船舶动力装置论文

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。 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。 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，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；③30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。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。 燃气轮机动力装置在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。

航空母舰、战列舰、巡洋舰部分采用蒸汽轮机动力装置，部分采用核动力装置、燃气轮机动力装置或柴油机-燃气轮机、燃气轮机-电动机联合动力装置。登陆作战舰艇、布雷和扫雷舰艇、勤务舰船大多采用柴油机动力装置。小型艇一般采用柴油机、燃气轮机或柴油机-燃气轮机联合动力装置。潜艇采用柴油机-电动机联合动力装置或核动力装置。动力装置总功率从数百千瓦至20多万千瓦。除了少数快艇与高性能船采用喷水推进器、空气螺旋桨推进器外，其它舰艇都采用水螺旋桨推进器。现在都在发展核反应装置将来就是核装置核动力了

船舶电力推进系统的现状与未来内容提要�6�1 引言�6�1 历史——回顾船舶电力推进的发展�6�1 现状——船舶电力推进的主要形式�6�1 未来——全电船的提出与发展�6�1 新能源船舶与我们的研究工作�6�1 结束语1. 引言�6�1 发展背景�6�1 问题与挑战研究背景自世界上第一艘以蒸汽机为动力的船舶问世以来，以热机（比如：柴油机、汽轮机以及燃汽轮机等）为动力直接驱动螺旋桨的机械推进系统成为目前船舶推进的主要方式，在船舶动力装置中占据了主导地位。问题与挑战（1）船舶内燃机机械推进系统仍存在噪音大、调速范围小和灵活性差等问题难以解决。与机械推进系统相比，采用电动机直接驱动螺旋桨的船舶电力推进系统则具有调速范围广、驱动力矩大、易于正反转、体积小布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点。（2）特别是近年来，随着电力电子器件、变流技术、传动控制系统以及新能源和新材料等高新技术的飞速发展，船舶电力推进系统正在经历着巨大变革。而船舶电力推进系统作为大功率电力传动控制系统的重要应用领域之一，却由于其专业的特殊性未得到应有的关注和重视，致使国内在这方面的研究与国外先进水平的差距更加明显。（3）随着全球石油资源的耗尽，内燃机将逐步退出历史舞台，人们必须在石油没有用完的约60年时间内找到新的能源及其动力装置。这是人类在进入21世纪所面临的巨大问题和挑战之一，因此，人们一直在努力寻找能源利用效率高、不污染环境并可以再生的新能源及其利用方式。本文试图从系统结构、变流模式、控制方法和电力电子器件的应用等方面综述船舶电力推进系统的历史、现状与发展，并在此基础上，根据作者多次参加国际合作和交流的体会，提出了船舶电力推进系统未来发展中值得重视的一些问题，以便同行研究借鉴，并希望有更多的学者关注和投身到电力电子与传动控制这一新的研究领域中来。2. 历史——回顾船舶电力推进的发展�6�1 船舶电力推进的历史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直接驱动的电力推进潜水艇投入使用。�6�1 进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式。常规潜水艇在水面航行时由柴油机—发电机组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式。20世纪20年代，美国建造的6艘Mexico级战舰（40000HP）和2艘航空母舰（180000 HP）都采用了汽轮机—发电机—电动机驱动模式的电力推进系统。在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机—发电机—电动机驱动模式的战舰和运输舰。此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。在此期间的船舶电力推进系统一般采用Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统。�6�1 70年代晶闸管变流装置取代了Ward-Leonard变流装置，成为船舶电力推进系统的主要调速方法。自80年代以来，随着电力电子器件的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统正在逐步取代晶闸管直流调速系统，成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式。�6�1 在这期间，80年代的电力推进系统采用交—直—交变频器供电，感应电动机或同步电动机驱动的交流调速方式，90年代开始采用交—交变频器供电，同步电动机驱动的交流调速方式。历史的启示从船舶电力推进系统发展的历史轨迹可以看出，其每一次进步和突破都与电力电子技术与传动控制系统的发展基本同步和密切相关。但由于船舶电力推进系统大多用于军事或特殊场合（虽然目前在大型渡轮和豪华客轮中有所应用），因此，这一重要的应用领域并不被广大从事电力电子与传动控制研究的学者所熟悉。3. 现状——舰船电力推进的主要形式�6�1 系统结构�6�1 驱动模式�6�1 调速方法�6�1 控制策略�6�1 系统举例 系统结构船舶电力推进的基本结构：电动机拖动螺旋桨�6�1 使用高速不可逆的热力发动机，降低了船舶动力装置的重量和体积；�6�1 可以方便的通过发电机连接获得所需的大容量供电，并提高了系统可靠性；�6�1 允许选用船舶推进器的最佳转速和直径，缩短了连接轴的长度；�6�1 在中、低速航行时和船舶经常停止开航时，有较高的经济性能；可以获得所需的推进电机机械特性，满足不同航行条件要求；�6�1 控制简单、机动性好；�6�1 可以消除推进螺旋桨对热力发动机的振动和冲击。 驱动模式�6�1 船舶电力推进系统分类�6�1 多台电动机联合拖动方式船舶电力推进系统分类（1）变速电动机拖动定距螺旋桨（FPP）驱动模式，（2）定速电动机拖动变距螺旋桨（CPP）驱动模式，并根据船舶驱动所需的功率可选择一台电动机单独拖动或多台电动机联合拖动的方案。多台电动机联合拖动方式又可分为串联驱动模式或并联驱动模式。（a）为单桨双机串联驱动模式；（b）为单桨双机并联驱动模式；（c）为双桨双机串联驱动模式；（d）为双桨双机并联驱动模式。几种船舶电力推进模式这种分散驱动新模式的优点在于：�6�1 推进器360°旋转，可以在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，极大地提高了船舶的操纵性和机动性；�6�1 减少驱动系统（电动机和变流器）的单机容量；�6�1 去除了尾轴、减速器和舵机等，简化安装和节省船舱空间，使船体设计和空间布置灵活；�6�1 降低船舶振动和噪音；�6�1 减少船体阻力5-10%，提高运输效率15%（包括：提高航速、降低油耗和减少造价）。.............更多请登录