船舶動力系統現狀及發展趨勢

陳永道

（南京高精船用設備有限公司，江蘇南京 211103）

0 引言

船舶動力系統是船舶航行的核心部分，主要由船舶主機、軸系、軸系附件、傳動設備和推進器（螺旋槳）組成。作為主要船舶設備，船舶動力系統的價值為所有設備成本的35%，就船舶總價而言，動力系統約占20%。此外，還需考慮系統的可靠性、節能、經濟等因素。因此，船舶動力系統的發展已經成為了全球造船業關注的重點，也是世界主要造船國家競爭的關鍵。

1 船舶常規動力系統的現狀

1.1 柴油機動力系統

柴油機作為內燃機，具有啟動迅速、部分負荷運轉性能好、安全可靠、功率范圍大、效率高、技術成熟等優點。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式蒸汽機和蒸汽輪機，成為最主要的船舶動力。

根據二沖程柴油機和四沖程柴油機做主機的不同，柴油機動力系統又分為柴油機直接驅動和柴油機齒輪傳動。由于二沖程柴油機轉速低，可以直接驅動螺旋槳，實現機槳匹配，主要應用在大中型遠洋運輸船舶上。四沖程柴油機由于轉速高，需經過齒輪箱降速，再驅動軸系和螺旋槳，它主要由中速柴油機（單機驅動或多機驅動）、齒輪箱、軸系和螺旋槳（可調槳）組成，主要應用在中小型貨船、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和電力推進系統的主要設備。

從全球柴油機產品市場占有率來看，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、中國的柴油機生產廠轉讓生產許可證，得到了迅速發展。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，具備很強的系統集成設計實力和市場競爭優勢。我國船舶柴油機通過技術合作、專利或許可證引進及自主開發研制，在國內已經形成了較強的生產能力。盡管近幾年我國船舶柴油機生產已有較快發展，但我國造機企業與世界前三名造機企業的差距還非常大，企業綜合競爭能力仍較弱［1］。

1.2 燃氣輪機動力系統

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合裝置（GOGES）組合電力推進系統的大型游輪。該輪總噸為90 000 GRT，配置2臺GELM2 500燃氣輪機，驅動2臺Mermaid吊艙式電力推進器，推進功率2×19 500 kW，服務航速24節。燃氣輪機在質量和尺寸方面占有絕對的優勢，加上它優良的加速性能、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，燃氣輪機質量輕功率大、動力響應性好，如再配上柴油機組成聯合動力裝置（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，特別適應渡船的使用環境〔2〕。

2 船舶動力系統的發展趨勢

2.1 柴油機動力系統發展趨勢

a）常規柴油機的發展趨勢

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，并具有高綜合經濟效益。

b）常規柴油動力系統集成供貨被船廠、船東和設計院廣泛接受。

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

c）雙燃料發動機出現

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

2.2 電力推進系統

a）常規電力推進系統

常用船舶電力推進裝置一般由下述幾部分組成:原動機、發電機、電動機、變頻器、推進變壓器和推進器以及控制調節設備等組成。電力推進系統根據推進器的不同，可分為常規的軸槳推進，如可調槳和定距槳（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推進器。電力推進相對柴油機推進具有經濟性好、操縱性優良、節省空間、噪聲低和節能環保等優勢。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電機組的臺數和負荷，有效提高船舶的經濟性。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 常規軸槳電力推進系統圖

b）吊艙式電力推進系統

吊艙式電力推進系統是當今備受推崇的一種推進方式。它是一種全方位轉動的裝置，電動機位于吊艙內，直接驅動螺旋槳。該系統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，節省了大量的空間，減輕了自身質量，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，這種系統主要應用在科考船、豪華游船以及軍船領域。然而，近年來，ABB集團Azipod吊艙式電推系統開始在鉆井船、近海工程船、破冰船及液化天然氣（LNG）船上大量應用。在開拓市場的同時，ABB還對該系統的設計方案進行了更新。在操控方面，新一代系統完全采用電動機操舵，其控制系統也經過了升級，采用操縱桿和舵輪來控制整個吊艙。

c）電力推進系統的發展趨勢

隨著技術的進步，交流變頻調速技術得到迅速發展，從而使得電力推進系統具有布置方便、工作噪聲低、節能、易于實現自動控制等優點，在船舶電力推進系統中得到越來越廣泛的應用。

船舶電力系統和船舶電力推進系統一體化供電的船舶綜合電力系統是未來發展的新趨勢，該系統將船舶的電力系統和推進系統有機的組合在一起，把動力機械能源轉換為電力，提供給推進設備和船上的其他設備使用，使得船舶日用供電和推進供電一體化，實現電力的綜合利用和統一管理［3］。

2.3 混合動力系統

混合動力系統主要包括柴-電推進系統、柴-燃推進系統、柴-電/燃氣輪機推進系統等，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。最簡單的混合動力系統是具有PTH功能（take me home）的柴油機動力系統，該系統在常規柴油機動力系統的基礎上，采用軸帶發電機和可調槳配置。主推進柴油機故障停車的情況下，軸帶發電機作為電動機驅動螺旋槳低速航行，該系統目前越來越多地運用在單機單槳系統的船舶，如集裝箱、多用途貨船和化學品船等商用船舶上，從而大大提高了系統的可靠性。目前最先進的混合動力系統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-電推進系統提供動力，成為海事界的關注焦點。

2.4 特種推進裝置的發展和應用

隨著特種船舶，如海洋工程船、調查船、勘探船、多用途拖輪和高速客滾船的大量出現，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）可調槳推進系統

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

通過與歐洲廠家的合作，國內可調槳廠家如南京高精船用公司在消化吸收歐洲可調槳技術的基礎上，推出具有自主知識產權的可調槳產品，無論技術和品質已達到歐洲產品的水準。隨著國內可調槳技術的成熟，國內高端客戶也逐漸接受國產可調槳，開始了逐步替代進口的進程。

b）海洋工程高的發展對大功率的全回轉推進器和側推需求量增加

隨著海洋工程由近海向遠海的轉移，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和大功率的全回轉推進器和側推，從而滿足船舶在作業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、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計，配備8臺3 860 kW主機，6臺3 800 kW的全回轉推進器，以及兩臺全回轉甲板起重機（單機起重能力為1 800 t，并可聯合起升3 600 t），可實現西非和墨西哥灣海域的作業要求。

圖2 中集半潛海洋平臺

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

圖3 XDS3 600型自航式鉆井船

c）高速船出現推動大功率噴水推進系統的發展

隨著大型客船、客滾船的航速趨高，促進了噴水推進系統向大功率方向發展。近年來，大型高速渡輪（客滾船）紛紛出現，澳大利亞、日本、意大利和北歐都有代表型產品，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，未來在高速船領域內對噴水推進裝置的需求必將擴大，而增大功率、提高效率、減輕質量將成為噴水推進裝置的發展趨勢。隨著整個系統的進一步優化噴水推進將會更廣泛地應用于各類船舶〔4〕。

3 結語

綜上所述，近年來船舶動力系統在柴油機、電力推進、混合推進和推進裝置方面出現了新的技術和新的發展趨勢，特別是特種船舶和海洋作業船舶的發展，大大促進了船舶動力系統向大型化、智能化和節能環保方向發展。國內企業也意識到新型動力系統的巨大潛力，也相應進行了前期研究，并初步推出類似的技術相對成熟的產品。

［1］馮明志，吳惠忠.船舶大功率柴油機的發展與技術創新［J］.柴油機，2007，29（2）.

［2］江康源.船舶動力裝置發展的新趨勢［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的發展及應用［J］.艦船科學技術，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.