船舶动力装置发展的现状和趋势

船舶动力装置发展的现状和趋势

陈斌

江苏科技大学

1、船舶动力装置简介

船舶动力装置是在船舶营运过程中为其提供动力、能量的重要设备。船舶动力装置由主动力装置、辅助动力装置和辅机及其设备共同组成，三大部分的相互协调共同为船舶提供源源不断的动力。在技术演化的过程中，船舶动力经历了蒸汽动力、内燃动力、燃气动力以及混合动力等几种不同的发展类型。随着社会经济的快速发展以及船舶运输行业不断出现的各种新需求，船舶动力装置的技术研发、设备革新和制造等领域发展非常迅速。现在使用范围比较广的动力装置有综合电力推进系统、船舶燃气轮机、混合动力系统以及最近兴起的特种推进装置等不同的类型。在不久的将来，随着技术的革新，更具经济性和环保性的动力装置将成为主流。

2、船舶动力装置的现状

2.1蒸汽轮机动力装置

蒸汽机在船舶上的应用是人类在交通运输领域所取得的重大突破，具有跨时代的意义。蒸汽机可分为往复式蒸汽机与蒸汽轮机两种，由于功重比与效率的优势，蒸汽轮机已经完全取代了往复式蒸汽机。一个典型的蒸汽轮机动力装置主要由4部分组成，即供水泵、水管锅炉、涡轮机以及冷凝器，利用锅炉烧出来的蒸汽，冲击叶轮使其旋转，从而带动推进器产生推力。

蒸汽轮机动力装置具有功率大、结构简单、造价低廉等优点，但其热效率低、重量大，某些运动部件由于运转惯性过大而难以平衡，所以目前已较少使用。

2.2柴油机动力装置

柴油机动力装置是以柴油为燃料的内燃机，其优点在于启动速度快、运行状态可靠和功率大等。柴油机动力装置是目前应用最为普遍的船舶动力装置，因此其技术成熟度也相对更高。柴油机动力装置在上世纪60年代开始全面取代了蒸汽轮机，成为最主流的船舶动力装置。

柴油机动力装置分为四冲程柴油机和两冲程柴油机，其中二冲程柴油机的特点是转速相对较低，可以直接驱动螺旋机进行工作，主要应用于大中型远洋运输船舶上。而四冲程柴油机转速较高，一般主要应用于小型运输船、客船、军舰和豪华游艇上。目前，柴油机动力装置主要生产商为MAN公司和WARTSILA公司。我国柴油机动力装置技术水平近年来显著提升，但是国内企业较上述两家公司还有着一定的差距。

作为内燃机的一种，柴油机动力装置具有功率范围大、热效率高、运转性能好、燃油消耗低、可靠性高、安全性高等优点。近年来，船舶柴油机及其齿轮箱、轴系、螺旋桨、控制设备等装置的整体设计与供货方式成为主流。电子技术、计算机控制技术以及网络技术的发展与应用，实现了柴油机的智能化与网络化，提高了控制精度，增加了控制功能，使其调试、操作、维护更加方便。另外，大的单缸输出功率、高可靠性、节能环保也是未来发展的必然趋势。

2.3燃气轮机动力装置

燃气轮机属于内燃机的一种，由压气机、燃烧室以及燃气涡轮等部分组成，其工作过程为：压缩空气与燃料在燃烧室内混合燃烧，所产生的高温燃气进入燃气涡轮膨胀做功，驱动涡轮叶轮旋转，带动压气机叶轮一起旋转。

近些年来，船舶燃气轮机的技术研究取得了很大的进步，燃气轮机的效率以及性能都得到了很大程度的提升。随着简单循环技术更新、中间冷却回热复杂循环技术不断完善、先进的余热利用式燃蒸联合循环技术开始出现等都使燃气轮机的发展和应用提升到了一个新的水平。燃气轮机具有动力性能良好、功率大、利用效率高、自动化控制相对容易实现等优点，已经成为大型、中型等水面舰艇以及船舶的主要选择，在各个国家的军事领域中，燃气轮机动力装置在新型护卫舰、远洋驱逐舰、高性能巡洋舰以及大型的航空母舰等不同类型的军用船舶中有非常广泛的应用。

燃气轮机具有单机功率大、体积孝重量轻、NOX排放低、动力响应好、使用寿命长等优点。但与柴油机相比，燃气轮机的燃油经济性差、耗油量大，故其应用受到了限制。随着新材料的发展与应用，燃气轮机的性能得到了很大的提高，新的设计与制造工艺优化了设备的结构，总能系统也得到了广泛的应用，未来燃气轮机动力装置将朝着高热力参数、燃料多元化、大型化、高性能等方向发展。

2.4电力推进装置

电力推进装置，顾名思义是以电动机做功来推动船舶运行的动力装置。船舶电力推进装置一般由原动机、发电机、电动机、螺旋桨以及控制单元等部分组成，由电动机来驱动螺旋桨。电力推进装置工艺较柴油机动力装置要更为复杂，目前多数的电力推进装置还需要配备柴油机或者燃气轮机产生电力能源，为电动机提供能源。电力推进装置的特点在于安全性较高、可操作性强,船舶运行更为稳定，并且经济环保。电力推进装置现在主要配备于豪华游船、海洋工程船和部分军事舰船等，具有非常广泛的推广和利用空间。

随着大功率、模块化、高频化、全控型电力电子器件的研制成功与现代交流电机调速技术、微机控制技术的发展与应用，电力推进技术也步入了快速发展的轨道。吊舱式电力推进装置的出现，使得人们对舵机及其操纵机构的依赖成为历史。综合全电力推进系统的发展与完善，使电力和动力两大系统的全面融合以及一体化供电成为现实。超导电磁推进技术迅速发展，在海军舰艇中得到了推广与应用。燃料电池具有能量转换效率高、噪音低、无机械振动、绿色环保等优点，以其为电源取代传统的同步电机，也是未来的一个发展趋势。

2.5混合动力装置

混合动力装置由电动组和主柴油机组成，通过联动形式为船舶提供动力。混合动力装置中，轴带电机工作模式为电动机，负责为船舶提供辅助动力。这类船舶当中柴油机为主要动力装置，但是由于电动组提供必要的辅助推力，因此柴油机可选择功率较小的型号，以降低柴油油耗，并节省大量的机舱内部空间。目前混合动力装置具体可以分为：柴油机余热混合式推进系统、太阳能电力混合动力推进系统、基于超级电容混合动力推进系统、发动机联合工作的联合动力推进系统等。随着科学技术的不断发展，混合动力装置的运行状况更加稳定，很大程度上保证了两大动力能源的稳定并车，这也使混合动力装置的应用越来越广泛，在许多船舶上都能够发现混合动力装置的身影。

由于混合动力系统在技术可靠性、节约能源消耗和经济成本等方面具有良好的优势，因此继续推动新能源在混合动力推进系统中的应用，在有效保证船舶动力供给和能源平衡的前提下，实现绿色、节能、环保的目标是其未来的发展趋势。

3、船舶动力装置发展的趋势

上文在介绍五大船舶动力装置的过程中，已经讲述了它们的发展的趋势，这里不再讲述。接下来讲述其他三个动力装置的发展趋势。

3.1特种推进装置

特种推进装置，主要是应用于海洋工程船、调查船、高速客船、破冰船以及勘测船特殊用途船只的推进装置。特种推进装置首先要满足船舶的性能需求，其次要尽可能地保证装置的做功效率以及环保性能。

目前，可调桨推进装置备受人们的关注和欢迎。可调桨推进装置主要具有节能环保、操控性好等特点，目前许多特种装置都在应用这类装置。可调桨推进装置的研究，将以如何进一步提升推进功率、降低能耗为主要方向。但是在未来可调桨推进装置功率将会在原有的基础上进一步增加，而可调桨推进装置的能耗也将进一步地降低，从而降低对环境的污染。

特种推进装置在未来还会加强对侧推技术和喷水推进技术的研究，以提升船舶的行驶速度和操控性能。因为，特种船舶时刻面临艰巨的任务，特种船舶需要功率更为强劲的动力装置，而侧推技术和喷水推进技术能够在原有的基础上进一步地提升动力装置的动力性能，并降低船舶整体的质量，促进船舶特别任务的完成。同时，特种推进装置的研究会更加注重大功率推进系统的设计和研发，在满足高功率、高速度、高效率等新的船舶发展需求的同时，通过系统间的优化设计与良好配合达到动力装置一体化发展的目标。

3.2氢燃料内燃机

在上个世纪初期，人们已经开始利用氢气，并尝试将其作为动力装置的燃料。目前，主要通过两种途径将氢能源转化为船舶动力，一是用作船用内燃机的燃料，通过齿轮箱将动力传至螺旋桨；二是用于发电。氢燃料的储存方式有多种，但目前以液态储存为主，因为液态存储量较大。对于氢燃料内燃机的设计，有学者提出了改造利用船舶现有柴油机动力装置的思想（直接将氢燃料喷入气缸燃烧，推动活塞完成动力冲程），以节约成本。

目前，有关氢燃料内燃机反应速度、能量密度、体积、质量等方面的问题还未能很好的解决，相关技术与实际应用还有很大距离。然而，氢燃料属于可再生清洁能源，对环境无污染，而且生产使用成本低、热效率较高，因此其具有良好的应用前景。氢燃料内燃机作为一种绿色环保的新兴能源和动力形式,与传统的动力装置相比,有着使用寿命长,噪声小,不污染环境等许多显著的优点。随着世界石油价格的不断上涨,燃料电池的燃料价格具有更大的竞争力。而且随着LNG和LPG型船舶的开发和研制成功,现有的液体燃料储藏技术已经被证实为安全和可靠的。在专运液化天然气的船上应用该技术,则更加安全环保。可以预计在不久的将来,由于能源价格、资源、环境等多重影响,氢燃料内燃机将会有更大的发展空间。

3.3太阳能的应用

在石油、煤炭、天然气等资源日渐枯竭、排放污染日益加剧的形势下,寻求可持续清洁能源、充分利用太阳能成为必然趋势。太阳能发电已在一些经济发达国家和地区普及应用。太阳能也已经开始在船舶(主要是旅游观光船、游艇、短途渡船等小型船舶)上应用。一是作为主要动力能源之一,独立或与其他能源一起推动船舶前进;二是作为辅助能源应用在船舶的照明系统、驾驶系统、空调系统、辅助机械等方面。

可以预见的是太阳能将会在以下四个发面得到充分的应用：太阳能作为电力推进船舶的主动力能源、太阳能作为船舶辅助机械的动力能源、太阳能作为船制冷空调系统及生活照明系统能源、太阳能作为大型油船卸货和加热系统能源。太阳能在船舶动力装置中的应用会越来越多,并朝着优化船舶电站配置和分配用电,利用太阳能驱动主机、辅助机械及其他设备,将高效率、低电压、大功率、直流无刷永磁电机与船桨最佳配合等方向发展。太阳能具有的能源储备足、环境污染少、市场潜力大等优势,使其将成为现代船舶能源新的发展方向。

4、结束语

综上所述，船舶推进技术以及船舶动力装置是现代船舶运行的核心与关键，其重要的技术指标是安全性、系统稳定性以及节能性等。随着科技创新的不断进步，船舶动力装置和制造技术发生了很大的变化，船舶动力装置种类显著增加，从柴油机动力装置到混合动力装置，其各自都具备一定的优点，为船舶的运行提供相关保障，船舶动力装置将朝着大功率、系统化、多样化、高安全性以及节能环保等方向发展。

参考文献：

【1】王辉.船舶动力装置的应用探析.广东.东莞.广东中远船务工程有限公司.2015.05

【2】徐汇涛.船舶动力装置发展研究船舶动力装置发展研究.浙江.宁波.公安海警学院.2015.04

【3】李进.太阳能在船舶动力装置中的应用与前景.重庆.重庆交通大学.2010.08