本文關(guān)鍵詞：船舶推進(jìn)裝置，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

1.引言

船舶推進(jìn)裝置對船舶營運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性起著決定性的作用。在選擇船舶推進(jìn)系統(tǒng)時最重要的參數(shù)是投資費(fèi)用、空間要求、推進(jìn)效率或相應(yīng)的燃油消耗率、可靠性和在船舶營運(yùn)期間推進(jìn)系統(tǒng)的有效利用率。為了保護(hù)環(huán)境還必須限制主、輔機(jī)排氣和各種廢料所造成的污染。
在船舶推進(jìn)裝置的設(shè)計(jì)中，發(fā)動機(jī)、螺旋槳和船舶水動力特性之間的相互作用有特殊重要意義。只有考慮了它們的組合，而且整個系統(tǒng)配置為最佳時，船舶推進(jìn)系統(tǒng)才稱得上成本合理。
當(dāng)今民船上盡管仍有些船型使用蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，但最廣泛使用的推進(jìn)系統(tǒng)采用的是二沖程和四沖程柴油機(jī)。此外，還存在柴-電或燃-電推進(jìn)裝置。圖1說明民船上（>2000 dwt）最廣泛采用的推進(jìn)主機(jī)是低速二沖程柴油機(jī)。就已交付使用的新建船舶上裝機(jī)總功率而言，低速柴油機(jī)所占份額，在過去20年期間已從60%左右穩(wěn)步增長到接近80%。中速和高速柴油機(jī)份額目前約為20%。過去幾年蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)只占1-3%。
大多數(shù)船舶裝有固定螺距螺旋槳，通常由二沖程低速柴油機(jī)直接驅(qū)動。中速和高速柴油機(jī)推進(jìn)裝置在大多數(shù)情況下安裝可調(diào)螺距螺旋槳，可調(diào)螺距螺旋槳現(xiàn)在的使用范圍可以涵蓋所有的功率和轉(zhuǎn)速。另外，還有數(shù)種特殊設(shè)計(jì)的螺旋槳系統(tǒng)，對某些船型有其特殊優(yōu)越性。它包括噴水推進(jìn)器、平旋推進(jìn)器、舵式推進(jìn)器和吊艙式推進(jìn)裝置。

2. 船舶推進(jìn)系統(tǒng)效率

船舶推進(jìn)所必需的功率由下列方程式求出：

（1）

式中：
PD = 螺旋槳收到功率
RT = 船舶總阻力
V = 船速
hD = 推進(jìn)效率
推進(jìn)效率取決于：螺旋槳敞水效率、綜合伴流系數(shù)和推力減額系數(shù)的殼體效率，以及螺旋槳的相對旋轉(zhuǎn)效率。
另一方面主機(jī)發(fā)出的功率由下列方程式求出：

式中：
mFM = 主機(jī)燃油消耗
LCV = 燃油的低熱值
he = 發(fā)動機(jī)效率
hCGS = 聯(lián)軸器、齒輪裝置和軸線的傳動效率
因此船舶推進(jìn)系統(tǒng)的總?cè)加拖膍FM由下面方程式求出：

式中： 是輔助設(shè)備（發(fā)電設(shè)備、加熱蒸汽發(fā)生設(shè)備和污油廢物燃燒設(shè)備）的燃油消耗。
因此，減少船舶阻力（RT）、改善船舶和螺旋槳水動力性能（hD）、提高主機(jī)效率（hE）和扭矩傳輸各單元的效率（hCGS）以及在加熱設(shè)備和發(fā)電設(shè)備采用節(jié)能系統(tǒng)，就能達(dá)到減少船舶燃油消耗和降低燃油費(fèi)用的目的。

3. 環(huán)境要求

由于船用柴油機(jī)使用低質(zhì)（高硫含量）重油，提高燃燒溫度可以提高燃油效率，但是燃燒溫度的提高，會增加氮氧化物NOx形成量，致使廢氣排放率相對較高。目前正在努力減少船舶的廢氣排放率，特別是降低硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的排放。
SOx排放只取決于燃料中的硫含量。1997年國際海事組織（IMO）做出規(guī)定，燃油中的含硫量最大不得超過4.5%，這對限制SOx的排放起到一定的作用。不過此值仍然較高，在某些海域（如在波羅的海沿岸國家只允許采用含硫量1.5%以下的燃油），還要求降低此值。
IMO在1997年做出規(guī)定，要在全世界范圍內(nèi)將船舶NOx排放量降低30%，（還未獲批準(zhǔn)）。據(jù)此規(guī)定，所有在2000年1月1日及其后鋪設(shè)龍骨的新船，其NOx排放限值將隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而定，詳見圖2。這一規(guī)定是考慮低速發(fā)動機(jī)由于其反應(yīng)時間較長NOx形成量較高這一事實(shí)。
現(xiàn)代船用柴油機(jī)采取一些措施后，例如設(shè)計(jì)優(yōu)化的燃燒室、改進(jìn)燃油系統(tǒng)、采用燃油注水或乳化油或排氣反饋，就能達(dá)到這一限值甚至更低。在要求NOx排放量特低之處，可以采用選擇性催化還原反應(yīng)（SCR催化器式排氣凈化器），處理排放的廢氣。這一經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的技術(shù)（應(yīng)用于動力裝置）已經(jīng)成功地使用在渡船和游船上。
燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)不需要采取這些措施，因?yàn)榇萌細(xì)廨啓C(jī)使用的是幾乎不含硫的高熱值燃油。另一方面，為滿足NOx和CO排放量特低的動力裝置要求而開發(fā)的特種燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，也可用在船上。此燃燒室同樣適用于燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)聯(lián)合裝置（GuD）�，F(xiàn)在正在或計(jì)劃在數(shù)艘定期旅游船上安裝GuD作為燃-電推進(jìn)裝置（COGES）。在GuD裝置中，在燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室里也燃燒燃油。

4. 船用推進(jìn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

將現(xiàn)有類型的發(fā)動機(jī)和推進(jìn)器進(jìn)行不同組合，可得到一系列可能的推進(jìn)裝置方案，每艘船應(yīng)根據(jù)船型及其計(jì)劃運(yùn)輸服務(wù)范圍選擇最佳推進(jìn)系統(tǒng)方案。目前在民船航運(yùn)中使用如下推進(jìn)裝置。
4.1 二沖程柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng) 燒重油的低速二沖程柴油機(jī)直接驅(qū)動定距螺旋槳配置（圖3）是當(dāng)今民船上最通用的推進(jìn)裝置形式。選擇螺旋槳轉(zhuǎn)速具有特別重要的意義，因?yàn)殡S著螺旋槳轉(zhuǎn)速的降低推進(jìn)效率大為提高。因此，為大型高速船舶特別研制了特低轉(zhuǎn)速（60-80 rpm）的二沖程柴油機(jī)。這些所謂的長沖程柴油機(jī)，沖程與缸徑比為3-4，有效效率可達(dá)50%，因而燃油初級能量的直接利用率最高。此外，部分廢氣能量還可使用在廢熱鍋爐內(nèi)生產(chǎn)熱水或飽和蒸汽或加熱熱油系統(tǒng)�；厥盏膹U熱在船上可以用于預(yù)熱目的。
在安裝大功率發(fā)動機(jī)的船上，將廢熱鍋爐生產(chǎn)的過熱蒸汽送到渦輪發(fā)電機(jī)，提供船上所需要的電能，這樣也許是經(jīng)濟(jì)的，但要對取代柴油發(fā)電機(jī)所節(jié)省的燃料費(fèi)用與增設(shè)廢熱鍋爐和渦輪發(fā)電裝置所花的較高的基本建設(shè)投資進(jìn)行對比。
現(xiàn)代二沖程船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式一般為4-12氣缸直列式、轉(zhuǎn)速約為60-200 rpm，單缸功率400-5500kW、使用恒壓渦輪增壓的柴油機(jī)。由于增大了沖程/缸徑比，氣缸換氣效率得到改善，所以直流掃氣被證明是最優(yōu)越的換氣系統(tǒng)。二沖程和四沖程船用柴油機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展則致力于降低生產(chǎn)和維護(hù)費(fèi)用、降低燃油消耗、減少廢氣污染和縮減機(jī)艙尺寸。
定距螺旋槳推進(jìn)受空化作用，螺旋槳尺寸和其在尾流中的位置受到限制。所以在推進(jìn)系統(tǒng)中的槳越來越多的設(shè)計(jì)形式是槳葉側(cè)斜式定距螺旋槳（圖4）。與傳統(tǒng)的定 距槳相比，側(cè)斜式定距槳具有同樣好的推進(jìn)特性、較好的空化性能，而在船體上形成的壓力波動較小。
整個推進(jìn)系統(tǒng)的操作性能取決于柴油機(jī)和定距槳之間的相互作用，如圖5所示。在船舶整個壽命期間，從起動（海上試驗(yàn)條件）到特別不利條件下作業(yè)，螺旋槳特性變化范圍可能很寬。全速航行時只有在發(fā)動機(jī)具有適當(dāng)功率貯備時才有可能，現(xiàn)在選用的發(fā)動機(jī)，大多數(shù)在海上航行試驗(yàn)時，留有10-15%的功率貯備。
4.2 四沖程柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng) 現(xiàn)代四沖程中速或高速柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)（圖6）相對轉(zhuǎn)速較高，分別為300-1000 rpm或1000-2200 rpm。為了使螺旋槳在最佳轉(zhuǎn)速下工作，需要配有減速齒輪箱。在柴油機(jī)和齒輪箱之間必須安裝高彈性的彈性聯(lián)軸節(jié)以防止對齒輪箱的沖擊。
使用齒輪箱傳動有可能使螺旋槳采用多臺發(fā)動機(jī)驅(qū)動。過去就有很多船舶的推進(jìn)裝置裝備雙發(fā)動機(jī)，有時甚至配備三臺或四臺發(fā)動機(jī)。多發(fā)動機(jī)動力裝置不僅可以提高主機(jī)的冗余度，而且具有可以采用緊湊型機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。
采用恒壓或脈沖渦輪增壓系統(tǒng)的四沖程柴油機(jī)，通過氣缸蓋的進(jìn)排氣閥進(jìn)行換氣。所以四沖程中速柴油機(jī)適用燃燒重油。
恒壓渦輪增壓系統(tǒng)由于在較高負(fù)載范圍內(nèi)氣流能量損失較少，設(shè)計(jì)有可能較為簡單，因而生產(chǎn)費(fèi)用較低。脈沖增壓在部分負(fù)載和加速性能方面有其優(yōu)點(diǎn)。
用作船舶主機(jī)的四沖程柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)型式為9-20氣缸、直列式或V型布置、單缸輸出功率最高達(dá)2000kW。目前的四沖程柴油機(jī)功率范圍有可能全面覆蓋對其作為主機(jī)所要求的功率范圍，既可采用單機(jī)驅(qū)動也可采用多機(jī)驅(qū)動。盡管它們的特種燃油和維護(hù)費(fèi)用稍高于二沖程機(jī)，但它們在重量和高度方面則有顯著的優(yōu)勢。
四沖程機(jī)還特別適合于廢熱回收，因?yàn)樗鼈兊呐艢鉁囟龋?30-380℃）大大高于二沖程機(jī)的排氣溫度（250-280℃）。因此人們正努力盡可能擴(kuò)大其廢熱回收。
四沖程柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)在大多數(shù)情況下選擇可調(diào)螺距螺旋槳（圖7）�？烧{(diào)螺距螺旋槳由于其葉片可以通過使用液壓缸改變其位置，從而改進(jìn)船舶機(jī)動性，即使在極端工作條件下例如在拖船上或在漁船上，也能保持最佳的總推進(jìn)效率。配備軸帶發(fā)電機(jī)的推進(jìn)裝置能在寬闊的負(fù)載范圍內(nèi)以恒速工作�？勺兟菥嗦菪龢档土酥鳈C(jī)的費(fèi)用（無倒車裝置），但其缺點(diǎn)是價(jià)格較貴（生產(chǎn)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用高），且與定距槳相比推進(jìn)效率稍低。小型或中型四沖程機(jī)通常選用的方案是將柴油機(jī)通過換向裝置與定距槳相連。在主機(jī)工作期間利用兩個離合器和一根中間軸可以改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向。
4.3 蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng) 在造船中使用蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置因經(jīng)濟(jì)原因仍然受到限制（燃油消耗率高）。除了仍在營運(yùn)的燃重油和燃煤蒸汽船外，運(yùn)輸液化天然氣的LNG液貨船是目前唯一的專門用蒸汽輪機(jī)推進(jìn)的船型。這里有其特殊的原因，在LNG液貨船上，液化氣以-162℃的溫度下裝在隔熱艙中運(yùn)輸。盡管高效隔熱，但仍然不可避免每天有 0.1-2.5%液化氣蒸發(fā)。蒸發(fā)的天然氣可用作雙燃料主鍋爐的燃料，生產(chǎn)主渦輪機(jī)用的蒸汽，提供幾乎全部需要的推進(jìn)功率。重燃油則用作輔助燃料和船舶的壓載貨物。
在港口可以用不污染環(huán)境的方法使用蒸發(fā)的天然氣，在主鍋爐內(nèi)燃燒天然氣。輔助作業(yè)不需要的過多蒸汽，可在單獨(dú)的海水冷卻的常壓冷凝器中冷凝。用柴油機(jī)裝置要做到這一點(diǎn)是不可能的。按港口地方排放規(guī)則的要求，在船上必須安裝昂貴的附加燃燒裝置或再液化裝置處理蒸發(fā)的氣體。
另一點(diǎn)是目前還沒有經(jīng)充分驗(yàn)證的雙燃料柴-燃發(fā)動機(jī)可以用在LNG液貨船上。船東也必須從安全方面考慮，因此選擇了經(jīng)驗(yàn)證可靠的、無需再熱或高壓預(yù)熱器的簡單設(shè)計(jì)的蒸汽輪機(jī)裝置。為這類價(jià)格昂貴的船舶選擇推進(jìn)系統(tǒng)，最重要的準(zhǔn)則是最高的實(shí)用性。對LNG船而言燃油消耗已是不重要的經(jīng)濟(jì)因素。
圖8所示的是LNG船上典型的蒸汽輪機(jī)推進(jìn)裝置。它是由轉(zhuǎn)速分別為7000 rpm和4000 rpm的高壓渦輪機(jī)和低壓渦輪機(jī)以及帶分功率輸出軸的二級減速齒輪箱組成的雙殼機(jī)。定距槳的轉(zhuǎn)速是120rpm。過熱器出口的蒸汽狀態(tài)是62 bar/510℃。倒車渦輪由兩級Curtis 級組成，位于低壓渦輪機(jī)的排汽區(qū)。當(dāng)?shù)管囁俣冗_(dá)到正車速度的50%時，倒車渦輪能產(chǎn)生相當(dāng)于80%正車轉(zhuǎn)矩。船用汽輪機(jī)能保持全倒車速度（70%正車速度）至少30分鐘而無任何發(fā)熱問題。
4.4 燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng) 燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)由于其重量/功率比�。╩GT/Pe = 0.2-0.9 kg/kW)，特別適用于淺吃水流線型快速船推進(jìn)系統(tǒng)。因此，這種推進(jìn)系統(tǒng)越來越多地使用在快速渡船和客船上。軍船裝備燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)已有數(shù)十年歷史，常與柴油機(jī)組合以改善燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷時的性能。
在航空用發(fā)動機(jī)和從工業(yè)渦輪機(jī)發(fā)展而來的重載燃?xì)廨啓C(jī)之間有些區(qū)別。航空用發(fā)動機(jī)由于結(jié)構(gòu)體積小、重量輕，易于安裝。在過去數(shù)年里燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的實(shí)際效率一直在穩(wěn)步提高。
固定式組合熱電站用燃?xì)庹羝啓C(jī)（GuD）系統(tǒng)的研制成功對提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率作出了貢獻(xiàn)。（GuD裝置目前幾乎占世界電站新裝機(jī)容量的一半，且裝機(jī)量繼續(xù)上升。）
適合于船舶推進(jìn)用的開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的效率已經(jīng)大大得到提高，這一方面是由于添加了熱交換器，用排氣來預(yù)熱壓縮機(jī)和燃燒室之間的空氣，另一方面是由于對低壓和高壓壓縮機(jī)之間的空氣進(jìn)行冷卻之故。這些新開發(fā)的ICR燃?xì)廨啓C(jī)，在部分負(fù)載時的性能與高速柴油機(jī)相類似，且以其低NOx排放量而著名。
研制順序燃燒的環(huán)形燃燒室也有助于提高效率，特別有助于降低廢氣排放量。增加渦輪機(jī)進(jìn)口溫度對其熱動力性能有利，但此溫度受到葉片的機(jī)械強(qiáng)度和熱負(fù)荷能力以及高溫腐蝕危險(xiǎn)的限制。盡管如此，采用葉片內(nèi)冷的新方法有可能進(jìn)一步提高燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口溫度。
為避免高溫腐蝕，應(yīng)使用釩含量低的燃料（汽油或煤油，以及在重載機(jī)情況下使用特別制備的重油）。這樣一來燃料費(fèi)較高，但在廢氣排放方面有其優(yōu)勢。燃?xì)廨啓C(jī)裝置與柴油機(jī)裝置相比，其效率和性能較多地依賴于外界空氣溫度，因此在設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)裝置時必須考慮預(yù)期的外界空氣溫度分布及由此引起的功率減少。
燃?xì)廨啓C(jī)還對進(jìn)口空氣的純度有嚴(yán)格要求，因此空氣通道和煙道必須要大，而且要使用另一個結(jié)構(gòu)體積相對較小的發(fā)動機(jī)。在船上，燃?xì)廨啓C(jī)主要作為聯(lián)合裝置工作。在雙體船上有時使用一大一小燃?xì)廨啓C(jī)組合。在快速單體船上使用柴油機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組合，即CODAG裝置（柴-燃聯(lián)合裝置），在額定負(fù)荷下柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)一起工作。這時的船舶通常采用噴水推進(jìn)裝置（圖9）。
高速船（> 25 節(jié)）使用噴水推進(jìn)的優(yōu)越性主要因?yàn)樗诟咚傧孪鄬D(zhuǎn)動效率高。另一個積極因素是它的機(jī)動特性好。它不需要舵、螺旋槳軸和倒車齒輪箱，因?yàn)橛脟娝髟趦蓚�方向都可能產(chǎn)生全速推力。與常規(guī)螺旋槳相比，噴水推進(jìn)器無噪聲、無振動。
4.5 柴-燃-電聯(lián)合推進(jìn)裝置 客船上的動力裝置不僅用作推進(jìn)裝置，而且還必須為船上客艙服務(wù)提供所需要的可觀的電力和熱力，與此同時還應(yīng)使旅客受到盡可能少的噪聲、振動和排氣煙霧的影響。由于快速運(yùn)輸旅客不再如此重要，這種船的營運(yùn)方式發(fā)生了變化。速度變化很大，而且取決于具體的航行計(jì)劃。為滿足這些要求，客船往往裝柴-電推進(jìn)裝置。電力驅(qū)動電動機(jī)易于調(diào)節(jié)，不用齒輪箱裝置，直接操縱螺旋槳。驅(qū)動電動機(jī)和客艙經(jīng)營所需要的電力，通常由適當(dāng)規(guī)格的柴油發(fā)電機(jī)供應(yīng)。由于與驅(qū)動電動機(jī)不需要機(jī)械聯(lián)接，只要電氣聯(lián)接，因此發(fā)電裝置可以安裝在船上任何地方，例如在螺旋槳軸上方，這樣可使機(jī)艙緊湊。為獲得良好的機(jī)動性，通常在船頭或船尾安裝側(cè)推器。熱能通常從組合式輔助廢熱鍋爐獲取。
大約自1995年以來，一種新的推進(jìn)系統(tǒng)吊艙式電力推進(jìn)（POD）一直在運(yùn)行中積累經(jīng)驗(yàn)。在此系統(tǒng)中，交流驅(qū)動電動機(jī)掛在船尾下的吊艙內(nèi)，由一臺變頻器供電和控制。吊艙帶動螺旋槳，可旋轉(zhuǎn)整個360°，因而可在任何需要的方向產(chǎn)生推力，不需要舵和側(cè)推器，而機(jī)動性有所增加。由于驅(qū)動電動機(jī)位于船體之外，因而也不需要軸和軸架，這意味著在船尾有額外的空間。螺旋槳還能布置得順應(yīng)水流，從而獲得較高的推進(jìn)效率，由于減少了附體的阻力，推進(jìn)效率輕而易舉地提高了10%。由于吊艙浸在海水中直接向外散熱，故驅(qū)動電動機(jī)不需要冷卻。POD推進(jìn)正在建造成雙裝置（圖10）或單裝置（圖11）。
可以安裝渦輪發(fā)電機(jī)代替柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。數(shù)艘正在建造的旅游船安裝的是燃?xì)?蒸汽輪機(jī)聯(lián)合裝置（COGES）。為冗余度的原因，像通常在固定式GuD裝置一樣，COGES推進(jìn)裝置由兩臺燃?xì)廨啓C(jī)組成，每臺帶一臺廢氣鍋爐生產(chǎn)過熱蒸汽送到蒸汽輪機(jī)。需要的電力則由三臺渦輪發(fā)電機(jī)生產(chǎn)。供暖和熱水由蒸汽輪機(jī)提供。COGES推進(jìn)系統(tǒng)與柴-電裝置相比，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)較平穩(wěn)、重量較輕和空間要求較小。在起動或機(jī)動期間當(dāng)出現(xiàn)明顯的負(fù)荷大幅度變化時（例如：倒車和停車機(jī)動時），燃?xì)廨啓C(jī)能較快地達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)性能也是其一大優(yōu)點(diǎn)。因使用昂貴燃料而使運(yùn)行費(fèi)用增高這一缺點(diǎn)，可以因減小機(jī)艙尺寸（意味著客艙增多）和大大降低廢氣排放量而得到補(bǔ)償。燃?xì)廨啓C(jī)－蒸汽輪機(jī)裝置相對較高的熱效率與裝置的尺寸有關(guān)。在現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)－蒸汽輪機(jī)聯(lián)合動力裝置的熱效率可達(dá)58%，在高性能船舶上，其熱效率可達(dá)45-50%。如今COGES推進(jìn)裝置獨(dú)特的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在客船和渡船上。

5. 革新的傳動部件

發(fā)動機(jī)裝置產(chǎn)生的機(jī)械能，通過齒輪箱（在需要之處）、聯(lián)軸節(jié)和軸傳遞到螺旋槳，，而由螺旋槳產(chǎn)生的推動船舶前進(jìn)的推力，則通過推力軸承和底座傳送到船體結(jié)構(gòu)。這些傳遞動力和推力所必需的機(jī)械部件的工作特性，不僅對推進(jìn)裝置在連續(xù)工作期間的靜態(tài)性能，而且也對動態(tài)性能（例如：扭振和縱向振動）和非靜態(tài)工況（例如：倒車和停車機(jī)動）也是很重要的。正因?yàn)槿绱�，這些部件的制造廠商正在進(jìn)行的研究和開發(fā)工作，主要集中在針對船舶營運(yùn)的特殊要求，進(jìn)一步優(yōu)化傳動系統(tǒng)。
5.1 齒輪箱 采用齒輪箱裝置意味著可以根據(jù)效率、尺寸和重量選擇發(fā)動機(jī)和推進(jìn)器的最佳速度。當(dāng)今，由于蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)系統(tǒng)以及中速和高速四沖程柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速高，幾乎都采用緊湊的齒輪裝置。由于所用的速度組合存在著很大差異，因而船用齒輪的設(shè)計(jì)差別很大。隨著推進(jìn)功率的增加，對船用齒輪箱的要求也在增加。除了要求疲勞強(qiáng)度高以外，還要求噪聲低和重量輕。
在蒸汽輪機(jī)裝置中，齒輪箱允許雙殼機(jī)，其高壓渦輪機(jī)和低壓渦輪機(jī)設(shè)計(jì)時各有其最佳速度。由于渦輪裝置要求齒輪箱有高的傳動比，所以需要兩級或三級傳動齒輪箱。最合適的是兩級聯(lián)式減速齒輪箱，在高壓側(cè)和低壓側(cè)分別設(shè)置動力傳遞路線，在要求更高的動力傳遞時，采用二級聯(lián)式齒輪箱串聯(lián)布置或功率分軸式二級減速齒輪最為合適。通過使用彈性扭力軸保證負(fù)荷分配均勻。當(dāng)在高壓側(cè)因渦輪轉(zhuǎn)速高或螺旋槳轉(zhuǎn)速特低（例如：油船上60-80rpm）時，就要配置三級減速齒輪箱，還要采用行星齒輪作為第一級減速。
由于所有各類船舶要求的推進(jìn)概念大不相同，為柴油機(jī)動力裝置已開發(fā)了很多型號的齒輪箱。齒輪箱每級的減速比可能達(dá)到8:1左右，所以不同轉(zhuǎn)速、不同功率的四沖程柴油機(jī)均可采用單級齒輪箱。然而由于空間限制及在特殊情況下，則選擇兩級同軸齒輪箱或行星齒輪箱。多機(jī)裝置一般具有兩臺有時三臺偶爾四臺柴油機(jī)，要求特殊結(jié)構(gòu)的齒輪箱。在這些齒輪箱中，首要考慮的是輸入軸與輸出軸布置，結(jié)構(gòu)要盡可能的緊湊、外形符合船舶輪廓（圖6）。
四沖程柴油機(jī)-定距槳推進(jìn)傳動裝置要求安裝倒車減速齒輪箱，在運(yùn)行期間通過兩套組合式離合器和一根中間軸，螺旋槳可以反向轉(zhuǎn)動（圖13）。倒車齒輪箱主要配備的功率范圍在5MW以內(nèi)。在特種船（如漁船）上使用增壓式柴油機(jī)，使倒車和停車機(jī)動用齒輪箱裝置所需的部件得到進(jìn)一步發(fā)展。例如，為優(yōu)化齒輪箱液壓傳動而研制的新型先導(dǎo)閥，已使切換和倒車工況能適應(yīng)高增壓柴油機(jī)的性能曲線，并改善了其適應(yīng)性，這就意味著在柴油機(jī)和齒輪箱不過載條件下縮短了船舶停車距離和時間。借助于模擬程序能模擬倒車和停車機(jī)動工況，確定各個部件上的最終尖峰負(fù)荷，并按高可靠性要求來設(shè)計(jì)這些部件。
某些船舶由于其所從事的商務(wù)性質(zhì)，有時需要在特別低的速度下航行。為這些船已研制出回旋系統(tǒng)齒輪箱。這里，離合器的液壓控制可以調(diào)整離合器使之能經(jīng)常以高差速工作。通過耦合壓力，螺旋槳速度能調(diào)節(jié)到大大低于發(fā)動機(jī)的最低轉(zhuǎn)速，并通過電子性能監(jiān)控器進(jìn)行控制。
在采用柴油機(jī)裝置－齒輪箱－變螺距螺旋槳動力裝置中，有一種日益增長的趨勢，即系統(tǒng)方案開發(fā)。其目的是提供一種推進(jìn)裝置，其各部件（如：齒輪箱、軸、可變螺距螺旋槳）的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)同步，并且能與共同的供應(yīng)和操作系統(tǒng)（如：油料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)）相聯(lián)接。這樣可減少輔助系統(tǒng)的配置數(shù)量，也可改善推進(jìn)系統(tǒng)的工作性能。
對于船用齒輪箱，常常要求配備高速分功率輸出裝置（PTO）（圖14），用來驅(qū)動發(fā)電機(jī)、泵或其它工作機(jī)械。這種做法經(jīng)濟(jì)上特別合算。因?yàn)橹鳈C(jī)和輔機(jī)不一樣，它燃燒重油，如果發(fā)電機(jī)作為發(fā)動機(jī)工作，額外的驅(qū)動動力可以通過分功率輸入裝置（PT1）傳遞給螺旋槳軸。當(dāng)主機(jī)不能工作且通過聯(lián)軸節(jié)與螺旋槳軸分開時，輸入的功率也能用于回旋作業(yè)或返航的動力�？蛰S齒輪箱是一種非常特殊的結(jié)構(gòu)型式，它是為直接驅(qū)動螺旋槳的二沖程柴油機(jī)研制的。使用這種齒輪箱，主機(jī)也可以驅(qū)動軸帶發(fā)電機(jī)。
尺寸和功率更大的快速渡船的推進(jìn)系統(tǒng)也有了變化�，F(xiàn)在越來越多的快速渡船采用高速柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的噴水推進(jìn)裝置。這些推進(jìn)系統(tǒng)對齒輪箱有特殊的要求。這些要求主要是：傳遞功率大、偏差盡可能小、減速比在5:1和2:1之間、重量/功率比小、尺寸小，以及設(shè)置分功率輸出/輸入裝置。
為這些非常規(guī)船舶已經(jīng)專門研制了新型齒輪箱，鋁合金制成的外殼、貴重材料做成的傳動部件以及優(yōu)化的齒輪嚙合結(jié)構(gòu)。
引進(jìn)新型材料和改變結(jié)構(gòu)要求，也促進(jìn)了新的FEM評定法的發(fā)展，這種方法允許拓?fù)浯_定齒型校正和外殼變形。用這種方法也能確定來自齒嚙合時接觸的動力。通過對整個系統(tǒng)的動態(tài)方面的評定，人們能夠獲得那些與裝置壽命周期有關(guān)的部件尺寸。這將進(jìn)一步提高船用齒輪箱使用性和可靠性。
5.2 聯(lián)軸器 在船舶工程中聯(lián)軸器要完成多種任務(wù)。在推進(jìn)裝置中它的主要目的是傳遞功率和扭矩，抵消徑向、軸向和角度誤差，補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)動量的振蕩，影響推進(jìn)系統(tǒng)的固有頻率，連機(jī)和脫機(jī)，在起動和倒車時調(diào)節(jié)推進(jìn)功率，以及提供防過載保護(hù)。在船舶工程中使用著很多不同型式的聯(lián)軸器，各自完成一種或數(shù)種任務(wù)。如圖15所示，聯(lián)軸器和離合器之間各有不同的特征。
剛性聯(lián)軸節(jié)用作不同軸段之間的連接部件（如：凸緣聯(lián)軸節(jié)、套筒聯(lián)軸節(jié)）或直接將低速柴油機(jī)與軸相連（凸緣聯(lián)軸節(jié)）。撓性聯(lián)軸節(jié)是船舶推進(jìn)系統(tǒng)中最廣泛使用的聯(lián)軸節(jié)。
渦輪裝置由于機(jī)器轉(zhuǎn)速高，使用金屬聯(lián)軸節(jié)（齒形聯(lián)軸節(jié)，鋼質(zhì)片式聯(lián)軸節(jié)），它能補(bǔ)償渦輪機(jī)因熱膨脹而出現(xiàn)的軸向偏差。它還可以平衡掉渦輪和齒輪箱軸承之間的高度差，如采用傾斜聯(lián)接套筒的曲線齒聯(lián)軸器。此時應(yīng)注意齒輪箱軸承與渦輪輸出軸之間的距離，確定聯(lián)接套筒的長度。圖16所示船用蒸汽輪機(jī)中曲線齒聯(lián)軸節(jié)，此使用的套筒長度為600mm。齒形聯(lián)軸節(jié)充油，但其減振效果差。
柴油機(jī)裝置最好采用橡膠聯(lián)軸節(jié)或簧片聯(lián)軸器（圖17），這主要是因?yàn)檫@些聯(lián)軸節(jié)具有很好的軸向、徑向和角度偏移的校正能力和相當(dāng)好的阻尼特性。涉及系統(tǒng)動態(tài)性能方面，彈性聯(lián)軸節(jié)的一個至關(guān)重要的特征是其抗扭剛度。其抗扭性能在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，這一性能取決于橡膠元件或彈簧裝置的性能。因此在早期規(guī)劃階段應(yīng)考慮整個推進(jìn)系統(tǒng)的固有扭轉(zhuǎn)頻率，使傳動系統(tǒng)在工作期間不會出現(xiàn)任何與發(fā)動機(jī)和螺旋槳的激振頻率發(fā)生共振的現(xiàn)象。
為了解決空載時齒輪噪聲問題，已經(jīng)為推進(jìn)裝置研制成功一新型抗扭彈性聯(lián)軸節(jié)，抗扭力矩可達(dá)5 kNm左右。這種聯(lián)軸器在其工作范圍內(nèi)具有兩個不同的剛性區(qū)，在聯(lián)軸節(jié)低載期間用低剛性的第一級，此時傳動系統(tǒng)的第一個固有頻率大大低于發(fā)動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速，因而能避免在此范圍內(nèi)因共振引起齒輪噪聲。隨著負(fù)載增加，另一個具漸進(jìn)特性的橡膠元件發(fā)生作用，將抗扭剛性增加到額定負(fù)載所要求的值。
用硅膠制成的彈性元件也能獲得類似的特性。在聯(lián)軸節(jié)內(nèi)因此可能允許有較高的工作溫度，這一點(diǎn)對推進(jìn)裝置是非常重要的。
雙錐體離合器或多片離合器也適合用作聯(lián)軸器，但在推進(jìn)裝置工作期間不能調(diào)節(jié)。氣動的雙錐體離合器（圖18）可以配備附加的橡膠元件，用作彈性聯(lián)軸節(jié)。
液壓操作的多片離合器由于其結(jié)構(gòu)緊湊特別適合集成于齒輪箱內(nèi)。其可傳遞扭矩相對較高，但這取決于離合器中鋼盤盤片或粉末冶金盤的大小、數(shù)量和磨擦系數(shù)，以及液壓設(shè)備的工作壓力。
液壓聯(lián)軸器在某些特殊要求的船上（如破冰船、拖船）也得到應(yīng)用，它被用作離合器，在工作期間也可調(diào)節(jié)。這種離合器的優(yōu)點(diǎn)是無磨損傳遞力矩、無負(fù)載起動和加速、減振性能和限制力矩峰值。它的一個很大缺點(diǎn)是系統(tǒng)產(chǎn)生損耗，即使在穩(wěn)定負(fù)載條件下也有損耗，這種損耗不得不以熱能形式由冷卻油帶走。在某些船上，在齒輪的PTO軸和軸帶發(fā)電機(jī)之間裝液壓聯(lián)軸節(jié)。液壓聯(lián)軸節(jié)也曾經(jīng)安裝在一系列具有廢熱回收系統(tǒng)渦輪發(fā)電機(jī)的船上，裝在PTI齒輪箱進(jìn)口處。
5.3 軸系 軸系的結(jié)構(gòu)和布置取決于主機(jī)的類型和位置、船型和螺旋槳的數(shù)量（單軸或多軸）。軸系（圖19）的各段是螺旋槳軸、傳動軸和止推軸承軸（如安裝）。在可調(diào)螺距螺旋槳裝置中使用空心軸。在某些快速渡船上已經(jīng)成功地使用玻璃鋼制成的傳動軸。
在各軸段之間使用固定的或可拆式法蘭接頭和聯(lián)軸節(jié)（如油壓套筒聯(lián)軸節(jié)）作為連接元件。各軸段及其連接元件的尺寸必須符合入級的船級社的規(guī)范要求。使用帶鍵的傳統(tǒng)錐形連接法或者現(xiàn)在新建船舶通常使用的油液壓過盈套合法（無鍵螺旋槳），將螺旋槳安裝在螺旋槳軸的最末端。
軸向止推軸承座應(yīng)將螺旋槳產(chǎn)生的向前或向后的推力傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。在高速和中速柴油機(jī)推進(jìn)裝置中，螺旋槳推力通常由在齒輪箱中調(diào)心滾柱軸承的徑向或軸向止推軸承座承接。在推進(jìn)功率大的地方最好用普通滑動軸承，它安裝在齒輪箱中或基板上（在二沖程機(jī)情況下）或者用作獨(dú)立式單環(huán)止推軸承。
在齒輪箱和尾軸管或發(fā)動機(jī)和尾軸管之間軸系的徑向軸承通常采用數(shù)個軸頸軸承代替普通滑動軸承或滾柱軸承。軸承的數(shù)量和布置由軸的長度和直徑、軸的抗彎振動性能、軸的靜態(tài)彎曲線以及彎曲應(yīng)力和軸承支撐座的強(qiáng)度決定。為降低費(fèi)用和靈活傳動，建議盡可能少用軸承。普通滑動軸承主要用于較大的推進(jìn)裝置，滾柱軸承主要用于較小的裝置。尾軸管軸承和密封比較特別，它比其它軸承要堅(jiān)固得多，因?yàn)樗仨毘惺茌^大的負(fù)載，還要承受螺旋槳引起的突然沖擊力（如在洶涌海浪中和突發(fā)事故時）。
尾軸管密封有各種不同的技術(shù)解決辦法。在大多數(shù)船上用單工（制）結(jié)構(gòu)，尾部軸封保護(hù)尾軸管不進(jìn)海水。尾軸管內(nèi)壓取決于船舶吃水（圖20），尾軸管內(nèi)充油，抬高油箱可以調(diào)節(jié)油壓，使之高于外部水壓。與環(huán)境有關(guān)的一項(xiàng)特別有意義的發(fā)展是單工緊湊空域（Simplex Compact Airspace)尾軸管密封。
另外，充壓并可調(diào)壓的中間腔將油和海水隔開，即使在事故情況下海水也不能進(jìn)入船內(nèi)，油也不能溢出船外。

6. 船舶營運(yùn)的安全和可靠性

在選擇船舶推進(jìn)系統(tǒng)時，要求將最高的安全標(biāo)準(zhǔn)和船舶營運(yùn)可靠性絕對放在第一位，因?yàn)橥七M(jìn)裝置故障馬上會危及船舶、船上人員和貨物安全。為減少這種危險(xiǎn)，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段盡早地考慮船舶營運(yùn)的特殊要求。除了可能的氣候差別和頻繁的船上困難工況外，還要考慮船舶運(yùn)動、變形、加速以及主機(jī)和螺旋槳產(chǎn)生的振動。
推進(jìn)系統(tǒng)總的來說是能夠被激振而產(chǎn)生扭振、縱向振動和彎曲振動，應(yīng)對每個推進(jìn)裝置進(jìn)行仔細(xì)的振動分析。在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中扭振是最明顯的，因此在規(guī)劃階段就必須盡早地評估推進(jìn)裝置強(qiáng)制阻尼的扭振特性，目的是防止發(fā)動機(jī)或螺旋槳激振頻率和系統(tǒng)的固有頻率共振和引起不可接受的高振動級。從發(fā)動機(jī)制造廠、船廠和船級社可以得到評估推進(jìn)裝置扭振情況的模擬程序，這種模擬甚至能夠可靠地確定特別復(fù)雜的分支系統(tǒng)（諸如具有特殊齒輪系統(tǒng)和附加PTI和PTO接頭的多機(jī)裝置）的振動性能。
在建造機(jī)械系統(tǒng)過程中必須考慮船舶在洶涌海浪中出現(xiàn)的運(yùn)動和加速。它們對燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、控制油系統(tǒng)和供水系統(tǒng)，以及對軸承和機(jī)械部件的機(jī)座等等都有影響。建造海軍艦船有專門的振動規(guī)則，這些規(guī)則要求艦船設(shè)計(jì)允許比民船更高的附加加速度。
船上氣候差別可能很大，取決于其營運(yùn)航線。氣候會影響推進(jìn)裝置的性能和發(fā)動機(jī)功率輸出，特別是外部空氣和水溫。燃?xì)廨啓C(jī)受此影響最大，對蒸汽輪機(jī)和柴油機(jī)的影響小一點(diǎn)。
經(jīng)驗(yàn)表明，對推進(jìn)裝置的利用率有決定意義的是選擇正確的維護(hù)原則，這個原則應(yīng)保證在維修費(fèi)用盡可能低的條件下利用率盡可能高，各個元件或部件的壽命周期在推進(jìn)系統(tǒng)中起重要的作用。在推進(jìn)裝置的使用期限內(nèi)或多或少總會出現(xiàn)一些意外故障，譬如因操作錯誤或外界干擾引起的故障。此外，當(dāng)裝置投入運(yùn)行后可能會出現(xiàn)早期故障，這往往是由于結(jié)構(gòu)或材料錯誤或加工或裝配缺陷引起的。在裝置長期運(yùn)行之后，因磨損或材料疲勞而導(dǎo)致的后期故障也必須加到意外故障清單內(nèi)。
發(fā)動機(jī)和部件制造廠要盡最大的努力（如質(zhì)量控制）盡可能消除早期故障。提高防意外事故水平最好靠船主（如進(jìn)行人員培訓(xùn)）。后期故障依靠合理的預(yù)防性的維護(hù)可以降低到最低限度，制造廠、船廠和船東必須密切合作進(jìn)行規(guī)劃。
最后但不是最不重要的一點(diǎn)，日益增加的航運(yùn)自動化已經(jīng)提高了船舶推進(jìn)裝置的利用率，自動操作不僅帶來認(rèn)真仔細(xì)地使用主、輔機(jī)，而且減少了因誤操作所造成的故障次數(shù)。

7. 工業(yè)界和科學(xué)界之間市場定向合作

在工業(yè)界和科學(xué)界之間定向于實(shí)際應(yīng)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)需求的密切合作，是德國長期存在的傳統(tǒng)。一方面在制造廠、船廠和船東之間，另一方面和技術(shù)院�；蜓芯克M(jìn)行很多各種形式的合作，完成復(fù)雜的研究課題。
例如：來自漢諾威和漢堡各大學(xué)和來自德國勞氏船級社和漢堡拖曳試驗(yàn)水池協(xié)會（HSVA）的100多名工程技術(shù)人員一起工作了15年以上，完成了由德國研究協(xié)會（DFG）發(fā)起的涉及大型高速商船的安全和經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)專門研究課題。
由于最近幾年來船舶尺度和速度急劇增加，迫切要求對大范圍的邊緣學(xué)科問題進(jìn)行科學(xué)分析。分析研究結(jié)果曾公布在DFG的最終報(bào)告內(nèi)。
再一個德國的重要聯(lián)合船舶技術(shù)研究項(xiàng)目例子是1995年完成的“未來船舶”和“未來船用推進(jìn)系統(tǒng)”項(xiàng)目和 “船舶操作系統(tǒng)”研究和發(fā)展項(xiàng)目。所有項(xiàng)目都是由“德國研究技術(shù)部”發(fā)起的。船東、船廠和發(fā)動機(jī)或設(shè)備制造廠都參加到這三項(xiàng)項(xiàng)目中，參加的還有德國勞氏船級社、大專院校和其它研究單位。研究結(jié)果都直接應(yīng)用于工業(yè)，并已經(jīng)作為新產(chǎn)品或造船新方法得到了實(shí)際應(yīng)用。這些項(xiàng)目的優(yōu)越性之一是大學(xué)生和研究院的科學(xué)家都參加進(jìn)去了，實(shí)現(xiàn)了年輕的工程技術(shù)人才在實(shí)踐中鍛練的理想。工業(yè)界和科學(xué)界之間的合作既有效又經(jīng)濟(jì)，院校有高性能的試驗(yàn)設(shè)備，對工業(yè)很有利。
圖21示出漢堡-哈堡理工大學(xué)（TUHH）一臺試驗(yàn)裝置，它是同類設(shè)備中第一流的。它包含一臺四沖程柴油機(jī)（400kW），帶有抗扭彈性聯(lián)軸節(jié)或液壓動態(tài)聯(lián)軸節(jié)、換向裝置、扭軸和可控硅控制的電機(jī)。使用一臺變流器能模擬船舶螺旋槳在整個四象限特性范圍內(nèi)靜態(tài)和動態(tài)特性。在與工業(yè)伙伴的合作中曾用這臺裝置進(jìn)行過一系列試驗(yàn)，包括：在發(fā)動機(jī)不點(diǎn)火期間撓性聯(lián)軸節(jié)的振動特性試驗(yàn)；發(fā)動機(jī)彈性安裝可能性試驗(yàn)；帶調(diào)速盤式離合器的船用換向裝置研制試驗(yàn)；柴油機(jī)和齒輪箱診斷系統(tǒng)研制試驗(yàn)；在機(jī)動過程中推進(jìn)裝置工作性能試驗(yàn)；以及船用發(fā)動機(jī)使用氫的試驗(yàn)。
在TUHH的另一臺試驗(yàn)裝置上正在工作著一臺由德國輪機(jī)制造商投資的研究用柴油機(jī)（圖22）。這是一臺單缸試驗(yàn)機(jī)，是目前該型號中最大的一臺，點(diǎn)火壓力達(dá)250 bar，有效平均壓力達(dá)30 bar。單缸輸出可增大到最大700kW。在一項(xiàng)有德國所有輪機(jī)制造商參加的聯(lián)合研究項(xiàng)目中，計(jì)劃進(jìn)行柴油機(jī)燃油燃燒最佳化試驗(yàn)和減少廢氣排放污染物試驗(yàn)。
（陳國敏 譯）

  本文關(guān)鍵詞：船舶推進(jìn)裝置，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。