船舶动力装置是为保证船舶正常营运而设置的
动力设备,是为船舶提供各种能量和使用这些能量,以保证船舶正常航行,人员正常生活,完成各种作业。船舶动力装置是各种能量的产生、传递、消耗的全部机械、设备,它是船舶的一个重要组成部分。船舶动力装置包括三个主要部分:主动力装置、
辅助动力装置、其他辅机和设备。
简介
船舶动力装置是为保证船舶正常营运而设置的动力设备,是为船舶提供各种能量和使用这些能量,以保证船舶正常航行,人员正常生活,完成各种作业。船舶动力装置是各种能量的产生、传递、消耗的全部机械、设备,它是船舶的一个重要组成部分。船舶动力装置包括三个主要部分:主动力装置、
辅助动力装置、其他辅机和设备。
组成结构
主动力装置
主动力装置,又称推进装置,是为船舶提供推进动力,保证船舶以一定速度巡航的各种机械设备,包括主机及其附属设备,是全船的心脏。主动力装置包括主机、传动设备、轴系、推进器等。当启动主机,即可驱动传动设备和轴系,使推进器工作。当推进器,通常是螺旋桨,在水中旋转时就能使船舶前进或后退。
主动力装置以主机类型命名,主要有蒸汽机、汽轮机、柴油机、
燃气轮机和
核动力装置等五类。现代运输船舶的主机以柴油机为主,在数量上占绝对优势。蒸汽机曾经在船舶发展史上起过重要作用,但已经几乎全被淘汰。汽轮机在大功率船上长期占有优势,但也日益为柴油机所取代。燃气轮机和核动力装置仅为少数船舶所试用,尚未得到推广。
联合动力
为满足
军用舰艇的需要,将蒸汽、柴油、燃气三种动力联合加以采用,作为船舶的推进装置成为联合动力装置。联合动力装置的型式有蒸燃联合、柴燃联合、燃燃联合等。这几种联合动力装置在商船上应用极少。此外还有一种联合动力装置型式——电力推进装置。这种装置是船舶柴油机驱动发电机将电力产生并提供给
船舶电站。
核动力
以反应堆代替普通燃料来产生蒸汽的汽轮机装置。反应堆中核裂变产生的大能量,被不断循环的冷却水吸收,后者又通过
蒸汽发生器将热量传给第二个回路中的水,使之变为蒸汽后到汽轮机中作功。
核动力装置主要用于大型军舰和
潜艇。1959年美国在客货船“萨凡那”号上试用功率20000马力核动力装置成功;1960年苏联在破冰船“列宁”号上采用核动力装置,功率44000马力。此后,联邦德国和日本也分别建造了核动力商船。这些船在试航一段时间后,出于法律和民意上的原因停驶。人们担心放射性物质污染航道、港口和城市环境,因此很多港口拒绝核动力船进港。对核燃料使用后的
核废料也还缺乏妥善处理办法。这些民用核动力船都已改装为常规动力装置船。
辅助装置
辅助动力装置是用于提供除推进装置以外的各种能量,供船舶航行、作业和生活需要的装置,包括为全船提供电力、照明和其他动力的装置,如发电机组、副锅炉等。
发电机组是船上最重要的辅助动力装置。蒸汽机船上的发电机组由蒸汽机驱动(有时用小型汽轮机驱动),但容量较小,以供
照明电源为主。在汽轮机船上,发电机组由汽轮机驱动,为全船电气设备提供电源。这种汽轮发电机组大部已系列化,容量从500千瓦到2500千瓦不等,可以自由选择。在柴油机船上,有2~3台发电机组,由单独设置的中速或高速柴油机驱动。容量据全船电动机械设备的数量确定,普遍采用400伏
三相交流电,频率有50赫兹和60赫兹两种。副锅炉在蒸汽机船和汽轮机船上是供停泊时使用,在柴油机船上供平时取暖和加热用。柴油机船上的副锅炉的燃料可以是燃油,也可以利用柴油机排出的废气所产生的蒸汽。除发电机组和副锅炉外,由于现代船上液压机械设备的驱动需要,还设有液压动力装置,其主要部件为
液压油泵,可以用电动机或单独的柴油机驱动。
辅机设备
随着运输船舶性能上的不断完善,船上的辅机和设备也日趋复杂,最基本的有:
船舶甲板机械,有舵机、锚机、起货机等辅助机械。这些机械在蒸汽机船上用蒸汽作为动力,在柴油机船上先是采用电动,现多数已改用液压驱动。
各种管路系统,有为全船供应海水和淡水的供水系统;为调节船舶压载用的压载水系统;为排除舱底积水用的舱底水排出系统;为全船提供压缩空气用的
压缩空气系统;为灭火用的消防系统等等。这些系统所采用的设备如
泵和压缩机等绝大部分是电动的,并能自动控制。
机舱自动化设备,用于保证实现动力装置远距离操纵与集中控制,以改善工作条件,提高工作效率。机舱自动化设备包括有自动控制与调节系统,自动操纵系统,集中监测系统。
全船系统,用于保证船舶生命力和安全,为船员和旅客生活服务的取暖、空调、通风、冷藏等系统。这些系统一般都自动调节和控制。
研发历史
蒸汽机
1807年,美国工程师R.富尔顿首次在“克莱蒙脱”号明轮船上用蒸汽机作为推进动力获得成功。当时采用的是一台20马力的单缸摇臂式往复蒸汽机,获得每小时5英里的航速。经过不断改进,到19世纪末,蒸汽机发展成为多级膨胀的立式装置,用以驱动螺旋桨,成为当时典型的船舶动力装置。同时高效、高压的
水管锅炉也逐渐取代了早期圆筒式苏格兰烟管锅炉。20世纪初,航行于大西洋上的巨型豪华客船,都以往复式蒸汽机为动力,单机功率达20000马力。
蒸汽机动力装置的发展达到了顶峰。
蒸汽机动力装置的优点是结构简单,造价低廉,管理使用方便,制造工艺要求不高;缺点是热效率低,本身重量大,特别是大功率蒸汽机的活塞、连杆等运动部件运转惯性很大,很难平衡,且低压缸尺寸过大,不能获得有效的真空度。因此,自从
汽轮机动力装置和
柴油机动力装置在船上试用成功以后,蒸汽机动力装置即逐渐被淘汰。
第二次世界大战期间,美国为应付战时紧急需要而建造的“自由轮”,是最后一批使用蒸汽机动力装置的远洋运输船舶。中国还有少数沿海和内河船舶使用往复式多膨胀蒸汽机动力装置。
汽轮机
1896年,英国人C.帕森成功地将他发明的汽轮机作为推进动力机应用于一艘快艇上,试航速度达每小时34.5海里。此后汽轮机广泛用于大功率船上。早期用汽轮机直接驱动螺旋桨,不经过减速。为了使螺旋桨能在理想的转速下工作,后来在汽轮机动力装置上加装了减速齿轮,使汽轮机和螺旋桨都能以各自的最佳速度运转。到1916年,几乎所有的
船用汽轮机都采用了减速装置,减速比由初期的1:20提高到1:80以上。采用减速装置以后,汽轮机可以更高的速度运转,效率大为提高,机体尺寸相应缩小,整个装置更加紧凑,重量也大大减轻,螺旋桨工作效率也大大提高,使汽轮机成为理想的大功率船用动力装置。至今某些大型客船、超级油船和高速集装箱船等仍采用汽轮机动力装置。
汽轮机的优点是单机功率大,使用可靠,运转平稳,无振动和噪声,检修工作量小,锅炉可燃用劣质油。但汽轮机油耗比柴油机高,即使采用再热循环的汽轮机装置,每马力小时的油耗仍达180~190克,比低速柴油机高40%左右。柴油机由于单机功率、燃烧劣质油的能力和可靠性的提高,逐渐取代了汽轮机。
柴油机
20世纪初,柴油机开始用于运输船舶。第一艘远洋柴油机船是1912年丹麦建造的“锡兰迪亚”号,主机为两台四冲程八缸柴油机,共1250马力,每分钟140转,直接驱动两个螺旋桨。1914年柴油机船占全世界船舶总吨位0.5%,到1940年上升为20%以上。
柴油机动力装置的最大优点是热效率高,燃料消耗明显地低于蒸汽机动力装置。长期以来,柴油机动力装置有一系列改进,主要有:①20世纪20年代出现以机械喷油取代用压缩空气喷油的方法;②同一时期试制成
废气涡轮增压器,提高了柴油机的功率和性能;③20世纪30年代开始燃烧重质柴油,降低了燃料费用。早期柴油机的功率不大。
第一次世界大战时期用于商船的最大柴油机功率仅4000马力,第二次世界大战前,单机功率达到20000马力。现代低速柴油机单机功率已达50000马力以上。
现代
船用柴油机大部分为低速机,转速约每分钟100转,可直接驱动螺旋桨。20世纪80年代初,出现了长冲程和超长冲程的低速机,每分钟转速降到70转以下,使螺旋桨发挥最佳效率。但低速机外形尺寸和重量大。第二次世界大战后出现的大功率的中速机如今被逐渐应用于船上。它将气缸排列成V字形,采用减速齿轮,既大大减轻了机身重量,又有利于提高螺旋桨效率。中速机由于机身短小,可以减少机舱的面积和高度,因此特别适用于尾机舱船和机舱位于甲板下的滚装船和载驳船等。
经过不断的改进,柴油机动力装置
日臻完善,它的燃料消耗量最低,能使用廉价的渣油,可靠性较高,检修期间隔长达30000小时以上,热效率接近50%,因此成为目前应用最广的船舶动力装置。
燃气轮机
燃气轮机动力装置在20世纪50年代开始用于船舶。主要用于
军用舰艇。燃气轮机同柴油机和汽轮机比较,单机功率大、体积小、重量轻、加速性能好,能随时起动并很快发出最大功率。燃气轮机在高温、高压下工作,对燃油质量要求很高,热效率也比柴油机低得多,因此在民用运输船舶上应用不多。仅在某些气垫船上用于驱动
空气螺旋桨。