介紹幾種船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置及其性能評(píng)價(jià)方法

賀江鷗

【摘 要】為了讓讀者更好地了解船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，本文介紹了幾種船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置的工作原理。針對(duì)船舶動(dòng)力裝置的工作特點(diǎn)，提出了對(duì)不同類型推進(jìn)裝置性能好壞的評(píng)價(jià)方法，可為船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置的選擇和設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】船舶；動(dòng)力推進(jìn)裝置；技術(shù)特點(diǎn)；評(píng)價(jià)方法

中圖分類號(hào)： U664.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0038-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.016

Introduction of several propulsion power plants for ships and their performance evaluation methods

HE Jiang-ou

（Middle School Attached to Huazhong University of Science and Technology， Hubei Wuhan 430074， China）

【Abstract】In order to give readers a better understanding of the development status of propulsion power plant for ships， the working principle of several kinds of propulsion power plants was introduced. Aiming at their working characteristics， the performance evaluation methods for different kinds of propulsion power plants were presented， which can provide reference for the selection and design of a marine propulsion power plant.

【Key words】Ships； Propulsion power plant； Technical feature； Evaluation methods

0 引言

在江河海洋中穿梭著各種類型的船舶，有航空母艦、潛艇、驅(qū)逐艦等軍用船舶，也有貨船、客船等民用船舶。按船舶在水中航行的位置可分為水面船舶和水下船舶。船舶之所以能在水里航行是由于船舶上裝有動(dòng)力推進(jìn)裝置。不同的船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置有著不同的特點(diǎn)。

1 幾種常見的船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置

1.1 螺旋槳推進(jìn)裝置

目前使用最為普遍的是螺旋槳推進(jìn)裝置。該裝置自19世紀(jì)60年代開始應(yīng)用。螺旋槳通常裝在船的尾部，螺旋槳與船的尾軸的連接部分成為槳轂，槳葉就固定在槳轂上。船用螺旋槳槳葉的數(shù)目通常為3葉、4葉或5葉，一些軍用船舶可達(dá)6～7葉，各葉片間所夾角度相等[1]。槳葉靠近船舶的一面稱為葉面（壓力面），另一面稱為葉背（吸力面）。該裝置的工作原理是：原動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)槳葉做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)可提升流體的動(dòng)能，進(jìn)而獲得船舶運(yùn)動(dòng)所需的推力。

該裝置的主要特點(diǎn)有：

（1）螺旋槳在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)容易產(chǎn)生空泡，會(huì)降低螺旋槳的推進(jìn)效率，并產(chǎn)生較大的振動(dòng)和噪聲；由于推進(jìn)效率低，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的船舶；

（2）需要較長(zhǎng)的傳動(dòng)軸系，對(duì)軸系與外部密封的可靠性要求較高；

（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

1.2 噴水動(dòng)力推進(jìn)裝置

噴水推進(jìn)裝置最早是在1661年由英國(guó)人圖古德和海斯發(fā)明，經(jīng)過300多年的演變，技術(shù)逐漸成熟[1]。目前，噴水動(dòng)力推進(jìn)裝置大多采用軸流泵或混流泵產(chǎn)生低壓大流量的流體[2-3]，如圖1所示。該裝置的工作原理是：利用軸流泵或混流泵實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換并提升流體的動(dòng)能，推進(jìn)器出口和進(jìn)口流體動(dòng)量的增加形成使船舶運(yùn)動(dòng)所需要的推力。

該裝置的主要特點(diǎn)是：

（1）抗空泡性能好，適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)的船舶；

（2）低速航行時(shí)操縱性能好，可實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)；但是，在航速較低時(shí)，其推進(jìn)效率比傳統(tǒng)螺旋槳低；

（3）體積和重量大，價(jià)格較高。

1.3 電磁推進(jìn)裝置

電磁推進(jìn)裝置是利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)的物理學(xué)原理而產(chǎn)生的一種推進(jìn)技術(shù)，其基本原理是將電磁能轉(zhuǎn)換為海水的動(dòng)能，進(jìn)而對(duì)船舶產(chǎn)生一定的推力。

在該裝置中，導(dǎo)電性能好的海水作為通電導(dǎo)體，由電池提供一定的電流。當(dāng)帶電海水位于垂直于液面的磁場(chǎng)中時(shí)，依據(jù)左手定則，海水將因受到磁場(chǎng)力的作用而運(yùn)動(dòng)，船舶運(yùn)動(dòng)的方向與海水運(yùn)動(dòng)的方向相反。當(dāng)改變電場(chǎng)或磁場(chǎng)的方向時(shí)，海水和船舶運(yùn)動(dòng)的方向都會(huì)發(fā)生改變。圖2所示為電磁推進(jìn)船的工作原理圖。

電磁推進(jìn)裝置早期采用的電導(dǎo)線圈由于產(chǎn)生的磁場(chǎng)弱，產(chǎn)生的推力有限，限制了該技術(shù)的運(yùn)用。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)磁感應(yīng)線圈可產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，使得電磁推進(jìn)裝置產(chǎn)生的推力能夠推動(dòng)較大型的船舶[4]。

該裝置的主要特點(diǎn)是：

（1）該裝置沒有傳統(tǒng)的螺旋槳中的高速運(yùn)動(dòng)部件，振動(dòng)小、噪聲低。

（2）抗污染性能好。該推進(jìn)裝置受海洋環(huán)境中泥沙、水生植物及其它污染物的影響很小，可靠性高。

（3）受磁場(chǎng)強(qiáng)度的制約，所產(chǎn)生的最大推力有限；推進(jìn)器的能量利用率不高。

（4）只適用于在海水等導(dǎo)電性強(qiáng)的流體中航行。

1.4 高壓噴水動(dòng)力推進(jìn)裝置

高壓噴水動(dòng)力推進(jìn)裝置是華中科技大學(xué)提出的一種全新的推進(jìn)方式，以高壓水泵為動(dòng)力源，利用流體的壓力能和動(dòng)能兩種能量轉(zhuǎn)換為航行器的推力。其基本原理圖如圖3所示。

該裝置的工作原理是：高壓水泵在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下直接從海洋吸水，泵將低壓海水加壓后通過噴嘴高速射出，形成推力，推動(dòng)航行器在水中前進(jìn)。這與軸流泵噴水推進(jìn)的動(dòng)力裝置的工作原理截然不同。在實(shí)際中，可以通過調(diào)節(jié)水壓泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)推力的大小及航行速度；通過改變噴嘴或舵的方向，可以實(shí)現(xiàn)航行器的轉(zhuǎn)向或上浮、下潛等運(yùn)動(dòng)方向的控制。目前該技術(shù)還在進(jìn)一步研發(fā)和完善之中。

該裝置的主要特點(diǎn)是：

（1）適用于高速運(yùn)動(dòng)的船舶。

（2）調(diào)速性能好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高。

（4）對(duì)高壓水泵的要求較高。

2 不同類型船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置的性能比較方法

對(duì)某一船舶而言，推力越大，船在水中航行的速度也越高，而與此同時(shí)，船舶行進(jìn)的阻力也越大。當(dāng)船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置產(chǎn)生的最大推力與所有阻力達(dá)到平衡時(shí)，船舶的速度即為能達(dá)到的最高速度。因此，船舶運(yùn)行的速度不僅與推力大小有關(guān)，也與影響船舶阻力的因素有關(guān)。這些阻力因素包括：船舶外形結(jié)構(gòu)、水線高低、水流速度和方向、風(fēng)浪等[5]。其中大部分因素與動(dòng)力推進(jìn)裝置無關(guān)。

對(duì)于大多數(shù)機(jī)電設(shè)備而言，采用設(shè)備的總效率（即輸出功率與輸入功率之比）來反映其能量利用率的高低。對(duì)動(dòng)力推進(jìn)裝置而言，其輸出功率的物理量綱應(yīng)當(dāng)為推力與速度的乘積。由于速度受很多外部因素的影響，因此，傳統(tǒng)采用的比較效率高低的方法對(duì)動(dòng)力推進(jìn)裝置不能適用。而工程應(yīng)用中確實(shí)又需要對(duì)不同類型的動(dòng)力推進(jìn)裝置的性能進(jìn)行比較，以便于在設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力裝置時(shí)進(jìn)行優(yōu)選和匹配。

由于不同類型的船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置工作原理有很大差異，作者認(rèn)為可以采用以下兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較：

（1）推功比

推功比是一個(gè)與速度完全無關(guān)的物理量。其物理意義是單位輸入功率所產(chǎn)生的推力大小，單位為牛/瓦，即η=F/Pi（1）

式中：F為動(dòng)力推進(jìn)裝置輸出的推力，Pi為裝置的輸入功率。

在滿足船舶所需推力的條件下，推功比能夠反映出動(dòng)力推進(jìn)裝置消耗單位功率所能產(chǎn)生的推力的大小，也即能量利用率，因而可作為評(píng)判不同類型船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置性能好壞的重要依據(jù)。

（2）推重比

推重比是航空航天領(lǐng)域中經(jīng)常應(yīng)用的概念，用來評(píng)價(jià)火箭或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。當(dāng)某種船舶對(duì)動(dòng)力推進(jìn)裝置的體積重量要求很高時(shí)，也可借用這一概念。這里，推重比的含義是動(dòng)力推進(jìn)裝置單位重量所產(chǎn)生推力的大小，是一個(gè)無量綱的系數(shù)，即η=F/G（2）

式中：G為裝置的自身的重量。

推重比的概念更側(cè)重于對(duì)動(dòng)力推進(jìn)裝置體積重量的制約，可以單獨(dú)或與推功比一起作為動(dòng)力推進(jìn)裝置的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 結(jié)論

本文介紹了幾種常見的船舶動(dòng)力推進(jìn)裝置，這些動(dòng)力推進(jìn)裝置各有其優(yōu)缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和研究工作的深入，一些新的動(dòng)力推進(jìn)裝置也會(huì)逐步完善并投入到工程應(yīng)用。雖然每種動(dòng)力推進(jìn)裝置的工作原理各不相同，但是都是基本物理規(guī)律的應(yīng)用。為了比較不同原理動(dòng)力推進(jìn)裝置性能的優(yōu)劣，本文認(rèn)為不能沿用普通機(jī)電設(shè)備中效率的評(píng)價(jià)模式，采用推功比或（和）推重比的指標(biāo)，能夠更好地評(píng)價(jià)不同類型動(dòng)力推進(jìn)裝置性能的高低。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳家鳴.船舶與海洋工程導(dǎo)論[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2013.

[2]湯方平.噴水推進(jìn)軸流泵設(shè)計(jì)及紊流數(shù)值分析[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.

[3]王艷麗.軸流泵運(yùn)行特性的研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[4]呂玲.超導(dǎo)電磁推進(jìn)船的開發(fā)研究[J].國(guó)外科技，1990，（6）：26-28.

[5]劉紅.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2009.