船舶動力系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

陳永道

（南京高精船用設(shè)備有限公司，江蘇南京 211103）

0 引言

船舶動力系統(tǒng)是船舶航行的核心部分，主要由船舶主機、軸系、軸系附件、傳動設(shè)備和推進器（螺旋槳）組成。作為主要船舶設(shè)備，船舶動力系統(tǒng)的價值為所有設(shè)備成本的35%，就船舶總價而言，動力系統(tǒng)約占20%。此外，還需考慮系統(tǒng)的可靠性、節(jié)能、經(jīng)濟等因素。因此，船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)成為了全球造船業(yè)關(guān)注的重點，也是世界主要造船國家競爭的關(guān)鍵。

1 船舶常規(guī)動力系統(tǒng)的現(xiàn)狀

1.1 柴油機動力系統(tǒng)

柴油機作為內(nèi)燃機，具有啟動迅速、部分負荷運轉(zhuǎn)性能好、安全可靠、功率范圍大、效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點。船舶主機和船舶電站多采用柴油機。自20世紀60年代起，柴油機全面取代往復(fù)式蒸汽機和蒸汽輪機，成為最主要的船舶動力。

根據(jù)二沖程柴油機和四沖程柴油機做主機的不同，柴油機動力系統(tǒng)又分為柴油機直接驅(qū)動和柴油機齒輪傳動。由于二沖程柴油機轉(zhuǎn)速低，可以直接驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)機槳匹配，主要應(yīng)用在大中型遠洋運輸船舶上。四沖程柴油機由于轉(zhuǎn)速高，需經(jīng)過齒輪箱降速，再驅(qū)動軸系和螺旋槳，它主要由中速柴油機（單機驅(qū)動或多機驅(qū)動）、齒輪箱、軸系和螺旋槳（可調(diào)槳）組成，主要應(yīng)用在中小型貨船、客船、滾裝船、豪華游船、海洋工程輔助船和軍船上。目前以柴油機為動力的船舶占世界商船隊的95%以上，其中，柴油機直接驅(qū)動占55%，柴油機齒輪傳動占39%。此外，柴油機還是船舶燃氣輪機推進系統(tǒng)和電力推進系統(tǒng)的主要設(shè)備。

從全球柴油機產(chǎn)品市場占有率來看，以MAN公司和WARTSILA公司為代表的歐洲老牌柴油機制造商占據(jù)了大部分市場份額。近年來，MAN公司通過向日本、韓國、中國的柴油機生產(chǎn)廠轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)許可證，得到了迅速發(fā)展。除此之外，MAN和瓦錫蘭具備整體提供主機、齒輪箱、軸系和螺旋槳的能力，具備很強的系統(tǒng)集成設(shè)計實力和市場競爭優(yōu)勢。我國船舶柴油機通過技術(shù)合作、專利或許可證引進及自主開發(fā)研制，在國內(nèi)已經(jīng)形成了較強的生產(chǎn)能力。盡管近幾年我國船舶柴油機生產(chǎn)已有較快發(fā)展，但我國造機企業(yè)與世界前三名造機企業(yè)的差距還非常大，企業(yè)綜合競爭能力仍較弱［1］。

1.2 燃氣輪機動力系統(tǒng)

2000年，皇家加勒比公司（RCCL）旗下的Celebrity Cruises公司在法國大西洋船廠接受了第一艘采用燃氣輪機與蒸氣機聯(lián)合裝置（GOGES）組合電力推進系統(tǒng)的大型游輪。該輪總噸為90 000 GRT，配置2臺GELM2 500燃氣輪機，驅(qū)動2臺Mermaid吊艙式電力推進器，推進功率2×19 500 kW，服務(wù)航速24節(jié)。燃氣輪機在質(zhì)量和尺寸方面占有絕對的優(yōu)勢，加上它優(yōu)良的加速性能、可靠性和很低的NOX排放量，因而被艦艇和高速客船等所推廣采用。與柴油機相比，燃氣輪機的不足之處是其低下的燃油經(jīng)濟性，尤其在部分工況。不僅燃氣輪機油耗高，還要燃用干凈清潔、價格昂貴的蒸餾油，這很難被大多數(shù)航運公司所接受，因而也是未被廣泛采用的重要原因之一。

但是，燃氣輪機質(zhì)量輕功率大、動力響應(yīng)性好，如再配上柴油機組成聯(lián)合動力裝置（CODAG）可以克服低工況油耗高的缺點，是高速船最合適的動力裝置，實踐還表明燃氣輪機機組可靠性達99.5%，具備96.5%可使用性，熱效率已達39%加上其特有的低排污，特別適應(yīng)渡船的使用環(huán)境〔2〕。

2 船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

2.1 柴油機動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢

a）常規(guī)柴油機的發(fā)展趨勢

作為供給船舶推進動力的主要動力來源，在將來的發(fā)展趨勢為越來越大的單缸輸出功率、低排放、低污染和高可靠性。同時，柴油機的工作形式越來越趨于智能化，并具有高綜合經(jīng)濟效益。

b）常規(guī)柴油動力系統(tǒng)集成供貨被船廠、船東和設(shè)計院廣泛接受。

國外主要船舶配套廠家，如MAN B＆W公司、Wartsila公司等公司，根據(jù)船東的要求和船舶的基本參數(shù)，采用模塊化設(shè)計方法，提供主推進系統(tǒng)完整解決方案，由廠家集成制造出船舶主推進系統(tǒng)，使設(shè)計、制造、安裝調(diào)試和維修服務(wù)等集成化，大大提高了主推進系統(tǒng)的總體技術(shù)性能、可靠性和船舶的生命力。國內(nèi)部分研究所和設(shè)備廠家也陸續(xù)開始進行動力系統(tǒng)集成設(shè)計和供貨，但是，由于國內(nèi)部分研究所和設(shè)備廠家不設(shè)計生產(chǎn)船舶動力系統(tǒng)的主要關(guān)鍵設(shè)備或未實現(xiàn)主機、齒輪箱、軸系和螺旋槳等全套動力系統(tǒng)的自主設(shè)計和供貨，因此動力系統(tǒng)的集成設(shè)計能力與國外主要動力系統(tǒng)配套廠家還有一定差距。

c）雙燃料發(fā)動機出現(xiàn)

近年來，國際海事組織（IMO）對船用發(fā)動機廢氣排放的管制越來越嚴格，為此，世界船用發(fā)動機廠商紛紛加緊進行技術(shù)研發(fā)，尋找滿足該標準要求的技術(shù)解決方案，并將液化天然氣（LNG）作為船機的新型燃料進行重點攻關(guān)，使得氣體燃料發(fā)動機成為當前的研發(fā)熱點。事實上，自2003年瓦錫蘭集團推出50DF雙燃料發(fā)動機以來，已經(jīng)有越來越多的世界知名船用發(fā)動機廠商加入到雙燃料發(fā)動機的研制行列中，如曼公司、卡特彼勒公司等，部分廠商已取得了突破性進展，已經(jīng)或即將向市場推出雙燃料發(fā)動機產(chǎn)品。

2.2 電力推進系統(tǒng)

a）常規(guī)電力推進系統(tǒng)

常用船舶電力推進裝置一般由下述幾部分組成:原動機、發(fā)電機、電動機、變頻器、推進變壓器和推進器以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備等組成。電力推進系統(tǒng)根據(jù)推進器的不同，可分為常規(guī)的軸槳推進，如可調(diào)槳和定距槳（圖1）。同時對操縱性要求高的船舶，特別是要求動力定位的海工船，推進器通常采用全回轉(zhuǎn)推進器。電力推進相對柴油機推進具有經(jīng)濟性好、操縱性優(yōu)良、節(jié)省空間、噪聲低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。特別是對于一些多工況特種船舶如海洋工程船等，在低航速和低負荷工作時，可以合理選擇柴油發(fā)電機組的臺數(shù)和負荷，有效提高船舶的經(jīng)濟性。相同推進功率的船舶電力推進要比柴油機推進油耗減少10%左右。

圖1 常規(guī)軸槳電力推進系統(tǒng)圖

b）吊艙式電力推進系統(tǒng)

吊艙式電力推進系統(tǒng)是當今備受推崇的一種推進方式。它是一種全方位轉(zhuǎn)動的裝置，電動機位于吊艙內(nèi)，直接驅(qū)動螺旋槳。該系統(tǒng)的操縱性能和推進效率非常好，而且由于不需要軸系、舵及助推器，節(jié)省了大量的空間，減輕了自身質(zhì)量，降低了噪聲和振動，機動性能更佳，安裝也更方便。

目前在全球電力推進系統(tǒng)市場上，ABB集團、科孚德公司和西門子集團是最主要的供貨商。此前，這種系統(tǒng)主要應(yīng)用在科考船、豪華游船以及軍船領(lǐng)域。然而，近年來，ABB集團Azipod吊艙式電推系統(tǒng)開始在鉆井船、近海工程船、破冰船及液化天然氣（LNG）船上大量應(yīng)用。在開拓市場的同時，ABB還對該系統(tǒng)的設(shè)計方案進行了更新。在操控方面，新一代系統(tǒng)完全采用電動機操舵，其控制系統(tǒng)也經(jīng)過了升級，采用操縱桿和舵輪來控制整個吊艙。

c）電力推進系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的進步，交流變頻調(diào)速技術(shù)得到迅速發(fā)展，從而使得電力推進系統(tǒng)具有布置方便、工作噪聲低、節(jié)能、易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，在船舶電力推進系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

船舶電力系統(tǒng)和船舶電力推進系統(tǒng)一體化供電的船舶綜合電力系統(tǒng)是未來發(fā)展的新趨勢，該系統(tǒng)將船舶的電力系統(tǒng)和推進系統(tǒng)有機的組合在一起，把動力機械能源轉(zhuǎn)換為電力，提供給推進設(shè)備和船上的其他設(shè)備使用，使得船舶日用供電和推進供電一體化，實現(xiàn)電力的綜合利用和統(tǒng)一管理［3］。

2.3 混合動力系統(tǒng)

混合動力系統(tǒng)主要包括柴-電推進系統(tǒng)、柴-燃推進系統(tǒng)、柴-電/燃氣輪機推進系統(tǒng)等，主要用于軍用船舶。然而，近幾年來商用船舶也逐漸開始采用混合動力系統(tǒng)。最簡單的混合動力系統(tǒng)是具有PTH功能（take me home）的柴油機動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)在常規(guī)柴油機動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用軸帶發(fā)電機和可調(diào)槳配置。主推進柴油機故障停車的情況下，軸帶發(fā)電機作為電動機驅(qū)動螺旋槳低速航行，該系統(tǒng)目前越來越多地運用在單機單槳系統(tǒng)的船舶，如集裝箱、多用途貨船和化學(xué)品船等商用船舶上，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。目前最先進的混合動力系統(tǒng)一般運用在多工況工程船上，如Ustein集團建造的多用途海洋工程船“奧利匹克赫拉”號交付船東，該船既可由柴油機直接推進，也可由柴-電推進系統(tǒng)提供動力，成為海事界的關(guān)注焦點。

2.4 特種推進裝置的發(fā)展和應(yīng)用

隨著特種船舶，如海洋工程船、調(diào)查船、勘探船、多用途拖輪和高速客滾船的大量出現(xiàn)，為滿足此類船舶操縱性能的要求，特種推進器的裝船率逐步提高。

a）可調(diào)槳推進系統(tǒng)

可調(diào)槳推進系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保，操縱性好等優(yōu)點，目前國外中速柴油機推進系統(tǒng)普遍配置可調(diào)槳和軸發(fā)。一些大型船舶采用低速柴油機也開始配置可調(diào)槳和軸帶發(fā)動機，充分發(fā)揮主機的功率，實現(xiàn)更好的機槳匹配，達到節(jié)能降耗的目的。由于低速機普遍推進功率大，因此可調(diào)槳朝著大功率大型號的方向發(fā)展。MAN公司最大型號的可調(diào)槳為VBS2150，可配套50 000 kW的主機。此外，為滿足特種船舶的作業(yè)要求，特別是一些船舶作業(yè)時需動力定位和多工況運行，可調(diào)槳也得到廣泛的應(yīng)用。

通過與歐洲廠家的合作，國內(nèi)可調(diào)槳廠家如南京高精船用公司在消化吸收歐洲可調(diào)槳技術(shù)的基礎(chǔ)上，推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的可調(diào)槳產(chǎn)品，無論技術(shù)和品質(zhì)已達到歐洲產(chǎn)品的水準。隨著國內(nèi)可調(diào)槳技術(shù)的成熟，國內(nèi)高端客戶也逐漸接受國產(chǎn)可調(diào)槳，開始了逐步替代進口的進程。

b）海洋工程高的發(fā)展對大功率的全回轉(zhuǎn)推進器和側(cè)推需求量增加

隨著海洋工程由近海向遠海的轉(zhuǎn)移，深水工作船和平臺需求的日益增長。在深水中工作的船舶必須配置動力定位系統(tǒng)和大功率的全回轉(zhuǎn)推進器和側(cè)推，從而滿足船舶在作業(yè)時的操縱性和定位要求。例如，中集SSCVⅡ項目是集海上重型起重作業(yè)、甲板貨物儲存及生活居住功能為一體的非對稱半潛海洋平臺（圖2）。此平臺按照ABS DP-2動力定位標準進行設(shè)計，配備8臺3 860 kW主機，6臺3 800 kW的全回轉(zhuǎn)推進器，以及兩臺全回轉(zhuǎn)甲板起重機（單機起重能力為1 800 t，并可聯(lián)合起升3 600 t），可實現(xiàn)西非和墨西哥灣海域的作業(yè)要求。

圖2 中集半潛海洋平臺

除此之外，烏斯坦最新開發(fā)的XDS3600型自航式鉆井船總長208 m，船寬35 m，航速14節(jié)，排水量 46 500 DWT，船尾3臺4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進器，船首2臺3 300 kW伸縮式全回轉(zhuǎn)推進器，船首2臺2 500 kW（圖3）。

圖3 XDS3 600型自航式鉆井船

c）高速船出現(xiàn)推動大功率噴水推進系統(tǒng)的發(fā)展

隨著大型客船、客滾船的航速趨高，促進了噴水推進系統(tǒng)向大功率方向發(fā)展。近年來，大型高速渡輪（客滾船）紛紛出現(xiàn)，澳大利亞、日本、意大利和北歐都有代表型產(chǎn)品，如意大利MDV300木星型高速渡船，145 m長，可載客1 800名、汽車460輛，航速達到40 n。由兩臺22 000 kW燃氣輪機驅(qū)動兩套噴水推進裝置。隨著船舶航速的提高，未來在高速船領(lǐng)域內(nèi)對噴水推進裝置的需求必將擴大，而增大功率、提高效率、減輕質(zhì)量將成為噴水推進裝置的發(fā)展趨勢。隨著整個系統(tǒng)的進一步優(yōu)化噴水推進將會更廣泛地應(yīng)用于各類船舶〔4〕。

3 結(jié)語

綜上所述，近年來船舶動力系統(tǒng)在柴油機、電力推進、混合推進和推進裝置方面出現(xiàn)了新的技術(shù)和新的發(fā)展趨勢，特別是特種船舶和海洋作業(yè)船舶的發(fā)展，大大促進了船舶動力系統(tǒng)向大型化、智能化和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。國內(nèi)企業(yè)也意識到新型動力系統(tǒng)的巨大潛力，也相應(yīng)進行了前期研究，并初步推出類似的技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品。

［1］馮明志，吳惠忠.船舶大功率柴油機的發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新［J］.柴油機，2007，29（2）.

［2］江康源.船舶動力裝置發(fā)展的新趨勢［J］.船舶工程，1999.

［3］秦立新，查長松，徐建中.船舶綜合電力推進系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009.

［4］劉承江，王永生，丁江明.噴水推進研究綜述［J］.船舶工程，2006.