摘要:本文总结船舶推进技术的演变历史,介绍推进技术的发展现状,分析比较了几种新型推进技术,展望了推进技术前景。
关键词:船舶 推进技术 展望
推进器是船舶的重要部件, 它负责把船舶发动机输出的能量转化为船舶前进的动力, 提高推进器性能, 开发新型推进器一直是船舶发展的关键技术之一,一直受到广泛关注。诸多国都投入了大量的人力物力进行相关的研发,已经取得了很多重要成果。
1. 船舶推进技术的演变
自从世纪初期螺旋桨作为一种实用推进器被应用于船舶, 到现在人们己经以螺旋桨为核心发展了多种推进器形式如对转桨、导管桨、泵喷、吊舱推进器、梢部驱动推进器等。同时也有取消螺旋桨的推进方式得到发展如喷水推进和磁流体推进等。
(1)人力、畜力和风力推进。船舶从史前刳木为舟起,经历了独木舟和木板船时代,1879年世界上第一艘钢船问世后,又开始了以钢船为主的时代。船舶的推进也由19世纪的依靠人力、畜力和风力(即撑篙、划桨、摇橹、拉纤和风帆)发展到使用机器驱动。
(2)喷水推进。一种水力反作用式推进器。用装于船内的水泵自船底吸水,经喷管向后喷射受到水的反作用力而产生推力。其机械部分装于船内,得到良好保护。喷管方向可变,便于船舶操纵。但喷管因直径受限制,管路及水泵效率不高,所以整个系统效率较低,又因水泵及喷管中有水增加了船舶重量,所以很少使用。
(3)螺旋桨推进器。1807年,美国的富尔顿建成第一艘采用明轮推进的蒸汽机船“克莱蒙脱”号,时速约为 8公里/小时;1839年,第一艘装有螺旋桨推进器的蒸汽机船“阿基米德”号问世,主机功率为58.8千瓦。这种推进器充分显示出它的优越性,因而被迅速推广。 约在1910年,出现了齿轮减速、电力传动减速和液力传动减速装置。在这以后,船舶汽轮机都开始采用了减速传动方式。
1902～1903年在法国建造了一艘柴油机海峡小船;1903年,俄国建造的柴油机船“万达尔”号下水。20世纪中叶,柴油机动力装置遂成为运输船舶的主要动力装置。
英国在1947年,首先将航空用的燃气轮机改型,然后安装在海岸快艇“加特利克”号上,以代替原来的汽油机,其主机功率为1837千瓦,转速为3600转/分,经齿轮减速箱和轴系驱动螺旋桨。这种装置的单位重量仅为2.08千克/千瓦,远比其他装置轻巧。60年代先后,又出现了用燃气轮机和蒸汽轮机联合动力装置的大、中型水面军舰。 当代海军力量较强的国家,在大、中型船舰中,除功率很大的采用汽轮机动力装置外,几乎都采用燃气轮机动力装置。在民用船舶中,燃气轮机因效率比柴油机低,用得很少。
原子能的发现和利用又为船舶动力开辟了一个新的途径。1954年,美国建造的核潜艇“鹦鹉螺”号下水,功率为11025千瓦,航速33公里;现有的核动力装置都是采用压水型核反应堆汽轮机,主要用在潜艇和航空母舰上,而在民用船舶中,由于经济上的原因没有得到发展。70～80年代,为了节约能源,有些国家吸收机帆船的优点,研制一种以机为主、以帆助航的船舶。用电子计算机进行联合控制,日本建造的“新爱德丸”号便是这种节能船的代表。
(4)空气螺旋桨推进。主要用于气垫船、地效应船等特种船舶。
(5)新型的推进方式。21世纪发展起来的各种模拟鱼类游动的水下仿生推进器、磁流体或超导磁流体船舶推进技术等。
2几种推进方式的比较
自从世纪初期螺旋桨作为一种实用推进器被应用于船舶, 到现在人们己经以螺旋桨为核心发展了多种推进器形式如对转桨、导管桨、泵喷、吊舱推进器、梢部驱动推进器等。其中吊舱推进器,为电力推进的三种形式之一。
(1)船舶电力推进装置采用变频器可无极调速变频电动机,驱动全回转舵浆,使船舶获得良好的操纵行能,并应用全船电站管理系统(PMS)实施分析柴油机发电组的负荷率,有效分配与利用电能,比普通船舶节能和环保。电力推进具有低噪声、低振动、低油耗、低废气排放、长时间低速航行、机动性好、冗余度大、运行可靠、节省机舱空间等优秀性能。
吊舱式推进器(Podded Propulsor)是目前受到世界造船业广泛关注的一种新型推进装置。它在1980年代末首先被应用于工程作业船,随后被应用于大型邮船、高速集装箱船、客滚船等许多类型的船舶。可以说,吊舱式推进器的出现带来了船舶推进方式的革命性变化,同时也使历史悠久、但应用范围有限的船舶电力推进焕发出新的活力。吊舱式电力推进它大大增加了船舶设计的灵活性,可以提高有效载荷及舱容利用率;提高推进效率、改善振动与噪声性能;降低推进系统安装与维护成本,提高可靠性;国外(特别是欧洲和日本)对这种新型推进方式开展了广泛深入的研究,可以说已经处于比较成熟的阶段。
(2)喷水推进是一种特殊的船舶推进方式,与螺旋桨不同的是它不是利用推进器直接产生推力,而是利用推进泵喷出水流的反作用力推动船舶前进。与螺旋桨/轴系这一传统的推进方式的理论和应用发展相比,喷水推进进展相当缓慢主要是由于理论研究不成熟,有些关键技术没过关。例如低损失无空泡进口管道系统,高效率和大功能转换能力的推进泵,船、机、泵的有机配合,水动力性能极佳的倒航操纵装置等技术没得到解决等。
喷水推进毕竟具有(1)推进效率较高,总的推进效率可达50%~63%。(2)抗空泡能力强,高性能船多采用喷水推进。 (3)操纵性和动力定位性能优异,喷水推进船艇的操纵不需要改变主机转速,来实现舰船的转向、无级变速、驻航、倒航。这是螺旋桨推进方式无法做到的。(4)工作平稳、噪声低。(5)适应变工况能力强、主机不易过载 (6)吃水浅、浅水效应小、传动机构简单、保护性能好。(7)日常维护和保养较为简易。这是常规定距桨常规螺旋桨不及的优点。
(3)各种模拟鱼类游动的水下仿生推进器是仿生学与水下推进技术相结合的新型水下推进器,较传统的螺旋桨推进器有着低噪音、低扰动、高效率等突出优点。决定仿生推进器各个性能的重要因素之一,就是仿生推进器内部运动和动力的传动方式,液压传动是一种综合性能较好的传动方式。液压传动的仿生推进器初步试验表明,该传动方式的结构简单紧凑、驱动能力强、可移植性好、具有优良的动力特性,有着广阔的应用前景和研究价值。
(4)磁流体推进技术是90年代达到实用化的潜艇驱动技术,它与泵喷射推进同为非螺旋桨驱动方式,但它的设计概念比泵喷身推进更为超前,它不仅消除了传统的螺旋桨噪声,同时还可以抑制潜艇机械噪声和流体动力噪声的产生,推进器还因推力集中,水的紊流较小,从而减弱了磁通量的变化,可以避免被敌方磁探仪探测跟踪。可以说,磁流体推进技术是20世纪最先进的船舶驱动技术。磁流体或超导磁流体船舶推进技术取消了传统的螺旋桨、轴系、减速齿轮机构,极大地降低了噪音;推进器的磁体、电极等都是相对静止的固定装置,不受旋转机械极限功率的限制。
3推进技术展望
综合各种因素来看,由于电力推进系统诸多优越性,在未来的十五至二十年后,全电力推进系统在民用远洋船舶的使用率有望从目前不足10%越升至50%左右。我国刚制订的船舶产业政策,目标是在未来的十五年后成为世界造船强国,掌握船舶全电力推进系统的开发设计以及制造核心技术是一技术变革,只有加快民用船舶电力推进系统装备研究及产业化工作,才能在未来的市场竞争中占领制高点。
喷水推进器体积小、负荷重、保护性能好、操纵灵活、浅水状况工况好,目前已在发达国家得到了广泛应用。主要在(1)高速艇领域 如水翼艇、侧壁气垫船、高速双体船和穿浪艇,甚至大型超高速海上定班客、货船上。(2)高性能艇领域 航行在浅吃水航道下的工况多变的拖船、推船、挖泥船等船舶上。(3)操纵性和定位性能要求高的船舶 如猎潜艇、猎雷艇、扫雷艇、隐身护卫舰,(4)安静型要求的船艇 如攻击核潜艇可大大提高了军用舰艇的隐身性。 (5)两栖装甲车辆等方面将更加广泛。随着喷水推进技术中多种关键技术的突破,其应用领域将更加广泛。
超导磁流体船舶推进技术作为21世纪的舰船推进技术,取消了传统的螺旋桨、轴系、减速齿轮机构,极大地降低了噪音;推进器的磁体、电极等都是相对静止的固定装置,不受旋转机械极限功率的限制,可制造超大功率的高速舰船,理论行驶速度可达100节;布局灵活,可充分利用舱室空间,操船简便、灵活,利用超导磁体内储存的大量能量作应急电源。世界上第一艘以超导磁体作为行驶动力的新型超导电磁双体推进船在日本已经建成。此项推进技术必将在潜艇上得到广泛应用。
水下仿生推进器:随着生物流体力学,仿生机电与神经元网络控制等关键技术发展,仿生水下推进器将进一步向高速,高效,大载荷空间,高机动性,低噪声以及长航程方向发展,将会逐步实用化。
4结语
进入21世纪以后,新型船舶的发展和应用更是方兴未艾,异彩纷呈。现代航运事业和军事用途的驱动,要求现代船舶必须达到或维持高航速、高适航、高稳定性、高操纵性、高适用性和低能耗的高经济性等性能指标。到了高性能复合船型发展的年代。今天,世界高性能船舶的发展和运用在高新技术的推动下呈现出一派蓬勃的景象,新型的推进技术并将迎来广阔的发展空间。
参考文献
[1] 周伟新, 唐登海, 洪方文等.中国船舶科学研究中心推进器研究进展.《第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会论文集》,2009年.
[2] 张海明吊. 舱推进器研究开发与应用新进展.《船舶工程》2007年01期.