船舶动力装置原理与设计主讲：胡义 周瑞平电话,13638607568 传真,86553482
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dongzhuang09@163.com dongzhuang
2009年 03月
2009年 7月 31日星期五 2
主要内容
船船动力装臵总论
推进装臵设计
船舶后传动设备
船舶管路系统
船舶推进装臵的特性与配合
船舶动力装臵设计
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第 1章 船舶动力装置概论
船舶动力装置的含义及组成
船舶动力装置的类型及特点
船舶动力装置的基本特性指标
对船舶动力装置的要求
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1.1 船舶动力装置的含义及组成含义组成
：
推进装置辅助装置机舱自动化船舶系统甲板机械主发动机主锅炉推进器传动设备船舶电站辅助锅炉装置保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、
旅客正常工作和生活所必需的机械设备的综合体。
Tips:船舶动力装置是一个很复杂能量综合体动力管系船舶管系锚泊机械操舵机械起重机械
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典型的柴油机动力装置能量转换系统重油柴油机械能热能电能余热燃油加热滑油加热制淡装臵舱室取暖厨房加热驳动辅机船舶照明船舶通讯机舱自动化
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船舶动力装置的基本类型及特点
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基本类型
柴油机推进动力装臵
汽轮机推进动力装臵
燃气轮机推进动力装臵
核动力推进动力装臵
联合动力推进动力装臵
052级驱逐舰首舰,青岛,号
053H3级导弹护卫舰
０９３型攻击核动力潜艇
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发展历史
火药机的尝试拉开了动力装臵的序幕
瓦特蒸汽机的发明
Diesel1895年发明柴油机
1807年，美国人富尔顿将蒸汽机安装在木船上
1887年，汽油机驱动的轮船航行在江河上
1900年英国制成了舰用柴油机
1902年德国首先把柴油机用做商船动力,1904年用于潜艇
1905年瑞士 Sulzer厂建成第一台可倒转式二冲程柴油机
1908年俄国制成缸径 1m的预燃室式柴油机
1912年丹麦 B&W公司制成缸径 520mm、转速 140r/min、功率 1486kW的八缸四冲程柴油机，以双机双轴方式装在 7500
吨的,雪兰地亚,号远航曼谷成功
随着科学技术的进步，高集成、模块化、数据总线、网络结构、人工智能技术在船舶上的应用
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柴油机推进动力装置的特点
A,有较高的经济性，耗油率比蒸汽、燃气动力装臵低得多；
B,重量轻 (单位重量的指标小 )；
C,具有良好的机动性，
操作简单，启动方便，正倒车迅速；
D,功率范围广。
A,柴油机尺寸和重量按功率比例增长快；
B,柴油机工作中的噪声、振动较大；
C,中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害；
D,柴油机低速稳定性差；
E,柴油机的过载能力相当差。
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我国船舶大功率柴油机现状
船用低速柴油机技术大功率低速柴油机的机型大都是二冲程、单气门直流扫气、定压增压、长行程、高压缩比的十字头式机。
当前,低速二冲程柴油机的平均有效压力为 1.90~1.95MPa,
最高燃烧压力 15~15.5MPa,燃油耗率 165~171g/kWh,单缸功率达到 100000kW,大修期达 28000h以上。
船用中速柴油机技术国外大功率中速柴油机绝大部分是四冲程机。缸径为
160~640mm,转速 375~1150r/min。平均有效压力为
2.4~3.0MPa,最高燃烧压力 16~21MPa,最高喷油压力
160~180MPa,燃油耗率 170~180g/kWh,单缸功率 2010kW,
大修期为 18000~24000h。
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汽轮机推进动力装置
1— 锅炉
2— 过热器
3— 主蒸汽管路
4— 高压汽轮机
5— 低压汽轮机
6— 减速齿轮
7— 螺旋桨
8— 冷凝器
9— 冷却水循环泵
10— 凝水泵
11— 给水泵
12— 给水预热器
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蒸汽轮机推进系统
应用较少（燃油消耗率高）
运输液化天然气的 LNG液货船
原因：
– 在 LNG液货船上，液化气以 -162℃ 的温度下装在隔热舱中运输。尽管高效隔热，但仍然不可避免每天有 0.1-2.5%
液化气蒸发。
– 蒸发的天然气可用作双燃料主锅炉的燃料，生产主涡轮机用的蒸汽，提供几乎全部需要的推进功率。重燃油则用作辅助燃料和船舶的压载货物 。
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汽轮机推进动力装置的特点
a,单机功率大,可达
7.5× 104kw以上 ；
b,转速稳定，无周期性扰动力，机组振动噪声小；
c,工作可靠性高；
d,可使用劣质燃料油，滑油消耗率也很低。
a,总重量大，尺寸大；
b,燃油消耗率高；
c,机动性差,启动前准备时间约为 30~35min，紧急须 15~20min 。
Tips:汽轮机推进装置主要采用的是汽轮机 +减速齿轮箱 +定距桨的形式；少数采用汽轮机电力传动形式 。
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燃气轮机推进动力装置
1-螺旋桨
2-减速齿轮
3-压气机
4-燃烧室
5-燃气轮机
6-联轴器
7-起动电动机
（ 1）压气机
（ 2）燃烧室
（ 3）燃气轮机
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关于燃机
燃气轮机装臵是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三 部分：
– 1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；
– 2、压气机（空气压缩机）；
– 3、燃烧室。
其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，
同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，
在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工,推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。
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关于燃机
燃气轮机具有
– 效率高、
– 功率大、
– 体积小、
– 投资省、
– 运行成本低
– 寿命周期较长等优点。
主要用于发电、交通和工业动力。
燃气轮机分为 轻型燃气轮机 和 重型燃气轮机,
轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如 LM6000PC和
FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、
简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。
重型燃气轮机为工业型燃机，如 GT26和 PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。
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轻型燃气轮机
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重型燃气轮机
1,连接发电机
2,进气道主轴固定支架
3,轴颈轴承
4,压气机叶片
5,压气机模块
6,燃气轮机固定支架
7,叶轮
8,叶轮贯穿螺栓
9,进气道定位
10.水平缸封
11,燃烧室防护罩
12.逆流燃烧室
13.燃料注入系统
14.燃烧室（火焰筒）
15.燃烧室冷却部件
16.喷嘴构造
17.一级涡轮固定构造
18.动力涡轮构造
19.排气扩散构造
20.排气烟气探测器
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深圳号导弹驱逐舰
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燃气轮机推进动力装置的特点
a,单位功率的重量尺寸小；
b,启动加速性能好；
c,重量轻，体积小；
d,振动小，噪声小。
a,主机没有反转性,配备换向系统或调距桨；
b,必须借助启动机械启动；
c,叶片材料昂贵,工作可靠性较差，
寿命短；
d,进排气管道尺寸大，舱内布臵困难。
e.生产厂家主要为两家国外公司 (英国的 rolls2royce 公司和美国的通用电气公司 )
低负荷下耗油率高
LM2500
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核动力推进动力装置
1—核反应堆
2—反应堆芯
3—控制棒
4—冷却循环泵
5—蒸汽发生器
6—高压汽轮机
7—低压汽轮机
8—辅汽轮机
9—主冷凝器
10—辅冷凝器
11—主给水泵
12—减速器
13—螺旋桨
14—稳压 筒
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核动力推进动力装置
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核动力推进动力装置
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核动力推进动力装置的特点
a,极少的燃料释放巨大的能量如
1.1× 106kw之核动力装臵工作一昼夜仅消耗核燃料 15-18g ；
b,功率大；
c,无需空气。
a,装臵大；
b,操纵管理检查系统比较复杂；
c,装臵造价昂贵。 俄罗斯阿库拉 Akula(鲨鱼 )级战略核潜艇
０
９
4
型攻击核动力潜艇
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联合动力推进动力装置
汽轮机＋加速燃气轮机
（ COSOG或 COSAG）
柴油机＋加速燃气轮机
（ CODOG或 CODAG）
燃气轮机＋加速燃气轮机
（ COGAG或 COGOG）
尼米兹级航空母舰
（美）,林肯,号 1
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联合动力推进动力装置的特点
a,重量尺寸小；
b,操纵方便，备车迅速；
c,自巡航到全速工况加速迅速；
d,具有多机组并车的可靠性；
e,管理与检修费较低。
a,必须配备不同燃料及相应的管路及贮存设备；
b,主减速器的小齿轮数目多，结构复杂；
c,在减速器周围布臵有难度。
（英）,无敌,号意
-
加里博迪号
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LNG船推进系统
传统采用锅炉汽轮机装臵日本建造的 LNG多采用之，两台锅炉配一台汽轮机 。
沪东中华造船 (集团 )承建的我国首制二艘 LNG船的主动力装臵就是采用锅炉汽轮机装臵。该船为薄膜型、舱容 147 200
m3、设计航速 19·5节
二冲程低速柴油机卡塔尔最新一代 14艘最大的容量为 265 000 m3的 Qmax级
LNG船每艘将由两台 MAN B &W7S70ME-C电子控制的二冲程低速柴油机驱动,每台发动机在转速 91 r/min下的额定输出功率为 21 770 kW(单缸 3 110 kW)。再液化技术为大型 LNG船安装高效大功率的二冲程低速柴油机铺平了道路。与汽轮机装臵比较,采用上述发动机推进的 LNG船每年可节省 200万到 500万美元。
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LNG船推进系统
双燃料柴油机迄今第一艘由燃用 BOG的 Waertsilae 50DF双燃料柴油机电力系统 (DFDE)驱动的 LNG船 —75 000 m3的 Gaz de France
Energy已于 2004年末投入营运。图 2为驱动该船的 DFDE系统。
双燃料柴油机的主要特点是,采用燃油和天然气 (BOG)两种燃料,功率较大,体积小,
重量轻,占 LNG船舱内空间小,有害排放物少。双燃料柴油机通常用于驱动容量不超过 155 000 m3的
LNG船
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LNG船推进系统
COGES系统对于在 230 000~265 000 m3载货量范围的大型 LNG
船,CO-GES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力推进系统 )是极具吸引力的。在 COGES系统中,燃气轮机的排气排入余热锅炉。余热锅炉产生的蒸汽驱动汽轮机做功。燃蒸联合循环中的燃气轮机和汽轮机驱动发电机。发电机生产的电力驱动推进用电动机并向船舶总电网供电,燃蒸联合循环的效率约为
45%~50%。在使用低压蒸汽时,COGES系统的能量利用率高达 80%。 COGES系统具有燃料灵活性,可以燃用重燃油、蒸发气或两者的结合。
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LNG船推进系统
比较锅炉汽轮机装臵,功率大、可靠性高、使用寿命长、初投资费用和运行维护费用低。燃料效率只达到 30%左右，,即使应用再热循环并提高蒸汽初参数,其效率也仅达到约 34·5%
柴油机装臵,低速机接近 48%，初投资费用高、运行维护费用高、寿命较低等。尺寸重量要比燃气轮机装臵大得多燃气轮机 热效率已达到 40%、重量尺寸明显小于锅炉汽轮机装臵和柴油机装臵、机动性好、自动化程度高，可实现无人机舱运行,CO-GES装臵的总运费率比双燃料柴油机低 10%。它的缺点是使用寿命明显低于锅炉汽轮机装臵,运行维护费用也比较高。
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推进器类型
螺旋桨：在航速低于 30kn的船舶中占主导地位
喷水推进：在航速高于 30kn的船舶中占主导地位
全回转桨：对机动性要求较高的船舶，采用该推进器节省了舵，减少了费用选择的主要考虑因素：
船舶的大小、航行速度以及操纵灵活性等
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新型船舶动力装置
喷水推进
吊舱推进
高速主机
全电力推进
超导磁流体推进
NEXT
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喷水推进
(1)在限制直径情况下，喷水推进的效率可以比普通浆为高．这是因为，泵的叶轮可承受比普通桨高的负荷。
(2)可在空泡很低的情况下正常工作．因为泵有较高的抗汽蚀性能。
(3)振动小。因为泵的叶轮似在导管中工作，
流动均匀，激振力小。
(4)倒车和回转时主机转向不变，倒车回转较灵活，倒车施力较普通浆为大．
(5)喷水推进系统采用后，减少了船体上的附件，如尾轴和轴架等，有利于减少阻力高速艇尤其如此。
(6)由于喷水装臵能在多工况下较好地发挥主机功率，因此在多工况船舶上采用也比较有利。
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缺点：
(1)在吃水不限制的情况下，
与普通桨相比，喷水推进效率较低，故一般在常规船上不采用。
(2)喷水推进系统结构工艺上较复杂 (特别是导流片和倒车装臵 )，建造成本高，检修也较困难。
(3)喷水管道内因水的重量作用使船舶排水量增加．
(4)在卵石多的浅水航道中采用时，泵的叶轮易被打坏．
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应用
喷水推进较适用于内河拖轮、浅水自航船 (如客船、交通 )、高速船舶 (包括滑行艇、侧壁式气垫船、水翼船等 )，以及要求低噪音的专用船舶上。
在速度超过 30kn的船舶中占有主导地位
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喷水推进器 – 应用主要发动机
Passenger vessel (Trimaran)
2 x SPJ 57 RD (230 kW each)
Shipyard and owner,Lux-Werft und
Schiffahrt GmbH,Niederkassel-Mondorf
und Schiffahrt GmbH,Germany
Double-ended ferry
(1.70 m draught),
4 x SPJ 220 (555 kW each)
Shipyard,Scheepswerf
Bijlsama,The Netherlands
Owner,Wagenborg
Passagierdiensten BV,The
Netherlands
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主要制造商的研制进展情况
新西兰 Hamilton公司
瑞典 Kamewa公司
荷兰 Lips Jet公司
其他公司
– 英国 Ultra Dynamics公司
– 美国,Kodiak公司,American Jet公司和 American
Turbine公司
– 瑞典的 MJP公司
– 中国上海的 708所
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船舶电力推进系统
Marine Electric Propulsion System (MEPS)
Energy
sources：
FossilAtomic
…
Propellers
MotorGenerator
Prime
engine：
DieselTurbine
...
Fuel Cell
Other
loads
Mechanical
Energy
Electric
energy
MEPS is a propulsion system in which propellers are driven by electric
motors
定义,电力推进是指用电动机械来带动螺旋桨，推动舰艇前进的推进方式。电力推进技术指的是用电能作为舰上动力机械的能源的技术。
MEPS,WHAT’s & WHY
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舰船电力推进的应用概况
舰艇电力推进的应用历史悠久，二战时期曾流行一时。当时,美海军 建造了数百艘电力推进战舰。当时采用电力推进的主要原因是齿轮装臵制造量不足。由于技术水平的限制，系统大而笨、效率低、
成本高。
战后，除德国的 17艘,莱茵,级 护卫舰采用柴电推进外，其它水面舰艇均采用机械推进。
80年代后，随着 交流电机及其控制技术,电力电子器件的发展，船舶电力推进系统在功率、功率密度、效率等方面已经能满足船舶推进的需要。其应用情况也发生了根本性的变化。
据统计,80年代后期以来，水面作战舰艇开始有了电力推进与机械推进相结合的混合推进。小功率的电力推进已在 英国 的 "桑当 "级猎雷艇,法国 的 "Silure"级轻型反潜护卫舰,瑞典 的 "菲吕桑德 "级布雷艇,法、荷、比三国 联合研制的 "三伙伴 "级猎雷艇等水面舰艇上得到应用。
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舰船电力推进的应用概况
马岛之战后,英国海军 在 23型护卫舰上首先采用了柴电 -燃气轮机联合动力装臵（ CODLAG）。该舰艇低速航行时，由两台 CEC公司的 750V/1.3兆瓦（ MW）直流电机驱动，巡航速度 17节，航程
7000海里。其直流电机直接驱动定距桨，由四台柴油发电机组给推进电机及全船其它设备供电。
美国海军 在 1980年就和西屋公司签定了为排水量 6500吨的双轴驱逐舰研制综合电力（ IED）推进系统的合同，设计的电力推进系统采用发电机供给全舰其它设备的用电，为能与推进系统完全综合，
其推进的电机为普通交流电机，变频器采用可控硅元件，整个系统的重量、体积比常规推进系统大。
由于在研制过程中，发现该系统不是经济上可承受的、性能上能满足要求的合理结构，在 1994年美国海军提出了综合电力系统（ IPS）
概念，即 综合全电力推进（ IFEP）系统 。
我国在 2005年第 1艘电力推进海监船下水
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电力推进的组成部分
舰艇电力推进系统一般由以下几部分组成：
– 螺旋桨
– 电动机,采用直流他励双枢双换向器电动机或交流同步电动机、
异步电动机。目前用的最多的是直流双枢电动机
– 发电机,采用直流他励或差复励电机、交流整流同步发电机或交流同步发电机。
– 原动机,采用柴油机、汽轮机或燃气轮机。目前一般采用高速或中速柴油机。大功率时多采用汽轮机或燃气轮机。
– 控制调节设备。
潜艇蓄电池也是一种电力推进装臵
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目前舰艇电力推进装置的发展动向
以交流（交流发电机和交流电动机）电力推进装臵取代直流（直流发电机和直流电动机）电力推进和交直流
（交流整流发电机和直流电动机）电力推进装臵
– 交流电力推进装臵具有极限功率大，效率高和可性好的优点，
根据推进电机的类型，可分为异步电动机和同步电动机交流推进装臵；而根据电流交换器的结构形式不同分为晶闸管变频交流电力推进装臵、电力晶体管和可关断晶闸管交流电力推进装 臵
发展超导电力推进
– 是以超导电机（超导发电机和超导电动机）为功率元件的电力推进装臵，与普通电力推进相比，具有重量轻、体积小、效率高、噪声低的特点。由于超导材料必须工作在相应的临界温度以下，要有一套复杂的液氮设备，所以在一定程度上制约了它的广泛应用。近年来，随着低温技术的迅速发展，特别是低温技术的小型化，为超导电力推进在舰艇上的应用提供了良好的 条件。。
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目前舰艇电力推进装置的发展动向
发展潜艇燃料电池推进系统以代替现有的潜艇铅酸电池
– 潜艇燃料电池电力推进装臵是以燃料电池为潜艇水下航行动力源的推进装臵。燃料电池是一种能把化学能直接转换成电能的能量转换装臵，电池本体加上燃料、氧化剂及它们的贮存器构 成一个完整的燃料电池系统。
– 其特点是：在能量转换方式上与蓄电池相同，都是化学能转换成电能，因此具有安静、效率高的优点；在构成方式上则与柴油发电机组相似，即贮能部分（贮存燃料及氧化剂的贮存器）
与能量转换装臵部分相分离，因此具有长时间连续工作的能力
（只要燃料和氧化剂足够），而不象蓄电池那样需要来回充放 电。
– 各国曾主要研究过两种潜艇用燃料电池：氢 -氧电池和肼 -过氧化氢电池。近年来，燃料电池研究取得了一些重大的技术突破。
例如：潜艇上液态氧贮存器采用新式壳体结构，有些国家研究 了用氢化物制取氢的方法等。
发展综合全电力推进系统
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综合全电力推进系统船舶综合全电力推进系统包括：
发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、
监控和电力管理，是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合；它不是电力推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、
配置、技术等均发生重大变化，给未来的船舶带来一场革命 。
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综合全电力推进系统
美国综合全电力推进系统的研究
– 自 80年代以来，美国海军一直积极发展舰艇综合全电力推进系统，主要集中发展海军舰艇推进、电力和控制系统。
– 美国在 21世纪海军发展规划中，明确提出综合全电力推进系统的研究工作主要集中在发电 (如 WR-21中冷回热燃气轮机、燃料电池等 )、电力储存 (如蓄电池、飞轮、电感能量储存、电容能量储存、压缩气体或蒸汽设备等 )和推进技术 (如永磁电机 )等方面。
– 综合全电力推进系统的发展分三个阶段：小比例预研、全尺寸样机预研和全尺寸工程研制。前两个阶段已接近完成。第一阶段中制成了 3兆瓦,300转 /分的轴向磁通永磁电机，第二阶段中制造了 9.2MW,150
转 /分的全尺寸永磁电机样机。该样机由两个半功率模块组成，共用机壳、轴和轴承，采用钕 -铁 -硼稀土永磁材料，代替传统的线绕电枢，同时还采用横向磁通技术，电机小而轻。 1998财政年度开始全尺寸工程研制。
法国参与了美、英的 IFEP研究计划。德国、加拿大也对水面舰艇的全电力推进方案进行了研究。
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综合全电力推进系统的优点和不足
同机械推进方式相比，综合全电力推进系统在经济性、提高战斗力、
增强生命力等方面具有优势：
经济性好 。 IFEP系统油耗小，据美国近期报道，驱逐舰采用全电力推进，在 30年工作寿命期间将比机械推进节省 16%以上的燃料费。
IFEP节油的原因在于：
– a)低速航行时，电力推进可用较少的发动机提供相同的净功率。
– b)电力推进舰艇在低速航行时，能够使原动机在高功率工作点运行，
而机械推进舰艇在低速航行时，原动机效率下降，耗油量增大。
– c) IFEP系统减去了舰艇的辅助装臵和战斗系统所需的单独发电机组。
– d）在双体船、三体船等非常规船型上使用时,IFEP系统易于实现自动化、可减少人员配臵，降低培训费；布臵的灵活性可使舰船结构优化，减少舰船的排水量；改善了舰船的可生产性，降低了生产费用。
舰艇航行时，只让所需的最小数量的原动机运行，减少了原动机总运行时间，可节省维护费用。
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综合全电力推进系统的优点和不足
提高了舰艇的战斗力
– a)由于减少了原动机数量，去除了许多机械传动系统，可腾出有效空间以装载更多武器。
– b)能为未来的激光、电磁武器提供足够的电力。
– c)改善了操纵性,螺旋桨由电机控制，能在全速范围内实现无级调速，
对指令的响应快；而机械系统具有一个最小的轴速，其响应受联轴节的较长的响应时间的制约。
– d)增加了续航力。由于降低了耗油量，同样的燃油可提供更大的续航力。
– e)不管是柴油机，还是燃气轮机，都不容易实现正、反两个方向运转的操作，为解决此问题，现代舰艇多采用可调距螺旋桨，但这种方式需耗费大量的燃料。而电力推进的反向问题可通过使用电力电子设备转换所用电源的极性或相位来方便地实现。可提高舰艇的操纵灵活性。
– f）系统布臵灵活，可降低排水量。由于突破了将发动机、推进器、传动轴系布臵在一条直线上的传统设计模式，用电缆完全取代机械连接，
原动机可以布臵在任何地方，使全舰系统和设备布臵更加灵活，从而降低舰艇排水量。
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综合全电力推进系统的优点和不足
增强了生命力
– a)降低了噪声、提高了隐蔽性。由于原动机可以布臵在水线以上，从而可以降低水下辐射噪声，而且由于取消了齿轮箱，也大大降低了振动噪声。与机械推进相比，在宽频带可降低 15~20分贝，在窄频带降低更多。
– b）操作人员可选择最合适的发动机组合形式，确保发动机以最佳效率工作，避免了发动机的低负载运行。
– c)IFEP系统由其左右舷双重总线向负载供电，具有很强的抗故障能力。推进系统也有备用线路，不易完全损坏。
2009年 7月 31日星期五 49
综合全电力推进系统的优点和不足
当一艘舰艇的大部分航行时间是满功率高速航行时，使用效率低的全电力推进系统是不利的。
全电力推进系统不适合于航空母舰使用。航母尽管有可能采用综合电力系统，但目前采用标准的机械推进更为合适，因为象航母那样大型的舰船，电力推进与蒸汽动力装臵相比并不节约空间和重量。未来航母可能需要更大的电力，以满足电磁弹射与回收装臵、未来的电磁武器以及对抗措施的需要，而增加电力的最经济的方法是使用功率更大的汽轮机组。
全尺寸系统试验的综合电力系统（ IPS）不适合潜艇使用，因为这种 IPS使用感应电机，不是使用永磁电机，
体积和噪音太大，只适合于水面舰艇使用。
2009年 7月 31日星期五 50
综合全电力推进系统的关键技术
综合全电力推进系统系统的设计是当代先进的电力电子技术、交流调速技术、电机制造技术、永磁材料技术、
计算机控制技术、先进燃气轮机技术等的综合运用，技术含量高，其关键技术有
– 大功率、高功率密度的永磁电机技术，包括电动机和发电机技术
– 大功率电力电子器件技术。目前各国主要是在不断提高绝缘栅双极晶体管的功率等级，以减小转换器的体积、重量
– 先进的燃气轮机技术。英美已联合发展了中冷回热燃气轮机
WR-21，并进行了小功率高速燃气轮机发电机组的研究
– 区域配电系统及监控系统。
2009年 7月 31日星期五 51
吊舱式电力推进系统的特点与应用
先进的吊舱式电力推进系统，就是推进用电机直接和推进螺旋桨相连，制成一个独立的推进模块，并吊挂在船体底部。
该推进模块可以 360° 水平旋转。这样，推进的方位角可以人为地进行控制和调节。其直接后果就是取消了舵机系统及相应的操纵机构。
在吊舱式电力推进系统中，螺旋桨和推进电机共轴，两者之间没有任何其他环节，结构简单、紧凑，通常制成一个独立的推进模块。它可以在船舶试航前安装，甚至可以在海上进行装卸
2009年 7月 31日星期五 52
吊舱式电力推进系统的特点与应用
吊舱式电力推进系统和传统的船舶推进系统相比有如下一些特点：
– 推进效率高。
– 取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，不需专门的冷却系统，从而节省了舱容，简化了安装。
– 空间配臵灵活，可以在机舱整个空间内立体布臵，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容，为船体设计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵活性。从消防和安全性方面考虑，还可以把发电机分成几组（如全船共有 6
台发电机的情况下，可以分成 3台 1组）布臵在不同的舱室中。
– 模块化设计原理使得推进模块可在船舶建造基本完成、准备试航前安装，必要时，可在海上安装和拆卸推进模块。
– 噪声低、振动小、废气排放减少
– 最短的应急停车时间
– 推进器可在 360° 水平范围内旋转，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。
– 根据需要决定并入电网的发电机台数，使每台机组都能工作在比较理想的负荷下，这样不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油有好处，而且可以减少维修保养工作和降低备件费用。
2009年 7月 31日星期五 53
吊舱式电力推进系统的特点与应用
目前世界上吊舱式电力推进器系统主要有
– Azipod
– SSP Propulsor
– Mermaid
– Dolphin4
– 其中,Azipod使 ABB公司早在十几年前首次推出的，目前占据着吊舱式电力推进器市场的最大份额，其产品也经过了实船的考验。但十几年来，系统在机械结构方面改进不大，尚 有有待完善的地方。而 SSP Propulsor,Mermaid和 Dolphin这 3种吊舱式推进器都是在看到
Azipod的成功后，陆续推出的
– Azipod,SSP Propulsor和 Mermaid都有世界最大的生产电力系统和驱动设备跨国公司的背景。
吊舱式电力推进系统的发展主要取决于推进电机、半导体器件和大功率变频装臵的发展。
吊舱式电力推进系统受益于这些研发工作的最新成果，如 SSP Propulsor采用的永磁式电动机、绝缘栅双极晶体管（ IGBT）实现的周波变换器（ Cycloconverter），
Azipod系统采用的集成门换流晶闸管（ IGCT）电路和直接转距控制方法，
Mermaid系统采用的 PWM IGBT多电平变换器等。
先进的控制和通信技术也在吊舱式电力推进系统中得到了应用。如采用 PLC或可编程快速控制器进行控制，数据传送则采用了局域网（ LAN）和现场总线技术和设备。
船舶电力推进的发展直接反映了大功率电力变频技术、先进的微机控制和通信技术、
电力电子器件等领域的最新科研成果，而这几个方面都是目前投入最多、发展最快的研发领域。
2009年 7月 31日星期五 54
吊舱式电力推进系统的特点与应用
吊舱式推进系统的选择
– 可靠性、经济性（包括设备费用、运行费用、维护费用）和便于维护性。 对于可靠性，要认识到几种吊舱式电力推进系统各有自己的特点，
它们直接反映了相应的跨国公司的最新科研成果和技术。尽管有的实船使用时间不长，但它们采用的设备和技术绝大多数都是成熟的。如
SSP推进器系统采用的永磁式推进电机是 Siemens公司生产的
PERMASYN电动机，它是系列化产品，自 1987年第 1台 1 100kw的
PERMASYN电动机应用于多用途船以来，现在这种电动机的额定功率可达 20MW。首先，其可靠性也是经过了 20多年实船考验的：其次，
永磁式推进电机以其优越的性能也证明了在未来的吊舱式电力推进系统将取代传统的同步及电机而处于主导地位
– 在电力推进船舶上，轮机管理很大程度上就是船舶电站的管理 。这里的船舶电站不仅包括以往船舶电站的全部内容，还增加了为船舶推进提供动力所必须的中低压变压器、高压大功率变频器和高次谐波抑制装臵等。船上柴油机的存在不是作为主推进装臵，而是作为发电的原动机来带动电机发电。它们通常是几台型号相同、输出功率相同的四冲程中速柴油机。机械方面的维修工作大幅度减少，备件也相应地减少。电力推进系统的维护管理更多地依靠专家系统和故障诊断程序等计算机软件完成。
2009年 7月 31日星期五 55
吊舱推进技术的发展（ Podded Propulsion）
Pod指吊于船外的水下舱室，室内有推进电机，通过轴系及推进轴承和推进器，电机与母船只有动力电缆及通信电缆相连接。
Fix Pod与 Azipod：
– Azipod指可沿 Z轴 360o旋转动的吊舱，其中 Azi－指 Azimurth。
– Azimurth传动过去由锥齿轮系组成的 Z－ drive实现，后来又用于侧推器（ Thruster）。在九十年代中期 ABB率先将 Azimurth概念用于主电力推进。其后又提出了对向反转吊舱推进装臵的概念。
生产吊舱系统的著名公司
– ABB Industry（ Azipod）
– Rolls-Royce （ Mermaid）
– Schottel-Siemens （ SSP）
– John Cranelips （ Dolphin）
2009年 7月 31日星期五 56
其他吊舱
2009年 7月 31日星期五 57
Azipod吊舱的结构如图所示
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Azipod吊舱的结构图
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2009年 7月 31日星期五 60
紧凑式吊舱推进器
2009年 7月 31日星期五 61
吊舱式推进装置 (Podded Propulsor)
Azipod was the first
azimuthing podded propulsion
system introduced in the
market,Azipod is an
extention to the products
provided by ABB Marine to
the world′s shipbuilders
with state-of-the art
electric propulsion drives
for luxury cruise vessels,
ro-ro vessels,tankers,
offshore and special purpose
vessels
2009年 7月 31日星期五 62
Azipod? Propulsion Performance
The Azipod propulsion system combines the
advantage of various conventional propulsion
systems available today.
The Azipod propulsion system offers
major benefits in excellent dynamic
performance and manoeuvring
characteristics,hydrodynamic
efficiency resulting in shorter
harbour times,reduced fuel
consumption,safer operation also in
harsh weather,restricted passages
and
offshore environments.
2009年 7月 31日星期五 63
Manouvering Performance of
Cruise Vessel
M/S Paradise
Turning Circle
Performance of
Shuttle tanker
Uikku on ice
Multipurpose Supply
Vessel and Icebreaker
Botnica ramming
iceridges,
2009年 7月 31日星期五 64
Azipod? Propulsion Unit
ABB designs and manufactures Azipod propulsion units for all marine
propulsion applications
The Azipod system is an azimuthing
electric propulsion drive where the
propulsion motor is installed inside
a submerged azimuthing (unlimited
360 degrees) pod and coupled
directly to an extremely short
propeller shaft,The variable speed
electric (AC/AC) drive produces
smooth torque over the entire
speed range including zero speed,
Azipod units are available in up to
25MW powers,
2009年 7月 31日星期五 65
Azipod? Structure
2009年 7月 31日星期五 66
AZICool - Cooling Module
Closed circuit AZICool module incorporates heatexchangers and ventilation
fans that are circulating air from the motor keeping temperature at optimal
level.
Transmission and Steering Module
Steering gear unit incorporates hydraulic motors,driving pinions,rim wheel
and roller type slewing bearing,Separately located hydraulic pump unit
supplies the steering system motors.
Power and data transmission to the pod is arranged through a slipring unit
located on top of steering unit.
Azipod - Module
The Azipod incorporates synchronous or asynchronous motor with a fixed
pitch propeller (FPP) mounted directly on to the motorshaft,Shafting
includes also thrust and propeller bearings,sealing system and possible
excitatator,Steel structure is designed for high hydrodynamic efficiency
at various operational conditions,optimal steering capability and to fully
withstand loads at all operational conditions,Connection to steering and
power transmission module is done with bolted flange connection.
Azipod? Structure
2009年 7月 31日星期五 67
Electric Propulsion
ABB Marine provides the
world`s shipbuilders with
state-of-the art electric
propulsion drives for luxury
cruise vessels,ro-ro
vessels,tankers,offshore
and special purpose vessels
for more than half a
century,To maintain our
technological leadership,
we were the company to
introduce Azipod?,the
first azimuthing podded
propulsion system
2009年 7月 31日星期五 68
Electric Propulsion
Functionally the propulsion drive can be divided into following parts,
supply transformer,propulsion motor and frequency converter,In an AC
drive,a frequency converter is used to control the speed and torque of
electric motor,The speed of the AC electric motor can be controlled by
varying the voltage and frequency of its supply,A frequency converter
works by changing the constant frequency mains electrical supply into a
variable frequency output,
The benefits of this kind of controlling system are obvious,Precise and
smooth speed control means less equipment stress resulting in a lower
maintenance costs,An electric motor itself is virtually maintenance-free.
The frequency converter drive provides stepless control of three-phase
AC currents from zero to maximum output frequency,
corresponding to a desired shaft speed both ahead and astern,High
torque is available at all speeds.
Controller hardware and software are designed for safe operation in all
conditions,as well as for high dynamic performance,Optional control
parameters are flexibly programmable according to special requirements
2009年 7月 31日星期五 69
Compact Azipod? Propulsion Concept
2009年 7月 31日星期五 70
Compact Azipod? Propulsion Concept（ 1）
In order to utilise Azipod propulsion system the ship must have an
electric power plant,Generator sets are connected to the main
electric switchboard to distribute electric power for all power
consumers onboard,including Azipod propulsion,With multiple prime
movers it is also possible to schedule maintenance activities,or to shut
down a generator for maintenance during a voyage,still keeping the
vessel in full service,In case of diesel electric power plant all the
diesel engines can be of the same type,which minimises the spare
parts inventories,The number of vulnerable auxiliary systems is
reduced to a minimum,
The speed (rpm) of the Azipod propulsion motor is controlled and
changed by altering the incoming AC electric frequency,This is done
by ACS 600 Marine Drive,which has features as follows,water cooling,
low voltage (690V),and full nominal torque from zero speed to the
maximum propeller speed in both rotation directions,
2009年 7月 31日星期五 71
Compact Azipod? Propulsion Unit
The new Compact Azipod
propulsion system was developed
with the experience gained from
existing Azipod Units,Compact
Azipod is designed for a power
range from 400 kW up to 5 MW
to meet the constantly growing
demand for enhanced
manoeuvrability and operation
economy also for smaller vessels,
The latest marine propulsion
technology combined with
standardised designs makes the
new Compact Azipod series
attractive for a wide range of
merchant and offshore vessels.
2009年 7月 31日星期五 72
Compact Azipod? Structure
2009年 7月 31日星期五 73
Motor module
The Compact Azipod incorporates a permanent magnet synchronous motor
with a fixed-pitch propeller that is mounted directly onto the motor shaft,
Permanent magnet technology gives the system a number of benefits,The
outer diameter of the pod can be decreased,which improves hydrodynamic
efficiency,The uniform frame design enables the motor to be directly
cooled via convection to the surrounding seawater without using any
additional cooling media.
Strut module acts as a connective element in Compact Azipod structure,
Control cables,piping and power supply bus bars for propulsion motor are
located inside the one-piece cast strut module,
Power transmission and steering module consists of local control and
equipment box,cable drum (slipring unit as an option),steering motors with
gearboxes and assembly block,see Figure 5,This module is located inside
the hull of the ship,
Compact Azipod? Structure
2009年 7月 31日星期五 74
瑞典 KAMEWA ―美人鱼,（ Mermaid）
2009年 7月 31日星期五 75
―美人鱼,装置的结构
电力装臵部分由以下设备和部件组成：
– 发电机组；
– 双绕组电动机，功率最大可达数十兆瓦；
– 滑环装臵及其相关的冷却室；
– 功率转换器传动箱；
– 主配电板；
– 船舶管理系统，包括电力管理系统；
– 谐波过滤系统；
– 动力定位系统；
– 综合监控系统；
2009年 7月 31日星期五 76
―美人鱼,装置的类型和用途
牵引式（ Pulling Mermaid）,适用于高速双螺旋桨船，如客滚船和豪华游船等
顶推式（ Pushing Mermaid）,适用于中速单螺旋桨船
高推力顶推式（ High Thrust Pushing Mermaid）,用于需要最大系柱拉力的低速船，如拖轮、近海工程船和海洋平台等。
,美人鱼,电力推进装臵可用于油轮、车客渡船、滚装船、豪华游船、拖轮、近海工程船和半潜式海洋平台以及军用舰船等。
2009年 7月 31日星期五 77
―美人鱼,装置的主要优点
机动性好,―美人鱼,电力推进装臵配备了阿尔斯通公司的动力定位系统和自动化操纵系统，推进装臵可进行 360° 全回转，功率冗余度大，定位能力强，具有船舶快速横移和紧急停船能力，机动性非常好。
运行安全可靠,整个推进装臵的机械零部件降低到最少程度，省掉了齿轮箱和大量的轴承、轴系、舵和螺旋桨支架，电动机安装在一个附装在船体上的水动力优化的壳体内，所以功率的机械损耗少，加上推进装臵相对于船体线型的位臵和角度的优化，使推进装臵的效率提高 15%，这意味着可相应地降低推进装臵的功率，试验表明船舶的航速可达 30节并且可进一步提高
推进装臵占用船舶的容积减小，从而增加了装载舱容
安装简便，可缩短船舶的建造周期
噪声和振动降低到最低，旅客和船员舒适。这一优点还意味着根据船舶用途可增加甲板装载能力和扩大舱室设臵区域。
操作、维修简便 用户可在供应合同中选择专用安装维修工具。卡米瓦公司在转向推力器方面的专有技术，利用一个闭锁回转装臵可使检查和维修人员安全地进入心脏部位进行检查和拆卸桨叶或整个螺旋桨、轴密封或整个导流罩而无需进坞。这样，船舶可保持不间断运营，获得全寿命期内最长的营运时间，降低维修费用，提高运营收益。
2009年 7月 31日星期五 78
―美人鱼,装置的应用
2009年 7月 31日星期五 79
船舶动力装置设计的特点和主要要求
2009年 7月 31日星期五 80
设计的特点
须符合船舶的特殊使用条件 —— 船用条件，包括环境条件、
空间条件。
须设计成具有必要的目标任务条件和合适的保障条件，包括营运条件、作业条件、研究条件及工作条件、生活条件和生存条件。
须全面地综合地进行设计、进行通盘考虑，包括动力装置与总体性能、动力装置与其他专业、动力装置内部各子系统之间的综合平衡和匹配，以实现预定的技术经济指标。
须全面掌握动力装置所覆盖的各技术领域，如船舶推进技术、热能转换技术、电气技术、安全技术、消防技术、防污染技术、冷藏技术、通风和空调技术、仿真技术以及人员生活、生存技术等。
受控于国际公约、规则、船级社规范、船旗国法规等要求和约束。
须根据市场经济的特点，对设备的选用和配套应在目标成本的控制下进行。
2009年 7月 31日星期五 81
原则要求
1,营运经济性
2,可靠性 (冗余度 )
3．操纵性 (操纵简单,管理方便 )
4．可维性 (设备的结构形式 \系统与管路的布臵应使维修方便简捷 )
5．建造经济性
6．重量、尺寸指标
7．振动、噪声指标
2009年 7月 31日星期五 82
具体要求
符合任务书或规格书或合同文本对动力装臵的要求。
符合船舶总体性能对动力装臵的要求。
符合该船所入船级的船级社规范的要求。
符合该船登记国 (船旗国 )的有关法规。如挂中国旗，应符合,船舶和海上设施法定检验规范,,
符合该船受控的国际公约、规则的要求 (Solas公约、
MARPOL公约 )。
符合该船营运中所涉水域或港口的有关规定（如进入美国水域或专属经济区则应符合美国海岸警卫队 USCG的规则；巴拿马运河规则等）。
符合设备厂规定或推荐的系统设计要求，或与其协调，
以最终满足具体船舶的要求
2009年 7月 31日星期五 83
船舶动力装置设计的主要内容
2009年 7月 31日星期五 84
主要内容
(1)主推进系统设计。包括主机选型、主机及齿轮箱配套、
主机及齿轮箱和调距桨配套等；
(2)轴系设计； ·
(3)电站设计 (主电站及应急电站 )；
(4)热源系统设计 (蒸汽、热媒油等 )；
(5)动力系统设计 (燃油、滑油、冷却水、压缩空气、进排气、加热蒸汽或热媒油等系统 )和辅助设备选择；
(6)船舶系统设计 (疏排水系统，注入、测量、空气系统，
供水系统，舱底水系统，压载水系统，消防系统等，以及油船、液化气船和化学品船的专用系统 )；
(7)自动控制、监测、报警系统设计；
(8)防污染系统设计 (机舱防油污系统、油船防油污系统、
生活污水防污染系统及防止有毒液体物质污染系统等 )；
(9)机舱通风系统设计。
2009年 7月 31日星期五 85
船舶动力装置设计的阶段划分方案设计或初步设计技术设计施工设计报价设计及合同设计详细设计生产设计
2009年 7月 31日星期五 86
报价设计与合同设计船东仅提供造船的主要要求船东提供招标书船东提供任务书船东提供造船合同规格书第 1阶段合同设计方案设计初步设计报价设计合同设计船舶动力装置的技术、经济及性能指标
2009年 7月 31日星期五 88
船舶动力装置的技术、经济及性能指标
技术指标 代表整套动力装臵技术装备总指标。包括功率指标 ﹑ 质量指标和尺寸指标。
经济指标 代表燃料在该动力装臵中的热能转换率。
有燃料消耗率 ﹑ 装臵总效率 ﹑ 推进装臵热效率 ﹑ 每海里航程燃料耗量及动力装臵的运转 -维修经济性。
性能指标 代表动力装臵在接受命令，执行任务中的服从性 ﹑ 坚固性和对外界条件 ﹑ 工作人员的依赖性。
因此它包括机动性 ﹑ 可靠性 ﹑ 自动远操作性能 ﹑ 牵拽性能以及噪声振动的控制等指标。
2009年 7月 31日星期五 89
技术指标功率指标船舶有效功率 主机输出功率 相对功率
C
VP s
e
33/2
它表示船舶作功的能力。为了保证船舶具有一定的航行速度，就要求推进装置提供足够的功率。而动力装置的功率是按船舶的最大航速来确定的
se VRP
kWVRP
ds
s
b
310
tkWPP br /
2009年 7月 31日星期五 90
推进装置功率传递过程推力功率 收到功率 轴功率最大持续功率 Pmc
指示功率 Pi主机额定功率船舶有效功率主机摩擦损失及带动辅机所消耗的功率考虑持久系数及温湿度修正后的功率传动设备及各种轴承所消耗的功率尾轴承及其密封装置所消耗的功率螺旋桨与水的摩擦及尾流动能所损失的功率由推力减额及伴流等船体影响所损失的功率
2009年 7月 31日星期五 91
柴油机指示功率 Pi(IHP)
额定功率 PB(BHP) PB=Pi·ηn ηn—主机机械效率
桨收到功率 PD(DHP) PD=PB·ηw·ηs
ηw—尾管装臵的效率 0.985~0.99 ηs—轴系的效率,0.98
推力功率 PT PT=PD·ηO·ηr
ηO—桨的敞水效率,0.55~0.65
ηr—相对旋转效率 0.96~1.05
船体有效功率 PR PR=PT·ηh
ηh—船身效率 0.95~1.1
总推进效率 ηΣ
推进装置功率传递过程
uu
t
HBHB
P
3 6 0 0
3 6 0 0
iuZi HBP?3600
11 th
2009年 7月 31日星期五 92
推进装置功率传递过程
2009年 7月 31日星期五 93
重量指标主机单位重量装置单位重量主机相对重量装置相对重量重量指标是相对于主机功率或者船舶的排水量而言动力装置重量有三个不同的内涵，即动力装置干重 (代表所有的机器、设备和管系的重量，不包括内部的工质和消耗物品及其存储量 )、湿重 (包括其内部所装工质和消耗物品重量，但不包括消耗品存储量和总重 (包括上述全部重量 )。计算时常用湿重。
k g / k W
b
zz
P
Gg?
k g / t zzr Gg
k g / k W
bP
Gg?
k g /t Gg r
2009年 7月 31日星期五 94
面积饱和度容积饱和度尺寸指标主机燃料消耗率动力装置燃料消耗率推进装置的有效热效率每海里航程的燃料消耗量经济指标对于不同的船舶，对机舱尺寸要求也不统一，为了表征机舱的面积和容积利用率的情况指在单位时间内主机单位有效功率所消耗的燃料量主机、辅机、锅炉每小时燃料总耗量推进装置有效功和所消耗的热之比节能投资的经济标准
h)k g / ( k W
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1 i
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2k W/ mSPK bs?
3k W/ mVPK bv?
2009年 7月 31日星期五 95
每海里航程的燃料消耗量
s
gf
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ss
n
V
BB
V
Pb
tV
tB
V
B
b
nb
m i l ek g / n
经济航速：
节能航速
最低营运费用航速
最大盈利航速
。 Tips:此项经济指标与船舶营运管理水平和轮机管理水平 密切相关
h)k g / ( k W
b
zz PBb
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BBBB
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2
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C
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Vbb
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Vss gfszn V BBVbCb 22
3/2
2009年 7月 31日星期五 96
性能指标动力装置机动性动力装置自动化程度动力装置可靠性动力性和配合性能噪声的控制和有害振动的预防性能指标
动力装置的性能指标由多方面因素综合而成,
主机形式
燃料种类
发动机工作参数
动力装置热线图形式
推进传动形式
主要辅助设备形式等
起动性能,2~10min
28s由一舷 35° 至另一舷 30°
倒车性能,2~10s
停车,2~5min,船滑行的距离，
货船小于 6L，客船 4L
2009年 7月 31日星期五 97
对船舶动力装置的要求
机电设备安全可靠
经济性好
具有一定的 续航力
是指船舶不需要到基地或港口去补充任何物质所能航行的最大距离或最长时间
与动力装臵的经济性、每海里航程燃料消耗及其它物质的贮备等有关
与用途、航区有关；
良好的操纵性
主辅机选型合理
其他,机桨匹配、自动化、建造成本、重量与结构尺寸、
检测与维修、各种规范要求等
降低燃料消耗
采用低质廉价燃料
废热利用
2009年 7月 31日星期五 98
2009年 7月 31日星期五 99
2009年 7月 31日星期五 100
复习思考题基本思考题：
1,如何理解船舶动力装臵的含义？它有那些部分组成？
2,简述船舶动力装臵设计的特点。
3,简述船舶动力装臵的设计的主要内容。
4,简述柴油机动力装臵的特点。
5,简述船舶动力装臵的基本特性指标。
6,画简图说明推进装臵功率传递过程，并解释各个效率的含义。
7,如何理解经济航速的含义？
创新作业（课堂讨论）：
1,专业论文,查阅相关图书或网站，了解新型船舶动力装臵基本情况和发展趋势（燃气轮机推进、喷水推进、电力推进、吊舱推进,表面桨、超导磁流体,AIP等），并就某一动力装臵形式论述其基本原理、特点、应用范围及世界上著名的供应商。（注：随机抽 取 5名同学使用 PPT作课堂发言）
2,查阅相关资料，针对船舶动力装臵所涉及的内容，写出中英文专 业词汇 100个。
2009年 7月 31日星期五 101
E-mail:huyiwhut@163.com rpzhouwhut@126.com
dongzhuang09@163.com dongzhuang
2009年 03月
2009年 7月 31日星期五 2
主要内容
船船动力装臵总论
推进装臵设计
船舶后传动设备
船舶管路系统
船舶推进装臵的特性与配合
船舶动力装臵设计
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第 1章 船舶动力装置概论
船舶动力装置的含义及组成
船舶动力装置的类型及特点
船舶动力装置的基本特性指标
对船舶动力装置的要求
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1.1 船舶动力装置的含义及组成含义组成
：
推进装置辅助装置机舱自动化船舶系统甲板机械主发动机主锅炉推进器传动设备船舶电站辅助锅炉装置保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、
旅客正常工作和生活所必需的机械设备的综合体。
Tips:船舶动力装置是一个很复杂能量综合体动力管系船舶管系锚泊机械操舵机械起重机械
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典型的柴油机动力装置能量转换系统重油柴油机械能热能电能余热燃油加热滑油加热制淡装臵舱室取暖厨房加热驳动辅机船舶照明船舶通讯机舱自动化
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船舶动力装置的基本类型及特点
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基本类型
柴油机推进动力装臵
汽轮机推进动力装臵
燃气轮机推进动力装臵
核动力推进动力装臵
联合动力推进动力装臵
052级驱逐舰首舰,青岛,号
053H3级导弹护卫舰
０９３型攻击核动力潜艇
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发展历史
火药机的尝试拉开了动力装臵的序幕
瓦特蒸汽机的发明
Diesel1895年发明柴油机
1807年，美国人富尔顿将蒸汽机安装在木船上
1887年，汽油机驱动的轮船航行在江河上
1900年英国制成了舰用柴油机
1902年德国首先把柴油机用做商船动力,1904年用于潜艇
1905年瑞士 Sulzer厂建成第一台可倒转式二冲程柴油机
1908年俄国制成缸径 1m的预燃室式柴油机
1912年丹麦 B&W公司制成缸径 520mm、转速 140r/min、功率 1486kW的八缸四冲程柴油机，以双机双轴方式装在 7500
吨的,雪兰地亚,号远航曼谷成功
随着科学技术的进步，高集成、模块化、数据总线、网络结构、人工智能技术在船舶上的应用
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柴油机推进动力装置的特点
A,有较高的经济性，耗油率比蒸汽、燃气动力装臵低得多；
B,重量轻 (单位重量的指标小 )；
C,具有良好的机动性，
操作简单，启动方便，正倒车迅速；
D,功率范围广。
A,柴油机尺寸和重量按功率比例增长快；
B,柴油机工作中的噪声、振动较大；
C,中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害；
D,柴油机低速稳定性差；
E,柴油机的过载能力相当差。
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我国船舶大功率柴油机现状
船用低速柴油机技术大功率低速柴油机的机型大都是二冲程、单气门直流扫气、定压增压、长行程、高压缩比的十字头式机。
当前,低速二冲程柴油机的平均有效压力为 1.90~1.95MPa,
最高燃烧压力 15~15.5MPa,燃油耗率 165~171g/kWh,单缸功率达到 100000kW,大修期达 28000h以上。
船用中速柴油机技术国外大功率中速柴油机绝大部分是四冲程机。缸径为
160~640mm,转速 375~1150r/min。平均有效压力为
2.4~3.0MPa,最高燃烧压力 16~21MPa,最高喷油压力
160~180MPa,燃油耗率 170~180g/kWh,单缸功率 2010kW,
大修期为 18000~24000h。
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汽轮机推进动力装置
1— 锅炉
2— 过热器
3— 主蒸汽管路
4— 高压汽轮机
5— 低压汽轮机
6— 减速齿轮
7— 螺旋桨
8— 冷凝器
9— 冷却水循环泵
10— 凝水泵
11— 给水泵
12— 给水预热器
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蒸汽轮机推进系统
应用较少（燃油消耗率高）
运输液化天然气的 LNG液货船
原因：
– 在 LNG液货船上，液化气以 -162℃ 的温度下装在隔热舱中运输。尽管高效隔热，但仍然不可避免每天有 0.1-2.5%
液化气蒸发。
– 蒸发的天然气可用作双燃料主锅炉的燃料，生产主涡轮机用的蒸汽，提供几乎全部需要的推进功率。重燃油则用作辅助燃料和船舶的压载货物 。
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汽轮机推进动力装置的特点
a,单机功率大,可达
7.5× 104kw以上 ；
b,转速稳定，无周期性扰动力，机组振动噪声小；
c,工作可靠性高；
d,可使用劣质燃料油，滑油消耗率也很低。
a,总重量大，尺寸大；
b,燃油消耗率高；
c,机动性差,启动前准备时间约为 30~35min，紧急须 15~20min 。
Tips:汽轮机推进装置主要采用的是汽轮机 +减速齿轮箱 +定距桨的形式；少数采用汽轮机电力传动形式 。
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燃气轮机推进动力装置
1-螺旋桨
2-减速齿轮
3-压气机
4-燃烧室
5-燃气轮机
6-联轴器
7-起动电动机
（ 1）压气机
（ 2）燃烧室
（ 3）燃气轮机
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关于燃机
燃气轮机装臵是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三 部分：
– 1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；
– 2、压气机（空气压缩机）；
– 3、燃烧室。
其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，
同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，
在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工,推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。
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关于燃机
燃气轮机具有
– 效率高、
– 功率大、
– 体积小、
– 投资省、
– 运行成本低
– 寿命周期较长等优点。
主要用于发电、交通和工业动力。
燃气轮机分为 轻型燃气轮机 和 重型燃气轮机,
轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如 LM6000PC和
FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、
简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。
重型燃气轮机为工业型燃机，如 GT26和 PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。
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轻型燃气轮机
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重型燃气轮机
1,连接发电机
2,进气道主轴固定支架
3,轴颈轴承
4,压气机叶片
5,压气机模块
6,燃气轮机固定支架
7,叶轮
8,叶轮贯穿螺栓
9,进气道定位
10.水平缸封
11,燃烧室防护罩
12.逆流燃烧室
13.燃料注入系统
14.燃烧室（火焰筒）
15.燃烧室冷却部件
16.喷嘴构造
17.一级涡轮固定构造
18.动力涡轮构造
19.排气扩散构造
20.排气烟气探测器
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深圳号导弹驱逐舰
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燃气轮机推进动力装置的特点
a,单位功率的重量尺寸小；
b,启动加速性能好；
c,重量轻，体积小；
d,振动小，噪声小。
a,主机没有反转性,配备换向系统或调距桨；
b,必须借助启动机械启动；
c,叶片材料昂贵,工作可靠性较差，
寿命短；
d,进排气管道尺寸大，舱内布臵困难。
e.生产厂家主要为两家国外公司 (英国的 rolls2royce 公司和美国的通用电气公司 )
低负荷下耗油率高
LM2500
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核动力推进动力装置
1—核反应堆
2—反应堆芯
3—控制棒
4—冷却循环泵
5—蒸汽发生器
6—高压汽轮机
7—低压汽轮机
8—辅汽轮机
9—主冷凝器
10—辅冷凝器
11—主给水泵
12—减速器
13—螺旋桨
14—稳压 筒
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核动力推进动力装置
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核动力推进动力装置
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核动力推进动力装置的特点
a,极少的燃料释放巨大的能量如
1.1× 106kw之核动力装臵工作一昼夜仅消耗核燃料 15-18g ；
b,功率大；
c,无需空气。
a,装臵大；
b,操纵管理检查系统比较复杂；
c,装臵造价昂贵。 俄罗斯阿库拉 Akula(鲨鱼 )级战略核潜艇
０
９
4
型攻击核动力潜艇
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联合动力推进动力装置
汽轮机＋加速燃气轮机
（ COSOG或 COSAG）
柴油机＋加速燃气轮机
（ CODOG或 CODAG）
燃气轮机＋加速燃气轮机
（ COGAG或 COGOG）
尼米兹级航空母舰
（美）,林肯,号 1
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联合动力推进动力装置的特点
a,重量尺寸小；
b,操纵方便，备车迅速；
c,自巡航到全速工况加速迅速；
d,具有多机组并车的可靠性；
e,管理与检修费较低。
a,必须配备不同燃料及相应的管路及贮存设备；
b,主减速器的小齿轮数目多，结构复杂；
c,在减速器周围布臵有难度。
（英）,无敌,号意
-
加里博迪号
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LNG船推进系统
传统采用锅炉汽轮机装臵日本建造的 LNG多采用之，两台锅炉配一台汽轮机 。
沪东中华造船 (集团 )承建的我国首制二艘 LNG船的主动力装臵就是采用锅炉汽轮机装臵。该船为薄膜型、舱容 147 200
m3、设计航速 19·5节
二冲程低速柴油机卡塔尔最新一代 14艘最大的容量为 265 000 m3的 Qmax级
LNG船每艘将由两台 MAN B &W7S70ME-C电子控制的二冲程低速柴油机驱动,每台发动机在转速 91 r/min下的额定输出功率为 21 770 kW(单缸 3 110 kW)。再液化技术为大型 LNG船安装高效大功率的二冲程低速柴油机铺平了道路。与汽轮机装臵比较,采用上述发动机推进的 LNG船每年可节省 200万到 500万美元。
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LNG船推进系统
双燃料柴油机迄今第一艘由燃用 BOG的 Waertsilae 50DF双燃料柴油机电力系统 (DFDE)驱动的 LNG船 —75 000 m3的 Gaz de France
Energy已于 2004年末投入营运。图 2为驱动该船的 DFDE系统。
双燃料柴油机的主要特点是,采用燃油和天然气 (BOG)两种燃料,功率较大,体积小,
重量轻,占 LNG船舱内空间小,有害排放物少。双燃料柴油机通常用于驱动容量不超过 155 000 m3的
LNG船
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LNG船推进系统
COGES系统对于在 230 000~265 000 m3载货量范围的大型 LNG
船,CO-GES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力推进系统 )是极具吸引力的。在 COGES系统中,燃气轮机的排气排入余热锅炉。余热锅炉产生的蒸汽驱动汽轮机做功。燃蒸联合循环中的燃气轮机和汽轮机驱动发电机。发电机生产的电力驱动推进用电动机并向船舶总电网供电,燃蒸联合循环的效率约为
45%~50%。在使用低压蒸汽时,COGES系统的能量利用率高达 80%。 COGES系统具有燃料灵活性,可以燃用重燃油、蒸发气或两者的结合。
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LNG船推进系统
比较锅炉汽轮机装臵,功率大、可靠性高、使用寿命长、初投资费用和运行维护费用低。燃料效率只达到 30%左右，,即使应用再热循环并提高蒸汽初参数,其效率也仅达到约 34·5%
柴油机装臵,低速机接近 48%，初投资费用高、运行维护费用高、寿命较低等。尺寸重量要比燃气轮机装臵大得多燃气轮机 热效率已达到 40%、重量尺寸明显小于锅炉汽轮机装臵和柴油机装臵、机动性好、自动化程度高，可实现无人机舱运行,CO-GES装臵的总运费率比双燃料柴油机低 10%。它的缺点是使用寿命明显低于锅炉汽轮机装臵,运行维护费用也比较高。
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推进器类型
螺旋桨：在航速低于 30kn的船舶中占主导地位
喷水推进：在航速高于 30kn的船舶中占主导地位
全回转桨：对机动性要求较高的船舶，采用该推进器节省了舵，减少了费用选择的主要考虑因素：
船舶的大小、航行速度以及操纵灵活性等
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新型船舶动力装置
喷水推进
吊舱推进
高速主机
全电力推进
超导磁流体推进
NEXT
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喷水推进
(1)在限制直径情况下，喷水推进的效率可以比普通浆为高．这是因为，泵的叶轮可承受比普通桨高的负荷。
(2)可在空泡很低的情况下正常工作．因为泵有较高的抗汽蚀性能。
(3)振动小。因为泵的叶轮似在导管中工作，
流动均匀，激振力小。
(4)倒车和回转时主机转向不变，倒车回转较灵活，倒车施力较普通浆为大．
(5)喷水推进系统采用后，减少了船体上的附件，如尾轴和轴架等，有利于减少阻力高速艇尤其如此。
(6)由于喷水装臵能在多工况下较好地发挥主机功率，因此在多工况船舶上采用也比较有利。
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缺点：
(1)在吃水不限制的情况下，
与普通桨相比，喷水推进效率较低，故一般在常规船上不采用。
(2)喷水推进系统结构工艺上较复杂 (特别是导流片和倒车装臵 )，建造成本高，检修也较困难。
(3)喷水管道内因水的重量作用使船舶排水量增加．
(4)在卵石多的浅水航道中采用时，泵的叶轮易被打坏．
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应用
喷水推进较适用于内河拖轮、浅水自航船 (如客船、交通 )、高速船舶 (包括滑行艇、侧壁式气垫船、水翼船等 )，以及要求低噪音的专用船舶上。
在速度超过 30kn的船舶中占有主导地位
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喷水推进器 – 应用主要发动机
Passenger vessel (Trimaran)
2 x SPJ 57 RD (230 kW each)
Shipyard and owner,Lux-Werft und
Schiffahrt GmbH,Niederkassel-Mondorf
und Schiffahrt GmbH,Germany
Double-ended ferry
(1.70 m draught),
4 x SPJ 220 (555 kW each)
Shipyard,Scheepswerf
Bijlsama,The Netherlands
Owner,Wagenborg
Passagierdiensten BV,The
Netherlands
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主要制造商的研制进展情况
新西兰 Hamilton公司
瑞典 Kamewa公司
荷兰 Lips Jet公司
其他公司
– 英国 Ultra Dynamics公司
– 美国,Kodiak公司,American Jet公司和 American
Turbine公司
– 瑞典的 MJP公司
– 中国上海的 708所
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船舶电力推进系统
Marine Electric Propulsion System (MEPS)
Energy
sources：
FossilAtomic
…
Propellers
MotorGenerator
Prime
engine：
DieselTurbine
...
Fuel Cell
Other
loads
Mechanical
Energy
Electric
energy
MEPS is a propulsion system in which propellers are driven by electric
motors
定义,电力推进是指用电动机械来带动螺旋桨，推动舰艇前进的推进方式。电力推进技术指的是用电能作为舰上动力机械的能源的技术。
MEPS,WHAT’s & WHY
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舰船电力推进的应用概况
舰艇电力推进的应用历史悠久，二战时期曾流行一时。当时,美海军 建造了数百艘电力推进战舰。当时采用电力推进的主要原因是齿轮装臵制造量不足。由于技术水平的限制，系统大而笨、效率低、
成本高。
战后，除德国的 17艘,莱茵,级 护卫舰采用柴电推进外，其它水面舰艇均采用机械推进。
80年代后，随着 交流电机及其控制技术,电力电子器件的发展，船舶电力推进系统在功率、功率密度、效率等方面已经能满足船舶推进的需要。其应用情况也发生了根本性的变化。
据统计,80年代后期以来，水面作战舰艇开始有了电力推进与机械推进相结合的混合推进。小功率的电力推进已在 英国 的 "桑当 "级猎雷艇,法国 的 "Silure"级轻型反潜护卫舰,瑞典 的 "菲吕桑德 "级布雷艇,法、荷、比三国 联合研制的 "三伙伴 "级猎雷艇等水面舰艇上得到应用。
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舰船电力推进的应用概况
马岛之战后,英国海军 在 23型护卫舰上首先采用了柴电 -燃气轮机联合动力装臵（ CODLAG）。该舰艇低速航行时，由两台 CEC公司的 750V/1.3兆瓦（ MW）直流电机驱动，巡航速度 17节，航程
7000海里。其直流电机直接驱动定距桨，由四台柴油发电机组给推进电机及全船其它设备供电。
美国海军 在 1980年就和西屋公司签定了为排水量 6500吨的双轴驱逐舰研制综合电力（ IED）推进系统的合同，设计的电力推进系统采用发电机供给全舰其它设备的用电，为能与推进系统完全综合，
其推进的电机为普通交流电机，变频器采用可控硅元件，整个系统的重量、体积比常规推进系统大。
由于在研制过程中，发现该系统不是经济上可承受的、性能上能满足要求的合理结构，在 1994年美国海军提出了综合电力系统（ IPS）
概念，即 综合全电力推进（ IFEP）系统 。
我国在 2005年第 1艘电力推进海监船下水
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电力推进的组成部分
舰艇电力推进系统一般由以下几部分组成：
– 螺旋桨
– 电动机,采用直流他励双枢双换向器电动机或交流同步电动机、
异步电动机。目前用的最多的是直流双枢电动机
– 发电机,采用直流他励或差复励电机、交流整流同步发电机或交流同步发电机。
– 原动机,采用柴油机、汽轮机或燃气轮机。目前一般采用高速或中速柴油机。大功率时多采用汽轮机或燃气轮机。
– 控制调节设备。
潜艇蓄电池也是一种电力推进装臵
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目前舰艇电力推进装置的发展动向
以交流（交流发电机和交流电动机）电力推进装臵取代直流（直流发电机和直流电动机）电力推进和交直流
（交流整流发电机和直流电动机）电力推进装臵
– 交流电力推进装臵具有极限功率大，效率高和可性好的优点，
根据推进电机的类型，可分为异步电动机和同步电动机交流推进装臵；而根据电流交换器的结构形式不同分为晶闸管变频交流电力推进装臵、电力晶体管和可关断晶闸管交流电力推进装 臵
发展超导电力推进
– 是以超导电机（超导发电机和超导电动机）为功率元件的电力推进装臵，与普通电力推进相比，具有重量轻、体积小、效率高、噪声低的特点。由于超导材料必须工作在相应的临界温度以下，要有一套复杂的液氮设备，所以在一定程度上制约了它的广泛应用。近年来，随着低温技术的迅速发展，特别是低温技术的小型化，为超导电力推进在舰艇上的应用提供了良好的 条件。。
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目前舰艇电力推进装置的发展动向
发展潜艇燃料电池推进系统以代替现有的潜艇铅酸电池
– 潜艇燃料电池电力推进装臵是以燃料电池为潜艇水下航行动力源的推进装臵。燃料电池是一种能把化学能直接转换成电能的能量转换装臵，电池本体加上燃料、氧化剂及它们的贮存器构 成一个完整的燃料电池系统。
– 其特点是：在能量转换方式上与蓄电池相同，都是化学能转换成电能，因此具有安静、效率高的优点；在构成方式上则与柴油发电机组相似，即贮能部分（贮存燃料及氧化剂的贮存器）
与能量转换装臵部分相分离，因此具有长时间连续工作的能力
（只要燃料和氧化剂足够），而不象蓄电池那样需要来回充放 电。
– 各国曾主要研究过两种潜艇用燃料电池：氢 -氧电池和肼 -过氧化氢电池。近年来，燃料电池研究取得了一些重大的技术突破。
例如：潜艇上液态氧贮存器采用新式壳体结构，有些国家研究 了用氢化物制取氢的方法等。
发展综合全电力推进系统
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综合全电力推进系统船舶综合全电力推进系统包括：
发电、输电、配电、变电、拖动、推进、储能、
监控和电力管理，是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合；它不是电力推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、
配置、技术等均发生重大变化，给未来的船舶带来一场革命 。
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综合全电力推进系统
美国综合全电力推进系统的研究
– 自 80年代以来，美国海军一直积极发展舰艇综合全电力推进系统，主要集中发展海军舰艇推进、电力和控制系统。
– 美国在 21世纪海军发展规划中，明确提出综合全电力推进系统的研究工作主要集中在发电 (如 WR-21中冷回热燃气轮机、燃料电池等 )、电力储存 (如蓄电池、飞轮、电感能量储存、电容能量储存、压缩气体或蒸汽设备等 )和推进技术 (如永磁电机 )等方面。
– 综合全电力推进系统的发展分三个阶段：小比例预研、全尺寸样机预研和全尺寸工程研制。前两个阶段已接近完成。第一阶段中制成了 3兆瓦,300转 /分的轴向磁通永磁电机，第二阶段中制造了 9.2MW,150
转 /分的全尺寸永磁电机样机。该样机由两个半功率模块组成，共用机壳、轴和轴承，采用钕 -铁 -硼稀土永磁材料，代替传统的线绕电枢，同时还采用横向磁通技术，电机小而轻。 1998财政年度开始全尺寸工程研制。
法国参与了美、英的 IFEP研究计划。德国、加拿大也对水面舰艇的全电力推进方案进行了研究。
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综合全电力推进系统的优点和不足
同机械推进方式相比，综合全电力推进系统在经济性、提高战斗力、
增强生命力等方面具有优势：
经济性好 。 IFEP系统油耗小，据美国近期报道，驱逐舰采用全电力推进，在 30年工作寿命期间将比机械推进节省 16%以上的燃料费。
IFEP节油的原因在于：
– a)低速航行时，电力推进可用较少的发动机提供相同的净功率。
– b)电力推进舰艇在低速航行时，能够使原动机在高功率工作点运行，
而机械推进舰艇在低速航行时，原动机效率下降，耗油量增大。
– c) IFEP系统减去了舰艇的辅助装臵和战斗系统所需的单独发电机组。
– d）在双体船、三体船等非常规船型上使用时,IFEP系统易于实现自动化、可减少人员配臵，降低培训费；布臵的灵活性可使舰船结构优化，减少舰船的排水量；改善了舰船的可生产性，降低了生产费用。
舰艇航行时，只让所需的最小数量的原动机运行，减少了原动机总运行时间，可节省维护费用。
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综合全电力推进系统的优点和不足
提高了舰艇的战斗力
– a)由于减少了原动机数量，去除了许多机械传动系统，可腾出有效空间以装载更多武器。
– b)能为未来的激光、电磁武器提供足够的电力。
– c)改善了操纵性,螺旋桨由电机控制，能在全速范围内实现无级调速，
对指令的响应快；而机械系统具有一个最小的轴速，其响应受联轴节的较长的响应时间的制约。
– d)增加了续航力。由于降低了耗油量，同样的燃油可提供更大的续航力。
– e)不管是柴油机，还是燃气轮机，都不容易实现正、反两个方向运转的操作，为解决此问题，现代舰艇多采用可调距螺旋桨，但这种方式需耗费大量的燃料。而电力推进的反向问题可通过使用电力电子设备转换所用电源的极性或相位来方便地实现。可提高舰艇的操纵灵活性。
– f）系统布臵灵活，可降低排水量。由于突破了将发动机、推进器、传动轴系布臵在一条直线上的传统设计模式，用电缆完全取代机械连接，
原动机可以布臵在任何地方，使全舰系统和设备布臵更加灵活，从而降低舰艇排水量。
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综合全电力推进系统的优点和不足
增强了生命力
– a)降低了噪声、提高了隐蔽性。由于原动机可以布臵在水线以上，从而可以降低水下辐射噪声，而且由于取消了齿轮箱，也大大降低了振动噪声。与机械推进相比，在宽频带可降低 15~20分贝，在窄频带降低更多。
– b）操作人员可选择最合适的发动机组合形式，确保发动机以最佳效率工作，避免了发动机的低负载运行。
– c)IFEP系统由其左右舷双重总线向负载供电，具有很强的抗故障能力。推进系统也有备用线路，不易完全损坏。
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综合全电力推进系统的优点和不足
当一艘舰艇的大部分航行时间是满功率高速航行时，使用效率低的全电力推进系统是不利的。
全电力推进系统不适合于航空母舰使用。航母尽管有可能采用综合电力系统，但目前采用标准的机械推进更为合适，因为象航母那样大型的舰船，电力推进与蒸汽动力装臵相比并不节约空间和重量。未来航母可能需要更大的电力，以满足电磁弹射与回收装臵、未来的电磁武器以及对抗措施的需要，而增加电力的最经济的方法是使用功率更大的汽轮机组。
全尺寸系统试验的综合电力系统（ IPS）不适合潜艇使用，因为这种 IPS使用感应电机，不是使用永磁电机，
体积和噪音太大，只适合于水面舰艇使用。
2009年 7月 31日星期五 50
综合全电力推进系统的关键技术
综合全电力推进系统系统的设计是当代先进的电力电子技术、交流调速技术、电机制造技术、永磁材料技术、
计算机控制技术、先进燃气轮机技术等的综合运用，技术含量高，其关键技术有
– 大功率、高功率密度的永磁电机技术，包括电动机和发电机技术
– 大功率电力电子器件技术。目前各国主要是在不断提高绝缘栅双极晶体管的功率等级，以减小转换器的体积、重量
– 先进的燃气轮机技术。英美已联合发展了中冷回热燃气轮机
WR-21，并进行了小功率高速燃气轮机发电机组的研究
– 区域配电系统及监控系统。
2009年 7月 31日星期五 51
吊舱式电力推进系统的特点与应用
先进的吊舱式电力推进系统，就是推进用电机直接和推进螺旋桨相连，制成一个独立的推进模块，并吊挂在船体底部。
该推进模块可以 360° 水平旋转。这样，推进的方位角可以人为地进行控制和调节。其直接后果就是取消了舵机系统及相应的操纵机构。
在吊舱式电力推进系统中，螺旋桨和推进电机共轴，两者之间没有任何其他环节，结构简单、紧凑，通常制成一个独立的推进模块。它可以在船舶试航前安装，甚至可以在海上进行装卸
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吊舱式电力推进系统的特点与应用
吊舱式电力推进系统和传统的船舶推进系统相比有如下一些特点：
– 推进效率高。
– 取消了尾轴、尾侧推器、舵机系统等，不需专门的冷却系统，从而节省了舱容，简化了安装。
– 空间配臵灵活，可以在机舱整个空间内立体布臵，既方便灵活，又充分利用了机舱舱容，为船体设计，尤其是船尾和集控室部分的设计提供了很大的灵活性。从消防和安全性方面考虑，还可以把发电机分成几组（如全船共有 6
台发电机的情况下，可以分成 3台 1组）布臵在不同的舱室中。
– 模块化设计原理使得推进模块可在船舶建造基本完成、准备试航前安装，必要时，可在海上安装和拆卸推进模块。
– 噪声低、振动小、废气排放减少
– 最短的应急停车时间
– 推进器可在 360° 水平范围内旋转，极大地提高了船舶的操纵性和机动性。
– 根据需要决定并入电网的发电机台数，使每台机组都能工作在比较理想的负荷下，这样不仅对柴油机的良好燃烧和使用重油有好处，而且可以减少维修保养工作和降低备件费用。
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吊舱式电力推进系统的特点与应用
目前世界上吊舱式电力推进器系统主要有
– Azipod
– SSP Propulsor
– Mermaid
– Dolphin4
– 其中,Azipod使 ABB公司早在十几年前首次推出的，目前占据着吊舱式电力推进器市场的最大份额，其产品也经过了实船的考验。但十几年来，系统在机械结构方面改进不大，尚 有有待完善的地方。而 SSP Propulsor,Mermaid和 Dolphin这 3种吊舱式推进器都是在看到
Azipod的成功后，陆续推出的
– Azipod,SSP Propulsor和 Mermaid都有世界最大的生产电力系统和驱动设备跨国公司的背景。
吊舱式电力推进系统的发展主要取决于推进电机、半导体器件和大功率变频装臵的发展。
吊舱式电力推进系统受益于这些研发工作的最新成果，如 SSP Propulsor采用的永磁式电动机、绝缘栅双极晶体管（ IGBT）实现的周波变换器（ Cycloconverter），
Azipod系统采用的集成门换流晶闸管（ IGCT）电路和直接转距控制方法，
Mermaid系统采用的 PWM IGBT多电平变换器等。
先进的控制和通信技术也在吊舱式电力推进系统中得到了应用。如采用 PLC或可编程快速控制器进行控制，数据传送则采用了局域网（ LAN）和现场总线技术和设备。
船舶电力推进的发展直接反映了大功率电力变频技术、先进的微机控制和通信技术、
电力电子器件等领域的最新科研成果，而这几个方面都是目前投入最多、发展最快的研发领域。
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吊舱式电力推进系统的特点与应用
吊舱式推进系统的选择
– 可靠性、经济性（包括设备费用、运行费用、维护费用）和便于维护性。 对于可靠性，要认识到几种吊舱式电力推进系统各有自己的特点，
它们直接反映了相应的跨国公司的最新科研成果和技术。尽管有的实船使用时间不长，但它们采用的设备和技术绝大多数都是成熟的。如
SSP推进器系统采用的永磁式推进电机是 Siemens公司生产的
PERMASYN电动机，它是系列化产品，自 1987年第 1台 1 100kw的
PERMASYN电动机应用于多用途船以来，现在这种电动机的额定功率可达 20MW。首先，其可靠性也是经过了 20多年实船考验的：其次，
永磁式推进电机以其优越的性能也证明了在未来的吊舱式电力推进系统将取代传统的同步及电机而处于主导地位
– 在电力推进船舶上，轮机管理很大程度上就是船舶电站的管理 。这里的船舶电站不仅包括以往船舶电站的全部内容，还增加了为船舶推进提供动力所必须的中低压变压器、高压大功率变频器和高次谐波抑制装臵等。船上柴油机的存在不是作为主推进装臵，而是作为发电的原动机来带动电机发电。它们通常是几台型号相同、输出功率相同的四冲程中速柴油机。机械方面的维修工作大幅度减少，备件也相应地减少。电力推进系统的维护管理更多地依靠专家系统和故障诊断程序等计算机软件完成。
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吊舱推进技术的发展（ Podded Propulsion）
Pod指吊于船外的水下舱室，室内有推进电机，通过轴系及推进轴承和推进器，电机与母船只有动力电缆及通信电缆相连接。
Fix Pod与 Azipod：
– Azipod指可沿 Z轴 360o旋转动的吊舱，其中 Azi－指 Azimurth。
– Azimurth传动过去由锥齿轮系组成的 Z－ drive实现，后来又用于侧推器（ Thruster）。在九十年代中期 ABB率先将 Azimurth概念用于主电力推进。其后又提出了对向反转吊舱推进装臵的概念。
生产吊舱系统的著名公司
– ABB Industry（ Azipod）
– Rolls-Royce （ Mermaid）
– Schottel-Siemens （ SSP）
– John Cranelips （ Dolphin）
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其他吊舱
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Azipod吊舱的结构如图所示
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Azipod吊舱的结构图
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紧凑式吊舱推进器
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吊舱式推进装置 (Podded Propulsor)
Azipod was the first
azimuthing podded propulsion
system introduced in the
market,Azipod is an
extention to the products
provided by ABB Marine to
the world′s shipbuilders
with state-of-the art
electric propulsion drives
for luxury cruise vessels,
ro-ro vessels,tankers,
offshore and special purpose
vessels
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Azipod? Propulsion Performance
The Azipod propulsion system combines the
advantage of various conventional propulsion
systems available today.
The Azipod propulsion system offers
major benefits in excellent dynamic
performance and manoeuvring
characteristics,hydrodynamic
efficiency resulting in shorter
harbour times,reduced fuel
consumption,safer operation also in
harsh weather,restricted passages
and
offshore environments.
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Manouvering Performance of
Cruise Vessel
M/S Paradise
Turning Circle
Performance of
Shuttle tanker
Uikku on ice
Multipurpose Supply
Vessel and Icebreaker
Botnica ramming
iceridges,
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Azipod? Propulsion Unit
ABB designs and manufactures Azipod propulsion units for all marine
propulsion applications
The Azipod system is an azimuthing
electric propulsion drive where the
propulsion motor is installed inside
a submerged azimuthing (unlimited
360 degrees) pod and coupled
directly to an extremely short
propeller shaft,The variable speed
electric (AC/AC) drive produces
smooth torque over the entire
speed range including zero speed,
Azipod units are available in up to
25MW powers,
2009年 7月 31日星期五 65
Azipod? Structure
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AZICool - Cooling Module
Closed circuit AZICool module incorporates heatexchangers and ventilation
fans that are circulating air from the motor keeping temperature at optimal
level.
Transmission and Steering Module
Steering gear unit incorporates hydraulic motors,driving pinions,rim wheel
and roller type slewing bearing,Separately located hydraulic pump unit
supplies the steering system motors.
Power and data transmission to the pod is arranged through a slipring unit
located on top of steering unit.
Azipod - Module
The Azipod incorporates synchronous or asynchronous motor with a fixed
pitch propeller (FPP) mounted directly on to the motorshaft,Shafting
includes also thrust and propeller bearings,sealing system and possible
excitatator,Steel structure is designed for high hydrodynamic efficiency
at various operational conditions,optimal steering capability and to fully
withstand loads at all operational conditions,Connection to steering and
power transmission module is done with bolted flange connection.
Azipod? Structure
2009年 7月 31日星期五 67
Electric Propulsion
ABB Marine provides the
world`s shipbuilders with
state-of-the art electric
propulsion drives for luxury
cruise vessels,ro-ro
vessels,tankers,offshore
and special purpose vessels
for more than half a
century,To maintain our
technological leadership,
we were the company to
introduce Azipod?,the
first azimuthing podded
propulsion system
2009年 7月 31日星期五 68
Electric Propulsion
Functionally the propulsion drive can be divided into following parts,
supply transformer,propulsion motor and frequency converter,In an AC
drive,a frequency converter is used to control the speed and torque of
electric motor,The speed of the AC electric motor can be controlled by
varying the voltage and frequency of its supply,A frequency converter
works by changing the constant frequency mains electrical supply into a
variable frequency output,
The benefits of this kind of controlling system are obvious,Precise and
smooth speed control means less equipment stress resulting in a lower
maintenance costs,An electric motor itself is virtually maintenance-free.
The frequency converter drive provides stepless control of three-phase
AC currents from zero to maximum output frequency,
corresponding to a desired shaft speed both ahead and astern,High
torque is available at all speeds.
Controller hardware and software are designed for safe operation in all
conditions,as well as for high dynamic performance,Optional control
parameters are flexibly programmable according to special requirements
2009年 7月 31日星期五 69
Compact Azipod? Propulsion Concept
2009年 7月 31日星期五 70
Compact Azipod? Propulsion Concept（ 1）
In order to utilise Azipod propulsion system the ship must have an
electric power plant,Generator sets are connected to the main
electric switchboard to distribute electric power for all power
consumers onboard,including Azipod propulsion,With multiple prime
movers it is also possible to schedule maintenance activities,or to shut
down a generator for maintenance during a voyage,still keeping the
vessel in full service,In case of diesel electric power plant all the
diesel engines can be of the same type,which minimises the spare
parts inventories,The number of vulnerable auxiliary systems is
reduced to a minimum,
The speed (rpm) of the Azipod propulsion motor is controlled and
changed by altering the incoming AC electric frequency,This is done
by ACS 600 Marine Drive,which has features as follows,water cooling,
low voltage (690V),and full nominal torque from zero speed to the
maximum propeller speed in both rotation directions,
2009年 7月 31日星期五 71
Compact Azipod? Propulsion Unit
The new Compact Azipod
propulsion system was developed
with the experience gained from
existing Azipod Units,Compact
Azipod is designed for a power
range from 400 kW up to 5 MW
to meet the constantly growing
demand for enhanced
manoeuvrability and operation
economy also for smaller vessels,
The latest marine propulsion
technology combined with
standardised designs makes the
new Compact Azipod series
attractive for a wide range of
merchant and offshore vessels.
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Compact Azipod? Structure
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Motor module
The Compact Azipod incorporates a permanent magnet synchronous motor
with a fixed-pitch propeller that is mounted directly onto the motor shaft,
Permanent magnet technology gives the system a number of benefits,The
outer diameter of the pod can be decreased,which improves hydrodynamic
efficiency,The uniform frame design enables the motor to be directly
cooled via convection to the surrounding seawater without using any
additional cooling media.
Strut module acts as a connective element in Compact Azipod structure,
Control cables,piping and power supply bus bars for propulsion motor are
located inside the one-piece cast strut module,
Power transmission and steering module consists of local control and
equipment box,cable drum (slipring unit as an option),steering motors with
gearboxes and assembly block,see Figure 5,This module is located inside
the hull of the ship,
Compact Azipod? Structure
2009年 7月 31日星期五 74
瑞典 KAMEWA ―美人鱼,（ Mermaid）
2009年 7月 31日星期五 75
―美人鱼,装置的结构
电力装臵部分由以下设备和部件组成：
– 发电机组；
– 双绕组电动机，功率最大可达数十兆瓦；
– 滑环装臵及其相关的冷却室；
– 功率转换器传动箱；
– 主配电板；
– 船舶管理系统，包括电力管理系统；
– 谐波过滤系统；
– 动力定位系统；
– 综合监控系统；
2009年 7月 31日星期五 76
―美人鱼,装置的类型和用途
牵引式（ Pulling Mermaid）,适用于高速双螺旋桨船，如客滚船和豪华游船等
顶推式（ Pushing Mermaid）,适用于中速单螺旋桨船
高推力顶推式（ High Thrust Pushing Mermaid）,用于需要最大系柱拉力的低速船，如拖轮、近海工程船和海洋平台等。
,美人鱼,电力推进装臵可用于油轮、车客渡船、滚装船、豪华游船、拖轮、近海工程船和半潜式海洋平台以及军用舰船等。
2009年 7月 31日星期五 77
―美人鱼,装置的主要优点
机动性好,―美人鱼,电力推进装臵配备了阿尔斯通公司的动力定位系统和自动化操纵系统，推进装臵可进行 360° 全回转，功率冗余度大，定位能力强，具有船舶快速横移和紧急停船能力，机动性非常好。
运行安全可靠,整个推进装臵的机械零部件降低到最少程度，省掉了齿轮箱和大量的轴承、轴系、舵和螺旋桨支架，电动机安装在一个附装在船体上的水动力优化的壳体内，所以功率的机械损耗少，加上推进装臵相对于船体线型的位臵和角度的优化，使推进装臵的效率提高 15%，这意味着可相应地降低推进装臵的功率，试验表明船舶的航速可达 30节并且可进一步提高
推进装臵占用船舶的容积减小，从而增加了装载舱容
安装简便，可缩短船舶的建造周期
噪声和振动降低到最低，旅客和船员舒适。这一优点还意味着根据船舶用途可增加甲板装载能力和扩大舱室设臵区域。
操作、维修简便 用户可在供应合同中选择专用安装维修工具。卡米瓦公司在转向推力器方面的专有技术，利用一个闭锁回转装臵可使检查和维修人员安全地进入心脏部位进行检查和拆卸桨叶或整个螺旋桨、轴密封或整个导流罩而无需进坞。这样，船舶可保持不间断运营，获得全寿命期内最长的营运时间，降低维修费用，提高运营收益。
2009年 7月 31日星期五 78
―美人鱼,装置的应用
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船舶动力装置设计的特点和主要要求
2009年 7月 31日星期五 80
设计的特点
须符合船舶的特殊使用条件 —— 船用条件，包括环境条件、
空间条件。
须设计成具有必要的目标任务条件和合适的保障条件，包括营运条件、作业条件、研究条件及工作条件、生活条件和生存条件。
须全面地综合地进行设计、进行通盘考虑，包括动力装置与总体性能、动力装置与其他专业、动力装置内部各子系统之间的综合平衡和匹配，以实现预定的技术经济指标。
须全面掌握动力装置所覆盖的各技术领域，如船舶推进技术、热能转换技术、电气技术、安全技术、消防技术、防污染技术、冷藏技术、通风和空调技术、仿真技术以及人员生活、生存技术等。
受控于国际公约、规则、船级社规范、船旗国法规等要求和约束。
须根据市场经济的特点，对设备的选用和配套应在目标成本的控制下进行。
2009年 7月 31日星期五 81
原则要求
1,营运经济性
2,可靠性 (冗余度 )
3．操纵性 (操纵简单,管理方便 )
4．可维性 (设备的结构形式 \系统与管路的布臵应使维修方便简捷 )
5．建造经济性
6．重量、尺寸指标
7．振动、噪声指标
2009年 7月 31日星期五 82
具体要求
符合任务书或规格书或合同文本对动力装臵的要求。
符合船舶总体性能对动力装臵的要求。
符合该船所入船级的船级社规范的要求。
符合该船登记国 (船旗国 )的有关法规。如挂中国旗，应符合,船舶和海上设施法定检验规范,,
符合该船受控的国际公约、规则的要求 (Solas公约、
MARPOL公约 )。
符合该船营运中所涉水域或港口的有关规定（如进入美国水域或专属经济区则应符合美国海岸警卫队 USCG的规则；巴拿马运河规则等）。
符合设备厂规定或推荐的系统设计要求，或与其协调，
以最终满足具体船舶的要求
2009年 7月 31日星期五 83
船舶动力装置设计的主要内容
2009年 7月 31日星期五 84
主要内容
(1)主推进系统设计。包括主机选型、主机及齿轮箱配套、
主机及齿轮箱和调距桨配套等；
(2)轴系设计； ·
(3)电站设计 (主电站及应急电站 )；
(4)热源系统设计 (蒸汽、热媒油等 )；
(5)动力系统设计 (燃油、滑油、冷却水、压缩空气、进排气、加热蒸汽或热媒油等系统 )和辅助设备选择；
(6)船舶系统设计 (疏排水系统，注入、测量、空气系统，
供水系统，舱底水系统，压载水系统，消防系统等，以及油船、液化气船和化学品船的专用系统 )；
(7)自动控制、监测、报警系统设计；
(8)防污染系统设计 (机舱防油污系统、油船防油污系统、
生活污水防污染系统及防止有毒液体物质污染系统等 )；
(9)机舱通风系统设计。
2009年 7月 31日星期五 85
船舶动力装置设计的阶段划分方案设计或初步设计技术设计施工设计报价设计及合同设计详细设计生产设计
2009年 7月 31日星期五 86
报价设计与合同设计船东仅提供造船的主要要求船东提供招标书船东提供任务书船东提供造船合同规格书第 1阶段合同设计方案设计初步设计报价设计合同设计船舶动力装置的技术、经济及性能指标
2009年 7月 31日星期五 88
船舶动力装置的技术、经济及性能指标
技术指标 代表整套动力装臵技术装备总指标。包括功率指标 ﹑ 质量指标和尺寸指标。
经济指标 代表燃料在该动力装臵中的热能转换率。
有燃料消耗率 ﹑ 装臵总效率 ﹑ 推进装臵热效率 ﹑ 每海里航程燃料耗量及动力装臵的运转 -维修经济性。
性能指标 代表动力装臵在接受命令，执行任务中的服从性 ﹑ 坚固性和对外界条件 ﹑ 工作人员的依赖性。
因此它包括机动性 ﹑ 可靠性 ﹑ 自动远操作性能 ﹑ 牵拽性能以及噪声振动的控制等指标。
2009年 7月 31日星期五 89
技术指标功率指标船舶有效功率 主机输出功率 相对功率
C
VP s
e
33/2
它表示船舶作功的能力。为了保证船舶具有一定的航行速度，就要求推进装置提供足够的功率。而动力装置的功率是按船舶的最大航速来确定的
se VRP
kWVRP
ds
s
b
310
tkWPP br /
2009年 7月 31日星期五 90
推进装置功率传递过程推力功率 收到功率 轴功率最大持续功率 Pmc
指示功率 Pi主机额定功率船舶有效功率主机摩擦损失及带动辅机所消耗的功率考虑持久系数及温湿度修正后的功率传动设备及各种轴承所消耗的功率尾轴承及其密封装置所消耗的功率螺旋桨与水的摩擦及尾流动能所损失的功率由推力减额及伴流等船体影响所损失的功率
2009年 7月 31日星期五 91
柴油机指示功率 Pi(IHP)
额定功率 PB(BHP) PB=Pi·ηn ηn—主机机械效率
桨收到功率 PD(DHP) PD=PB·ηw·ηs
ηw—尾管装臵的效率 0.985~0.99 ηs—轴系的效率,0.98
推力功率 PT PT=PD·ηO·ηr
ηO—桨的敞水效率,0.55~0.65
ηr—相对旋转效率 0.96~1.05
船体有效功率 PR PR=PT·ηh
ηh—船身效率 0.95~1.1
总推进效率 ηΣ
推进装置功率传递过程
uu
t
HBHB
P
3 6 0 0
3 6 0 0
iuZi HBP?3600
11 th
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推进装置功率传递过程
2009年 7月 31日星期五 93
重量指标主机单位重量装置单位重量主机相对重量装置相对重量重量指标是相对于主机功率或者船舶的排水量而言动力装置重量有三个不同的内涵，即动力装置干重 (代表所有的机器、设备和管系的重量，不包括内部的工质和消耗物品及其存储量 )、湿重 (包括其内部所装工质和消耗物品重量，但不包括消耗品存储量和总重 (包括上述全部重量 )。计算时常用湿重。
k g / k W
b
zz
P
Gg?
k g / t zzr Gg
k g / k W
bP
Gg?
k g /t Gg r
2009年 7月 31日星期五 94
面积饱和度容积饱和度尺寸指标主机燃料消耗率动力装置燃料消耗率推进装置的有效热效率每海里航程的燃料消耗量经济指标对于不同的船舶，对机舱尺寸要求也不统一，为了表征机舱的面积和容积利用率的情况指在单位时间内主机单位有效功率所消耗的燃料量主机、辅机、锅炉每小时燃料总耗量推进装置有效功和所消耗的热之比节能投资的经济标准
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2k W/ mSPK bs?
3k W/ mVPK bv?
2009年 7月 31日星期五 95
每海里航程的燃料消耗量
s
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BB
V
Pb
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tB
V
B
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m i l ek g / n
经济航速：
节能航速
最低营运费用航速
最大盈利航速
。 Tips:此项经济指标与船舶营运管理水平和轮机管理水平 密切相关
h)k g / ( k W
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Vbb
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Vss gfszn V BBVbCb 22
3/2
2009年 7月 31日星期五 96
性能指标动力装置机动性动力装置自动化程度动力装置可靠性动力性和配合性能噪声的控制和有害振动的预防性能指标
动力装置的性能指标由多方面因素综合而成,
主机形式
燃料种类
发动机工作参数
动力装置热线图形式
推进传动形式
主要辅助设备形式等
起动性能,2~10min
28s由一舷 35° 至另一舷 30°
倒车性能,2~10s
停车,2~5min,船滑行的距离，
货船小于 6L，客船 4L
2009年 7月 31日星期五 97
对船舶动力装置的要求
机电设备安全可靠
经济性好
具有一定的 续航力
是指船舶不需要到基地或港口去补充任何物质所能航行的最大距离或最长时间
与动力装臵的经济性、每海里航程燃料消耗及其它物质的贮备等有关
与用途、航区有关；
良好的操纵性
主辅机选型合理
其他,机桨匹配、自动化、建造成本、重量与结构尺寸、
检测与维修、各种规范要求等
降低燃料消耗
采用低质廉价燃料
废热利用
2009年 7月 31日星期五 98
2009年 7月 31日星期五 99
2009年 7月 31日星期五 100
复习思考题基本思考题：
1,如何理解船舶动力装臵的含义？它有那些部分组成？
2,简述船舶动力装臵设计的特点。
3,简述船舶动力装臵的设计的主要内容。
4,简述柴油机动力装臵的特点。
5,简述船舶动力装臵的基本特性指标。
6,画简图说明推进装臵功率传递过程，并解释各个效率的含义。
7,如何理解经济航速的含义？
创新作业（课堂讨论）：
1,专业论文,查阅相关图书或网站，了解新型船舶动力装臵基本情况和发展趋势（燃气轮机推进、喷水推进、电力推进、吊舱推进,表面桨、超导磁流体,AIP等），并就某一动力装臵形式论述其基本原理、特点、应用范围及世界上著名的供应商。（注：随机抽 取 5名同学使用 PPT作课堂发言）
2,查阅相关资料，针对船舶动力装臵所涉及的内容，写出中英文专 业词汇 100个。
2009年 7月 31日星期五 101
