各类船舶之最佳推进系统- 广州航海高等专科学校

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各类船舶之最佳推进系统

zjouboy 2005-04-30 21:07发表 0

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1.引言

船舶推进装置对船舶营运的经济性起着决定性的作用。在选择船舶推进系统时最重要的参数是投资费用、空间要求、推进效率或相应的燃油消耗率、可靠性和在船舶营运期间推进系统的有效利用率。为了保护环境还必须限制主、辅机排气和各种废料所造成的污染。
在船舶推进装置的设计中，发动机、螺旋桨和船舶水动力特性之间的相互作用有特殊重要意义。只有考虑了它们的组合，而且整个系统配置为最佳时，船舶推进系统才称得上成本合理。
当今民船上尽管仍有些船型使用蒸汽轮机或燃气轮机，但最广泛使用的推进系统采用的是二冲程和四冲程柴油机。此外，还存在柴-电或燃-电推进装置。图1说明民船上（>2000 dwt）最广泛采用的推进主机是低速二冲程柴油机。就已交付使用的新建船舶上装机总功率而言，低速柴油机所占份额，在过去20年期间已从60%左右稳步增长到接近80%。中速和高速柴油机份额目前约为20%。过去几年蒸汽轮机和燃气轮机只占1-3%。
大多数船舶装有固定螺距螺旋桨，通常由二冲程低速柴油机直接驱动。中速和高速柴油机推进装置在大多数情况下安装可调螺距螺旋桨，可调螺距螺旋桨现在的使用范围可以涵盖所有的功率和转速。另外，还有数种特殊设计的螺旋桨系统，对某些船型有其特殊优越性。它包括喷水推进器、平旋推进器、舵式推进器和吊舱式推进装置。

2. 船舶推进系统效率

船舶推进所必需的功率由下列方程式求出：

（1）

式中：
PD = 螺旋桨收到功率
RT = 船舶总阻力
V = 船速
hD = 推进效率
推进效率取决于：螺旋桨敞水效率、综合伴流系数和推力减额系数的壳体效率，以及螺旋桨的相对旋转效率。
另一方面主机发出的功率由下列方程式求出：

式中：
mFM = 主机燃油消耗
LCV = 燃油的低热值
he = 发动机效率
hCGS = 联轴器、齿轮装置和轴线的传动效率
因此船舶推进系统的总燃油消耗mFM由下面方程式求出：

式中：是辅助设备（发电设备、加热蒸汽发生设备和污油废物燃烧设备）的燃油消耗。
因此，减少船舶阻力（RT）、改善船舶和螺旋桨水动力性能（hD）、提高主机效率（hE）和扭矩传输各单元的效率（hCGS）以及在加热设备和发电设备采用节能系统，就能达到减少船舶燃油消耗和降低燃油费用的目的。

3. 环境要求

由于船用柴油机使用低质（高硫含量）重油，提高燃烧温度可以提高燃油效率，但是燃烧温度的提高，会增加氮氧化物NOx形成量，致使废气排放率相对较高。目前正在努力减少船舶的废气排放率，特别是降低硫氧化物（SOx）和氮氧化物（NOx）的排放。
SOx排放只取决于燃料中的硫含量。1997年国际海事组织（IMO）做出规定，燃油中的含硫量最大不得超过4.5%，这对限制SOx的排放起到一定的作用。不过此值仍然较高，在某些海域（如在波罗的海沿岸国家只允许采用含硫量1.5%以下的燃油），还要求降低此值。
IMO在1997年做出规定，要在全世界范围内将船舶NOx排放量降低30%，（还未获批准）。据此规定，所有在2000年1月1日及其后铺设龙骨的新船，其NOx排放限值将随发动机转速而定，详见图2。这一规定是考虑低速发动机由于其反应时间较长NOx形成量较高这一事实。
现代船用柴油机采取一些措施后，例如设计优化的燃烧室、改进燃油系统、采用燃油注水或乳化油或排气反馈，就能达到这一限值甚至更低。在要求NOx排放量特低之处，可以采用选择性催化还原反应（SCR催化器式排气净化器），处理排放的废气。这一经过实践验证的技术（应用于动力装置）已经成功地使用在渡船和游船上。
燃气轮机推进系统不需要采取这些措施，因为船用燃气轮机使用的是几乎不含硫的高热值燃油。另一方面，为满足NOx和CO排放量特低的动力装置要求而开发的特种燃气轮机燃烧室，也可用在船上。此燃烧室同样适用于燃气轮机和蒸汽轮机联合装置（GuD）。现在正在或计划在数艘定期旅游船上安装GuD作为燃-电推进装置（COGES）。在GuD装置中，在燃气轮机的燃烧室里也燃烧燃油。

4. 船用推进系统的现状

将现有类型的发动机和推进器进行不同组合，可得到一系列可能的推进装置方案，每艘船应根据船型及其计划运输服务范围选择最佳推进系统方案。目前在民船航运中使用如下推进装置。
4.1 二冲程柴油机推进系统烧重油的低速二冲程柴油机直接驱动定距螺旋桨配置（图3）是当今民船上最通用的推进装置形式。选择螺旋桨转速具有特别重要的意义，因为随着螺旋桨转速的降低推进效率大为提高。因此，为大型高速船舶特别研制了特低转速（60-80 rpm）的二冲程柴油机。这些所谓的长冲程柴油机，冲程与缸径比为3-4，有效效率可达50%，因而燃油初级能量的直接利用率最高。此外，部分废气能量还可使用在废热锅炉内生产热水或饱和蒸汽或加热热油系统。回收的废热在船上可以用于预热目的。
在安装大功率发动机的船上，将废热锅炉生产的过热蒸汽送到涡轮发电机，提供船上所需要的电能，这样也许是经济的，但要对取代柴油发电机所节省的燃料费用与增设废热锅炉和涡轮发电装置所花的较高的基本建设投资进行对比。
现代二冲程船用柴油机的结构型式一般为4-12气缸直列式、转速约为60-200 rpm，单缸功率400-5500kW、使用恒压涡轮增压的柴油机。由于增大了冲程/缸径比，气缸换气效率得到改善，所以直流扫气被证明是最优越的换气系统。二冲程和四冲程船用柴油机的进一步发展则致力于降低生产和维护费用、降低燃油消耗、减少废气污染和缩减机舱尺寸。
定距螺旋桨推进受空化作用，螺旋桨尺寸和其在尾流中的位置受到限制。所以在推进系统中的桨越来越多的设计形式是桨叶侧斜式定距螺旋桨（图4）。与传统的定距桨相比，侧斜式定距桨具有同样好的推进特性、较好的空化性能，而在船体上形成的压力波动较小。
整个推进系统的操作性能取决于柴油机和定距桨之间的相互作用，如图5所示。在船舶整个寿命期间，从起动（海上试验条件）到特别不利条件下作业，螺旋桨特性变化范围可能很宽。全速航行时只有在发动机具有适当功率贮备时才有可能，现在选用的发动机，大多数在海上航行试验时，留有10-15%的功率贮备。
4.2 四冲程柴油机推进系统现代四冲程中速或高速柴油机推进系统（图6）相对转速较高，分别为300-1000 rpm或1000-2200 rpm。为了使螺旋桨在最佳转速下工作，需要配有减速齿轮箱。在柴油机和齿轮箱之间必须安装高弹性的弹性联轴节以防止对齿轮箱的冲击。
使用齿轮箱传动有可能使螺旋桨采用多台发动机驱动。过去就有很多船舶的推进装置装备双发动机，有时甚至配备三台或四台发动机。多发动机动力装置不仅可以提高主机的冗余度，而且具有可以采用紧凑型机械系统的优点。
采用恒压或脉冲涡轮增压系统的四冲程柴油机，通过气缸盖的进排气阀进行换气。所以四冲程中速柴油机适用燃烧重油。
恒压涡轮增压系统由于在较高负载范围内气流能量损失较少，设计有可能较为简单，因而生产费用较低。脉冲增压在部分负载和加速性能方面有其优点。
用作船舶主机的四冲程柴油机的结构型式为9-20气缸、直列式或V型布置、单缸输出功率最高达2000kW。目前的四冲程柴油机功率范围有可能全面覆盖对其作为主机所要求的功率范围，既可采用单机驱动也可采用多机驱动。尽管它们的特种燃油和维护费用稍高于二冲程机，但它们在重量和高度方面则有显著的优势。
四冲程机还特别适合于废热回收，因为它们的排气温度（330-380℃）大大高于二冲程机的排气温度（250-280℃）。因此人们正努力尽可能扩大其废热回收。
四冲程柴油机推进系统在大多数情况下选择可调螺距螺旋桨（图7）。可调螺距螺旋桨由于其叶片可以通过使用液压缸改变其位置，从而改进船舶机动性，即使在极端工作条件下例如在拖船上或在渔船上，也能保持最佳的总推进效率。配备轴带发电机的推进装置能在宽阔的负载范围内以恒速工作。可变螺距螺旋桨降低了主机的费用（无倒车装置），但其缺点是价格较贵（生产费用和维护费用高），且与定距桨相比推进效率稍低。小型或中型四冲程机通常选用的方案是将柴油机通过换向装置与定距桨相连。在主机工作期间利用两个离合器和一根中间轴可以改变螺旋桨的旋转方向。
4.3 蒸汽轮机推进系统在造船中使用蒸汽轮机推进装置因经济原因仍然受到限制（燃油消耗率高）。除了仍在营运的燃重油和燃煤蒸汽船外，运输液化天然气的LNG液货船是目前唯一的专门用蒸汽轮机推进的船型。这里有其特殊的原因，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。
在港口可以用不污染环境的方法使用蒸发的天然气，在主锅炉内燃烧天然气。辅助作业不需要的过多蒸汽，可在单独的海水冷却的常压冷凝器中冷凝。用柴油机装置要做到这一点是不可能的。按港口地方排放规则的要求，在船上必须安装昂贵的附加燃烧装置或再液化装置处理蒸发的气体。
另一点是目前还没有经充分验证的双燃料柴-燃发动机可以用在LNG液货船上。船东也必须从安全方面考虑，因此选择了经验证可靠的、无需再热或高压预热器的简单设计的蒸汽轮机装置。为这类价格昂贵的船舶选择推进系统，最重要的准则是最高的实用性。对LNG船而言燃油消耗已是不重要的经济因素。
图8所示的是LNG船上典型的蒸汽轮机推进装置。它是由转速分别为7000 rpm和4000 rpm的高压涡轮机和低压涡轮机以及带分功率输出轴的二级减速齿轮箱组成的双壳机。定距桨的转速是120rpm。过热器出口的蒸汽状态是62 bar/510℃。倒车涡轮由两级Curtis 级组成，位于低压涡轮机的排汽区。当倒车速度达到正车速度的50%时，倒车涡轮能产生相当于80%正车转矩。船用汽轮机能保持全倒车速度（70%正车速度）至少30分钟而无任何发热问题。
4.4 燃气轮机推进系统燃气轮机推进系统由于其重量/功率比小（mGT/Pe = 0.2-0.9 kg/kW)，特别适用于浅吃水流线型快速船推进系统。因此，这种推进系统越来越多地使用在快速渡船和客船上。军船装备燃气轮机推进系统已有数十年历史，常与柴油机组合以改善燃气轮机在部分负荷时的性能。
在航空用发动机和从工业涡轮机发展而来的重载燃气轮机之间有些区别。航空用发动机由于结构体积小、重量轻，易于安装。在过去数年里燃气轮机系统的实际效率一直在稳步提高。
固定式组合热电站用燃气蒸汽轮机（GuD）系统的研制成功对提高燃气轮机的效率作出了贡献。（GuD装置目前几乎占世界电站新装机容量的一半，且装机量继续上升。）
适合于船舶推进用的开式循环燃气轮机的效率已经大大得到提高，这一方面是由于添加了热交换器，用排气来预热压缩机和燃烧室之间的空气，另一方面是由于对低压和高压压缩机之间的空气进行冷却之故。这些新开发的ICR燃气轮机，在部分负载时的性能与高速柴油机相类似，且以其低NOx排放量而著名。
研制顺序燃烧的环形燃烧室也有助于提高效率，特别有助于降低废气排放量。增加涡轮机进口温度对其热动力性能有利，但此温度受到叶片的机械强度和热负荷能力以及高温腐蚀危险的限制。尽管如此，采用叶片内冷的新方法有可能进一步提高燃气轮机的进口温度。
为避免高温腐蚀，应使用钒含量低的燃料（汽油或煤油，以及在重载机情况下使用特别制备的重油）。这样一来燃料费较高，但在废气排放方面有其优势。燃气轮机装置与柴油机装置相比，其效率和性能较多地依赖于外界空气温度，因此在设计燃气轮机装置时必须考虑预期的外界空气温度分布及由此引起的功率减少。
燃气轮机还对进口空气的纯度有严格要求，因此空气通道和烟道必须要大，而且要使用另一个结构体积相对较小的发动机。在船上，燃气轮机主要作为联合装置工作。在双体船上有时使用一大一小燃气轮机组合。在快速单体船上使用柴油机与燃气轮机组合，即CODAG装置（柴-燃联合装置），在额定负荷下柴油机和燃气轮机一起工作。这时的船舶通常采用喷水推进装置（图9）。
高速船（> 25 节）使用喷水推进的优越性主要因为它在高速下相对转动效率高。另一个积极因素是它的机动特性好。它不需要舵、螺旋桨轴和倒车齿轮箱，因为用喷水器在两个方向都可能产生全速推力。与常规螺旋桨相比，喷水推进器无噪声、无振动。
4.5 柴-燃-电联合推进装置客船上的动力装置不仅用作推进装置，而且还必须为船上客舱服务提供所需要的可观的电力和热力，与此同时还应使旅客受到尽可能少的噪声、振动和排气烟雾的影响。由于快速运输旅客不再如此重要，这种船的营运方式发生了变化。速度变化很大，而且取决于具体的航行计划。为满足这些要求，客船往往装柴-电推进装置。电力驱动电动机易于调节，不用齿轮箱装置，直接操纵螺旋桨。驱动电动机和客舱经营所需要的电力，通常由适当规格的柴油发电机供应。由于与驱动电动机不需要机械联接，只要电气联接，因此发电装置可以安装在船上任何地方，例如在螺旋桨轴上方，这样可使机舱紧凑。为获得良好的机动性，通常在船头或船尾安装侧推器。热能通常从组合式辅助废热锅炉获取。
大约自1995年以来，一种新的推进系统吊舱式电力推进（POD）一直在运行中积累经验。在此系统中，交流驱动电动机挂在船尾下的吊舱内，由一台变频器供电和控制。吊舱带动螺旋桨，可旋转整个360°，因而可在任何需要的方向产生推力，不需要舵和侧推器，而机动性有所增加。由于驱动电动机位于船体之外，因而也不需要轴和轴架，这意味着在船尾有额外的空间。螺旋桨还能布置得顺应水流，从而获得较高的推进效率，由于减少了附体的阻力，推进效率轻而易举地提高了10%。由于吊舱浸在海水中直接向外散热，故驱动电动机不需要冷却。POD推进正在建造成双装置（图10）或单装置（图11）。
可以安装涡轮发电机代替柴油发电机发电。数艘正在建造的旅游船安装的是燃气-蒸汽轮机联合装置（COGES）。为冗余度的原因，像通常在固定式GuD装置一样，COGES推进装置由两台燃气轮机组成，每台带一台废气锅炉生产过热蒸汽送到蒸汽轮机。需要的电力则由三台涡轮发电机生产。供暖和热水由蒸汽轮机提供。COGES推进系统与柴-电装置相比，最显著的优点是涡轮机运转较平稳、重量较轻和空间要求较小。在起动或机动期间当出现明显的负荷大幅度变化时（例如：倒车和停车机动时），燃气轮机能较快地达到运转性能也是其一大优点。因使用昂贵燃料而使运行费用增高这一缺点，可以因减小机舱尺寸（意味着客舱增多）和大大降低废气排放量而得到补偿。燃气轮机－蒸汽轮机装置相对较高的热效率与装置的尺寸有关。在现代燃气轮机－蒸汽轮机联合动力装置的热效率可达58%，在高性能船舶上，其热效率可达45-50%。如今COGES推进装置独特的优势主要体现在客船和渡船上。

5. 革新的传动部件

发动机装置产生的机械能，通过齿轮箱（在需要之处）、联轴节和轴传递到螺旋桨，而由螺旋桨产生的推动船舶前进的推力，则通过推力轴承和底座传送到船体结构。这些传递动力和推力所必需的机械部件的工作特性，不仅对推进装置在连续工作期间的静态性能，而且也对动态性能（例如：扭振和纵向振动）和非静态工况（例如：倒车和停车机动）也是很重要的。正因为如此，这些部件的制造厂商正在进行的研究和开发工作，主要集中在针对船舶营运的特殊要求，进一步优化传动系统。
5.1 齿轮箱采用齿轮箱装置意味着可以根据效率、尺寸和重量选择发动机和推进器的最佳速度。当今，由于蒸汽轮机和燃气轮机推进系统以及中速和高速四冲程柴油机的转速高，几乎都采用紧凑的齿轮装置。由于所用的速度组合存在着很大差异，因而船用齿轮的设计差别很大。随着推进功率的增加，对船用齿轮箱的要求也在增加。除了要求疲劳强度高以外，还要求噪声低和重量轻。
在蒸汽轮机装置中，齿轮箱允许双壳机，其高压涡轮机和低压涡轮机设计时各有其最佳速度。由于涡轮装置要求齿轮箱有高的传动比，所以需要两级或三级传动齿轮箱。最合适的是两级联式减速齿轮箱，在高压侧和低压侧分别设置动力传递路线，在要求更高的动力传递时，采用二级联式齿轮箱串联布置或功率分轴式二级减速齿轮最为合适。通过使用弹性扭力轴保证负荷分配均匀。当在高压侧因涡轮转速高或螺旋桨转速特低（例如：油船上60-80rpm）时，就要配置三级减速齿轮箱，还要采用行星齿轮作为第一级减速。
由于所有各类船舶要求的推进概念大不相同，为柴油机动力装置已开发了很多型号的齿轮箱。齿轮箱每级的减速比可能达到8:1左右，所以不同转速、不同功率的四冲程柴油机均可采用单级齿轮箱。然而由于空间限制及在特殊情况下，则选择两级同轴齿轮箱或行星齿轮箱。多机装置一般具有两台有时三台偶尔四台柴油机，要求特殊结构的齿轮箱。在这些齿轮箱中，首要考虑的是输入轴与输出轴布置，结构要尽可能的紧凑、外形符合船舶轮廓（图6）。
四冲程柴油机-定距桨推进传动装置要求安装倒车减速齿轮箱，在运行期间通过两套组合式离合器和一根中间轴，螺旋桨可以反向转动（图13）。倒车齿轮箱主要配备的功率范围在5MW以内。在特种船（如渔船）上使用增压式柴油机，使倒车和停车机动用齿轮箱装置所需的部件得到进一步发展。例如，为优化齿轮箱液压传动而研制的新型先导阀，已使切换和倒车工况能适应高增压柴油机的性能曲线，并改善了其适应性，这就意味着在柴油机和齿轮箱不过载条件下缩短了船舶停车距离和时间。借助于模拟程序能模拟倒车和停车机动工况，确定各个部件上的最终尖峰负荷，并按高可靠性要求来设计这些部件。
某些船舶由于其所从事的商务性质，有时需要在特别低的速度下航行。为这些船已研制出回旋系统齿轮箱。这里，离合器的液压控制可以调整离合器使之能经常以高差速工作。通过耦合压力，螺旋桨速度能调节到大大低于发动机的最低转速，并通过电子性能监控器进行控制。
在采用柴油机装置－齿轮箱－变螺距螺旋桨动力装置中，有一种日益增长的趋势，即系统方案开发。其目的是提供一种推进装置，其各部件（如：齿轮箱、轴、可变螺距螺旋桨）的运转状态同步，并且能与共同的供应和操作系统（如：油料系统、控制系统、监视系统）相联接。这样可减少辅助系统的配置数量，也可改善推进系统的工作性能。
对于船用齿轮箱，常常要求配备高速分功率输出装置（PTO）（图14），用来驱动发电机、泵或其它工作机械。这种做法经济上特别合算。因为主机和辅机不一样，它燃烧重油，如果发电机作为发动机工作，额外的驱动动力可以通过分功率输入装置（PT1）传递给螺旋桨轴。当主机不能工作且通过联轴节与螺旋桨轴分开时，输入的功率也能用于回旋作业或返航的动力。空轴齿轮箱是一种非常特殊的结构型式，它是为直接驱动螺旋桨的二冲程柴油机研制的。使用这种齿轮箱，主机也可以驱动轴带发电机。
尺寸和功率更大的快速渡船的推进系统也有了变化。现在越来越多的快速渡船采用高速柴油机或燃气轮机驱动的喷水推进装置。这些推进系统对齿轮箱有特殊的要求。这些要求主要是：传递功率大、偏差尽可能小、减速比在5:1和2:1之间、重量/功率比小、尺寸小，以及设置分功率输出/输入装置。
为这些非常规船舶已经专门研制了新型齿轮箱，铝合金制成的外壳、贵重材料做成的传动部件以及优化的齿轮啮合结构。
引进新型材料和改变结构要求，也促进了新的FEM评定法的发展，这种方法允许拓扑确定齿型校正和外壳变形。用这种方法也能确定来自齿啮合时接触的动力。通过对整个系统的动态方面的评定，人们能够获得那些与装置寿命周期有关的部件尺寸。这将进一步提高船用齿轮箱使用性和可靠性。
5.2 联轴器在船舶工程中联轴器要完成多种任务。在推进装置中它的主要目的是传递功率和扭矩，抵消径向、轴向和角度误差，补偿旋转动量的振荡，影响推进系统的固有频率，连机和脱机，在起动和倒车时调节推进功率，以及提供防过载保护。在船舶工程中使用着很多不同型式的联轴器，各自完成一种或数种任务。如图15所示，联轴器和离合器之间各有不同的特征。
刚性联轴节用作不同轴段之间的连接部件（如：凸缘联轴节、套筒联轴节）或直接将低速柴油机与轴相连（凸缘联轴节）。挠性联轴节是船舶推进系统中最广泛使用的联轴节。
涡轮装置由于机器转速高，使用金属联轴节（齿形联轴节，钢质片式联轴节），它能补偿涡轮机因热膨胀而出现的轴向偏差。它还可以平衡掉涡轮和齿轮箱轴承之间的高度差，如采用倾斜联接套筒的曲线齿联轴器。此时应注意齿轮箱轴承与涡轮输出轴之间的距离，确定联接套筒的长度。图16所示船用蒸汽轮机中曲线齿联轴节，此使用的套筒长度为600mm。齿形联轴节充油，但其减振效果差。
柴油机装置最好采用橡胶联轴节或簧片联轴器（图17），这主要是因为这些联轴节具有很好的轴向、径向和角度偏移的校正能力和相当好的阻尼特性。涉及系统动态性能方面，弹性联轴节的一个至关重要的特征是其抗扭刚度。其抗扭性能在相当宽的范围内变化，这一性能取决于橡胶元件或弹簧装置的性能。因此在早期规划阶段应考虑整个推进系统的固有扭转频率，使传动系统在工作期间不会出现任何与发动机和螺旋桨的激振频率发生共振的现象。
为了解决空载时齿轮噪声问题，已经为推进装置研制成功一新型抗扭弹性联轴节，抗扭力矩可达5 kNm左右。这种联轴器在其工作范围内具有两个不同的刚性区，在联轴节低载期间用低刚性的第一级，此时传动系统的第一个固有频率大大低于发动机的工作转速，因而能避免在此范围内因共振引起齿轮噪声。随着负载增加，另一个具渐进特性的橡胶元件发生作用，将抗扭刚性增加到额定负载所要求的值。
用硅胶制成的弹性元件也能获得类似的特性。在联轴节内因此可能允许有较高的工作温度，这一点对推进装置是非常重要的。
双锥体离合器或多片离合器也适合用作联轴器，但在推进装置工作期间不能调节。气动的双锥体离合器（图18）可以配备附加的橡胶元件，用作弹性联轴节。
液压操作的多片离合器由于其结构紧凑特别适合集成于齿轮箱内。其可传递扭矩相对较高，但这取决于离合器中钢盘盘片或粉末冶金盘的大小、数量和磨擦系数，以及液压设备的工作压力。
液压联轴器在某些特殊要求的船上（如破冰船、拖船）也得到应用，它被用作离合器，在工作期间也可调节。这种离合器的优点是无磨损传递力矩、无负载起动和加速、减振性能和限制力矩峰值。它的一个很大缺点是系统产生损耗，即使在稳定负载条件下也有损耗，这种损耗不得不以热能形式由冷却油带走。在某些船上，在齿轮的PTO轴和轴带发电机之间装液压联轴节。液压联轴节也曾经安装在一系列具有废热回收系统涡轮发电机的船上，装在PTI齿轮箱进口处。
5.3 轴系轴系的结构和布置取决于主机的类型和位置、船型和螺旋桨的数量（单轴或多轴）。轴系（图19）的各段是螺旋桨轴、传动轴和止推轴承轴（如安装）。在可调螺距螺旋桨装置中使用空心轴。在某些快速渡船上已经成功地使用玻璃钢制成的传动轴。
在各轴段之间使用固定的或可拆式法兰接头和联轴节（如油压套筒联轴节）作为连接元件。各轴段及其连接元件的尺寸必须符合入级的船级社的规范要求。使用带键的传统锥形连接法或者现在新建船舶通常使用的油液压过盈套合法（无键螺旋桨），将螺旋桨安装在螺旋桨轴的最末端。
轴向止推轴承座应将螺旋桨产生的向前或向后的推力传递到船体结构上。在高速和中速柴油机推进装置中，螺旋桨推力通常由在齿轮箱中调心滚柱轴承的径向或轴向止推轴承座承接。在推进功率大的地方最好用普通滑动轴承，它安装在齿轮箱中或基板上（在二冲程机情况下）或者用作独立式单环止推轴承。
在齿轮箱和尾轴管或发动机和尾轴管之间轴系的径向轴承通常采用数个轴颈轴承代替普通滑动轴承或滚柱轴承。轴承的数量和布置由轴的长度和直径、轴的抗弯振动性能、轴的静态弯曲线以及弯曲应力和轴承支撑座的强度决定。为降低费用和灵活传动，建议尽可能少用轴承。普通滑动轴承主要用于较大的推进装置，滚柱轴承主要用于较小的装置。尾轴管轴承和密封比较特别，它比其它轴承要坚固得多，因为它必须承受较大的负载，还要承受螺旋桨引起的突然冲击力（如在汹涌海浪中和突发事故时）。
尾轴管密封有各种不同的技术解决办法。在大多数船上用单工（制）结构，尾部轴封保护尾轴管不进海水。尾轴管内压取决于船舶吃水（图20），尾轴管内充油，抬高油箱可以调节油压，使之高于外部水压。与环境有关的一项特别有意义的发展是单工紧凑空域（Simplex Compact Airspace)尾轴管密封。
另外，充压并可调压的中间腔将油和海水隔开，即使在事故情况下海水也不能进入船内，油也不能溢出船外。

6. 船舶营运的安全和可靠性

在选择船舶推进系统时，要求将最高的安全标准和船舶营运可靠性绝对放在第一位，因为推进装置故障马上会危及船舶、船上人员和货物安全。为减少这种危险，应在设计阶段尽早地考虑船舶营运的特殊要求。除了可能的气候差别和频繁的船上困难工况外，还要考虑船舶运动、变形、加速以及主机和螺旋桨产生的振动。
推进系统总的来说是能够被激振而产生扭振、纵向振动和弯曲振动，应对每个推进装置进行仔细的振动分析。在船舶推进系统中扭振是最明显的，因此在规划阶段就必须尽早地评估推进装置强制阻尼的扭振特性，目的是防止发动机或螺旋桨激振频率和系统的固有频率共振和引起不可接受的高振动级。从发动机制造厂、船厂和船级社可以得到评估推进装置扭振情况的模拟程序，这种模拟甚至能够可靠地确定特别复杂的分支系统（诸如具有特殊齿轮系统和附加PTI和PTO接头的多机装置）的振动性能。
在建造机械系统过程中必须考虑船舶在汹涌海浪中出现的运动和加速。它们对燃油系统、滑油系统、控制油系统和供水系统，以及对轴承和机械部件的机座等等都有影响。建造海军舰船有专门的振动规则，这些规则要求舰船设计允许比民船更高的附加加速度。
船上气候差别可能很大，取决于其营运航线。气候会影响推进装置的性能和发动机功率输出，特别是外部空气和水温。燃气轮机受此影响最大，对蒸汽轮机和柴油机的影响小一点。
经验表明，对推进装置的利用率有决定意义的是选择正确的维护原则，这个原则应保证在维修费用尽可能低的条件下利用率尽可能高，各个元件或部件的寿命周期在推进系统中起重要的作用。在推进装置的使用期限内或多或少总会出现一些意外故障，譬如因操作错误或外界干扰引起的故障。此外，当装置投入运行后可能会出现早期故障，这往往是由于结构或材料错误或加工或装配缺陷引起的。在装置长期运行之后，因磨损或材料疲劳而导致的后期故障也必须加到意外故障清单内。
发动机和部件制造厂要尽最大的努力（如质量控制）尽可能消除早期故障。提高防意外事故水平最好靠船主（如进行人员培训）。后期故障依靠合理的预防性的维护可以降低到最低限度，制造厂、船厂和船东必须密切合作进行规划。
最后但不是最不重要的一点，日益增加的航运自动化已经提高了船舶推进装置的利用率，自动操作不仅带来认真仔细地使用主、辅机，而且减少了因误操作所造成的故障次数。

7. 工业界和科学界之间市场定向合作

在工业界和科学界之间定向于实际应用技术经济需求的密切合作，是德国长期存在的传统。一方面在制造厂、船厂和船东之间，另一方面和技术院校或研究所进行很多各种形式的合作，完成复杂的研究课题。
例如：来自汉诺威和汉堡各大学和来自德国劳氏船级社和汉堡拖曳试验水池协会（HSVA）的100多名工程技术人员一起工作了15年以上，完成了由德国研究协会（DFG）发起的涉及大型高速商船的安全和经济的一项专门研究课题。
由于最近几年来船舶尺度和速度急剧增加，迫切要求对大范围的边缘学科问题进行科学分析。分析研究结果曾公布在DFG的最终报告内。
再一个德国的重要联合船舶技术研究项目例子是1995年完成的“未来船舶”和“未来船用推进系统”项目和 “船舶操作系统”研究和发展项目。所有项目都是由“德国研究技术部”发起的。船东、船厂和发动机或设备制造厂都参加到这三项项目中，参加的还有德国劳氏船级社、大专院校和其它研究单位。研究结果都直接应用于工业，并已经作为新产品或造船新方法得到了实际应用。这些项目的优越性之一是大学生和研究院的科学家都参加进去了，实现了年轻的工程技术人才在实践中锻练的理想。工业界和科学界之间的合作既有效又经济，院校有高性能的试验设备，对工业很有利。
图21示出汉堡-哈堡理工大学（TUHH）一台试验装置，它是同类设备中第一流的。它包含一台四冲程柴油机（400kW），带有抗扭弹性联轴节或液压动态联轴节、换向装置、扭轴和可控硅控制的电机。使用一台变流器能模拟船舶螺旋桨在整个四象限特性范围内静态和动态特性。在与工业伙伴的合作中曾用这台装置进行过一系列试验，包括：在发动机不点火期间挠性联轴节的振动特性试验；发动机弹性安装可能性试验；带调速盘式离合器的船用换向装置研制试验；柴油机和齿轮箱诊断系统研制试验；在机动过程中推进装置工作性能试验；以及船用发动机使用氢的试验。
在TUHH的另一台试验装置上正在工作着一台由德国轮机制造商投资的研究用柴油机（图22）。这是一台单缸试验机，是目前该型号中最大的一台，点火压力达250 bar，有效平均压力达30 bar。单缸输出可增大到最大700kW。在一项有德国所有轮机制造商参加的联合研究项目中，计划进行柴油机燃油燃烧最佳化试验和减少废气排放污染物试验。
（陈国敏译）

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