閘管 IGCT 電路和直接轉(zhuǎn)距控制方法 Mermaid系統(tǒng)采用的PWMIGBT多電平變換器等 先進(jìn)的控制和通信技術(shù)也在吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)中得到了應(yīng)用 如采用PLC或可編程快速控制器進(jìn)行控制 數(shù)據(jù)傳送則采用了局域網(wǎng) LAN 和現(xiàn)場總線技術(shù)和設(shè)備 船舶電力推進(jìn)的發(fā)展直接反映了大功率電力變頻技術(shù) 先進(jìn)的微機控制和通信技術(shù) 電力電子器件等領(lǐng)域的最新科研成果 而這幾個方面都是目前投入最多 發(fā)展最快的研發(fā)領(lǐng)域 2020年3月30日星期一 39 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點與應(yīng)用 吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)的選擇可靠性 經(jīng)濟性 包括設(shè)備費用 運行費用 維護(hù)費用 和便于維護(hù)性 對于可靠性 要認(rèn)識到幾種吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)各有自己的特點 它們直接反映了相應(yīng)的跨國公司的最新科研成果和技術(shù) 盡管有的實船使用時間不長 但它們采用的設(shè)備和技術(shù)絕大多數(shù)都是成熟的 如SSP推進(jìn)器系統(tǒng)采用的永磁式推進(jìn)電機是Siemens公司生產(chǎn)的PERMASYN電動機 它是系列化產(chǎn)品 自1987年第1臺1100kw的PERMASYN電動機應(yīng)用于多用途船以來 現(xiàn)在這種電動機的額定功率可達(dá)20MW 首先 其可靠性也是經(jīng)過了20多年實船考驗的 其次 永磁式推進(jìn)電機以其優(yōu)越的性能也證明了在未來的吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)將取代傳統(tǒng)的同步及異步電機而處于主導(dǎo)地位在電力推進(jìn)船舶上 輪機管理很大程度上就是船舶電站的管理 這里的船舶電站不僅包括以往船舶電站的全部內(nèi)容 還增加了為船舶推進(jìn)提供動力所必須的中低壓變壓器 高壓大功率變頻器和高次諧波抑制裝置等 船上柴油機的存在不是作為主推進(jìn)裝置 而是作為發(fā)電的原動機來帶動電機發(fā)電 它們通常是幾臺型號相同 輸出功率相同的四沖程中速柴油機 機械方面的維修工作大幅度減少 備件也相應(yīng)地減少 電力推進(jìn)系統(tǒng)的維護(hù)管理更多地依靠專家系統(tǒng)和故障診斷程序等計算機軟件完成 2020年3月30日星期一 40 吊艙推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展 PoddedPropulsion Pod指吊于船外的水下艙室 室內(nèi)有推進(jìn)電機 通過軸系及推進(jìn)軸承和推進(jìn)器 電機與母船只有動力電纜及通信電纜相連接 FixPod與Azipod Azipod指可沿Z軸360o旋轉(zhuǎn)動的吊艙 其中Azi 指Azimurth Azimurth傳動過去由錐齒輪系組成的Z drive實現(xiàn) 后來又用于側(cè)推器 Thruster 在九十年代中期ABB率先將Azimurth概念用于主電力推進(jìn) 其后又提出了對向反轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)裝置的概念 生產(chǎn)吊艙系統(tǒng)的著名公司ABBIndustry Azipod Rolls Royce Mermaid Schottel Siemens SSP JohnCranelips Dolphin 2020年3月30日星期一 41 其他吊艙 2020年3月30日星期一 42 瑞典KAMEWA 美人魚 Mermaid 2020年3月30日星期一 43 美人魚 裝置的結(jié)構(gòu) 電力裝置部分由以下設(shè)備和部件組成 發(fā)電機組 雙繞組電動機 功率最大可達(dá)數(shù)十兆瓦 滑環(huán)裝置及其相關(guān)的冷卻室 功率轉(zhuǎn)換器傳動箱 主配電板 船舶管理系統(tǒng) 包括電力管理系統(tǒng) 諧波過濾系統(tǒng) 動力定位系統(tǒng) 綜合監(jiān)控系統(tǒng) 2020年3月30日星期一 44 美人魚 裝置的類型和用途 牽引式 PullingMermaid 適用于高速雙螺旋槳船 如客滾船和豪華游船等頂推式 PushingMermaid 適用于中速單螺旋槳船高推力頂推式 HighThrustPushingMermaid 用于需要最大系柱拉力的低速船 如拖輪 近海工程船和海洋平臺等 美人魚 電力推進(jìn)裝置可用于油輪 車客渡船 滾裝船 豪華游船 拖輪 近海工程船和半潛式海洋平臺以及軍用艦船等 2020年3月30日星期一 45 美人魚 裝置的主要優(yōu)點 機動性好 美人魚 電力推進(jìn)裝置配備了阿爾斯通公司的動力定位系統(tǒng)和自動化操縱系統(tǒng) 推進(jìn)裝置可進(jìn)行360 全回轉(zhuǎn) 功率冗余度大 定位能力強 具有船舶快速橫移和緊急停船能力 機動性非常好 運行安全可靠 整個推進(jìn)裝置的機械零部件降低到最少程度 省掉了齒輪箱和大量的軸承 軸系 舵和螺旋槳支架 電動機安裝在一個附裝在船體上的水動力優(yōu)化的殼體內(nèi) 所以功率的機械損耗少 加上推進(jìn)裝置相對于船體線型的位置和角度的優(yōu)化 使推進(jìn)裝置的效率提高15 這意味著可相應(yīng)地降低推進(jìn)裝置的功率 試驗表明船舶的航速可達(dá)30節(jié)并且可進(jìn)一步提高推進(jìn)裝置占用船舶的容積減小 從而增加了裝載艙容安裝簡便 可縮短船舶的建造周期噪聲和振動降低到最低 旅客和船員舒適 這一優(yōu)點還意味著根據(jù)船舶用途可增加甲板裝載能力和擴大艙室設(shè)置區(qū)域 操作 維修簡便用戶可在供應(yīng)合同中選擇專用安裝維修工具 卡米瓦公司在轉(zhuǎn)向推力器方面的專有技術(shù) 利用一個閉鎖回轉(zhuǎn)裝置可使檢查和維修人員安全地進(jìn)入心臟部位進(jìn)行檢查和拆卸槳葉或整個螺旋槳 軸密封或整個導(dǎo)流罩而無需進(jìn)塢 這樣 船舶可保持不間斷運營 獲得全壽命期內(nèi)最長的營運時間 降低維修費用 提高運營收益 2020年3月30日星期一 46 美人魚 裝置的應(yīng)用 船舶動力裝置的技術(shù) 經(jīng)濟及性能指標(biāo) 2020年3月30日星期一 48 船舶動力裝置的技術(shù) 經(jīng)濟及性能指標(biāo) 技術(shù)指標(biāo)代表整套動力裝置技術(shù)裝備總指標(biāo) 包括功率指標(biāo) 質(zhì)量指標(biāo)和尺寸指標(biāo) 經(jīng)濟指標(biāo)代表燃料在該動力裝置中的熱能轉(zhuǎn)換率 有燃料消耗率 裝置總效率 推進(jìn)裝置熱效率 每海里航程燃料耗量及動力裝置的運轉(zhuǎn) 維修經(jīng)濟性 性能指標(biāo)代表動力裝置在接受命令 執(zhí)行任務(wù)中的服從性 堅固性和對外界條件 工作人員的依賴性 因此它包括機動性 可靠性 自動遠(yuǎn)操作性能 牽拽性能以及噪聲振動的控制等指標(biāo) 2020年3月30日星期一 49 技術(shù)指標(biāo) 它表示船舶作功的能力 為了保證船舶具有一定的航行速度 就要求推進(jìn)裝置提供足夠的功率 而動力裝置的功率是按船舶的最大航速來確定的 2020年3月30日星期一 50 推進(jìn)裝置功率傳遞過程 推力功率 收到功率 軸功率 最大持續(xù)功率Pmc 指示功率Pi 主機額定功率 船舶有效功率 主機摩擦損失及帶動輔機所消耗的功率 考慮持久系數(shù)及溫濕度修正后的功率 傳動設(shè)備及各種軸承所消耗的功率 尾軸承及其密封裝置所消耗的功率 螺旋槳與水的摩擦及尾流動能所損失的功率 由推力減額及伴流等船體影響所損失的功率 2020年3月30日星期一 51 柴油機指示功率Pi IHP 額定功率PB BHP PB Pi n n 主機機械效率槳收到功率PD DHP PD PB w s w 尾管裝置的效率0 985 0 99 s 軸系的效率 0 98推力功率PTPT PD O r O 槳的敞水效率 0 55 0 65 r 相對旋轉(zhuǎn)效率0 96 1 05船體有效功率PRPR PT h h 船身效率0 95 1 1總推進(jìn)效率 推進(jìn)裝置功率傳遞過程 2020年3月30日星期一 52 重量指標(biāo) 主機單位重量 裝置單位重量 主機相對重量 裝置相對重量 重量指標(biāo) 是相對于主機功率或者船舶的排水量而言 動力裝置重量有三個不同的內(nèi)涵 即動力裝置干重 代表所有的機器 設(shè)備和管系的重量 不包括內(nèi)部的工質(zhì)和消耗物品及其存儲量 濕重 包括其內(nèi)部所裝工質(zhì)和消耗物品重量 但不包括消耗品存儲量 和總重 包括上述全部重量 計算時常用濕重 2020年3月30日星期一 53 面積飽和度 容積飽和度 尺寸指標(biāo) 主機燃料消耗率 動力裝置燃料消耗率 推進(jìn)裝置的有效熱效率 每海里航程的燃料消耗量 經(jīng)濟指標(biāo) 對于不同的船舶 對機艙尺寸要求也不統(tǒng)一 為了表征機艙的面積和容積利用率的情況 指在單位時間內(nèi)主機單位有效功率所消耗的燃料量 主機 輔機 鍋爐每小時燃料總耗量 推進(jìn)裝置有效功和所消耗的熱之比 節(jié)能投資的經(jīng)濟標(biāo)準(zhǔn) 2020年3月30日星期一 54 每海里航程的燃料消耗量 經(jīng)濟航速 節(jié)能航速最低營運費用航速最大盈利航速 Tips 此項經(jīng)濟指標(biāo)與船舶營運管理水平和輪機管理水平密切相關(guān) 2020年3月30日星期一 55 性能指標(biāo) 性能指標(biāo) 動力裝置的性能指標(biāo)由多方面因素綜合而成 主機形式燃料種類發(fā)動機工作參數(shù)推進(jìn)傳動形式主要輔助設(shè)備形式等 起動性能 2 10min28s由一舷35 至另一舷30 倒車性能 2 10s停車 2 5min 2020年3月30日星期一 56 對船舶動力裝置的要求 機電設(shè)備安全可靠經(jīng)濟性好具有一定的續(xù)航力是指船舶不需要到基地或港口去補充任何物質(zhì)所能航行的最大距離或最長時間與動力裝置的經(jīng)濟性 每海里航程燃料消耗及其它物質(zhì)的貯備等有關(guān)與用途 航區(qū)有關(guān) 良好的操縱性主輔機選型合理其他 機槳匹配 自動化 建造成本 重量與結(jié)構(gòu)尺寸 檢測與維修 各種規(guī)范要求等 降低燃料消耗采用低質(zhì)廉價燃料廢熱利用 2020年3月30日星期一 57 復(fù)習(xí)思考題 基本思考題 如何理解船舶動力裝置的含義 它由哪些部分組成 簡述柴油機動力裝置的特點 簡述船舶動力裝置的基本特性指標(biāo) 如何理解經(jīng)濟航速的含義