船舶动力装置与电气设备

船舶动力装置与电气设备第一页，共39页。

第八章船舶动力装置与电气设备

§1船舶动力装置船舶动力装置也称“轮机”。船舶动力装置包括：推进装置──主机经减速装置、传动轴系以驱动推进器（螺旋桨是主要的型式）；为推进装置的运行服务的辅助机械设备和系统，如燃油泵、滑油泵、冷却水水泵、加热器、过滤器、冷却器等；船舶电站（发电机、配电板等），除提供照明和生活用电外，主要是提供电动辅机、通信、雷达、航海仪器、报警、检测和控制设备所需的电能；其他辅助机械和设备，如锅炉、压气机(和空气瓶)、船舶各系统的泵、起重机械设备、维修机床等（它们并不全是为主机服务的）。通常把主机（及锅炉）以外的机械统称为辅机。为保证船舶正常营运而设置的动力设备。包括三个主要部分：①主动力装置；②辅助动力装置；③其他辅机和设备。

第二页，共39页。一、主动力装置

在船上，把产生推进动力的原动机称为主机。为船舶提供推进动力的主机及其附属设备，是全船的心脏。主动力装置以主机类型命名。目前，主机主要有蒸汽机、汽轮机、柴油机、燃气轮机和核动力装置等五类。现代运输船舶的主机以柴油机为主，在数量上占绝对优势。蒸汽机曾经在船舶发展史上起过重要作用，但目前几乎全被淘汰。汽轮机在大功率船上长期占有优势，但也日益为柴油机所取代。燃气轮机用于大吨位、高航速的商船及大、中型水面舰艇中；核动力装置主要用于大、中型潜艇、破冰船及航空母舰。

在大、中型水面舰艇中，目前正向着联合动力装置的方向发展，即以柴油机或小型燃汽轮机作巡航机，大功率的燃汽轮机作加速机，以提高舰艇的经济性和机动性。近年来，动力装置向实现机舱自动化和远距离操纵发展，以改善劳动条件，提高工作效率。第三页，共39页。第四页，共39页。１、汽轮机动力装置

早期用汽轮机直接驱动螺旋桨，不经过减速。为了使螺旋桨能在理想的转速下工作，后来在汽轮机动力装置上加装了减速齿轮，使汽轮机和螺旋桨都能以各自的最佳速度运转。到1916年，几乎所有的船用汽轮机都采用了减速装置，减速比由初期的1:20提高到1:80以上。采用减速装置以后，汽轮机可以更高的速度运转，效率大为提高，机体尺寸相应缩小，整个装置更加紧凑，重量也大大减轻,螺旋桨工作效率也大大提高,使汽轮机成为理想的大功率船用动力装置。至今某些大型客船、超级油船和高速集装箱船等仍采用汽轮机动力装置。

汽轮机的优点是单机功率大，使用可靠，运转平稳，无振动和噪声，检修工作量小，锅炉可燃用劣质油。但汽轮机油耗比柴油机高，即使采用再热循环的汽轮机装置，每马力小时的油耗仍达180～190克，比低速柴油机高40％左右。柴油机由于单机功率、燃烧劣质油的能力和可靠性的提高，逐渐取代了汽轮机。第五页，共39页。第六页，共39页。蒸汽从锅炉进入汽轮机膨胀作功，将蒸汽的热能转变为机械能，经齿轮减速器和轴系驱动螺旋桨。蒸汽在汽轮机中膨胀作功后排入凝汽器，被舷外水冷却而凝结成水，由凝水泵送入给水预热器和除氧器中，再由锅炉给水泵将给水经给水预热器送回锅炉,重新在锅炉中受热蒸发成蒸汽,从而形成一个闭合循环。为了提高循环效率，从汽轮机中抽出部分作过功的蒸汽加热锅炉给水，即实现回热循环。民用船舶的汽轮机动力装置均采用这种循环，给水预热级数已多至5级。军舰经常在低负荷下运行,为简化设备和提高操纵性，一般仅用辅机的二次蒸汽加热给水，而且预热级数也大大减少。

汽轮机动力装置一般采用水管锅炉，它比火管锅炉轻巧，可使用较高的蒸汽参数，而且蒸发量大，能适应汽轮机的要求，但对给水品质要求较高。为了除去溶于给水中的氧气和减少锅炉的腐蚀，设有专门的除氧器。

在民用船舶中，除发电机和给水泵用辅助汽轮机驱动外，其余辅机大都用电动机驱动。而在军舰中，辅机一般由汽轮机驱动。

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汽轮机是高速旋转机械,为了保证螺旋桨的效率,通常采用齿轮传动或电力传动。齿轮传动效率高、质量小、造价便宜，但汽轮机要装设倒车，以获得倒航能力。大多数汽轮机船舶采用这种传动。汽轮机电力传动一般只用于要求操纵性较好的船舶。

汽轮机动力装置的特点是单机功率大，振动和噪声小，维修费用低，但热效率较柴油机装置低，且设备多，主要用于大型军舰、大型客船和油船上。采用再热循环和沸腾炉以降低燃料消耗率，使用煤或混合燃料等，是汽轮机动力装置的发展方向（见船用汽轮机）。第八页，共39页。２、柴油机动力装置

20世纪初，柴油机开始用于运输船舶。第一艘远洋柴油机船是1912年丹麦建造的“锡兰迪亚”号，主机为两台四冲程八缸柴油机，共1250马力，每分钟140转,直接驱动两个螺旋桨。1914年柴油机船占全世界船舶总吨位0.5％，到1940年上升为20％以上。

柴油机动力装置的最大优点是热效率高，燃料消耗明显地低于蒸汽机动力装置。长期以来，柴油机动力装置有一系列改进，主要有：①20年代出现以机械喷油取代用压缩空气喷油的方法；②同一时期试制成废气涡轮增压器，提高了柴油机的功率和性能；③30年代开始燃烧重质柴油，降低了燃料费用。早期柴油机的功率不大。第一次世界大战时期用于商船的最大柴油机功率仅4000马力，第二次世界大战前,单机功率达到20000马力。现在低速柴油机单机功率已达50000马力以上。

第九页，共39页。第十页，共39页。柴油机动力装置

以柴油机为主机的动力装置。它具有热效率高、启动快、操纵方便、可直接倒车、结构紧凑等特点，是船舶上用得最多的一种动力装置。它的缺点是零部件磨损较快，维修费用高，振动噪声大。柴油机可分为低速、中速和高速3种。第十一页，共39页。。远洋和沿海的货船、油船大多采用低速柴油机直接传动方式。新研制的长行程低速柴油机，行程约为缸径的3倍，耗油率在163克／（千瓦·时）以下，热效率高于50％。由于转速降低，推进效率得到进一步的提高。但其质量、尺寸较大，柴油机干重约为21～65千克／千瓦，适用于吃水深的大型船舶。中速柴油机常通过齿轮传动或电力传动减速后驱动螺旋桨，也有用调距桨进行变工况和正倒车的。中速柴油机操纵简单，效率较高，质量、尺寸小。其中，以大功率中速柴油机发展较快，单缸功率达1215千瓦，单机功率达21870千瓦,采用齿轮减速后,具有推进效率高的优点,且能燃用劣质燃料。不宜采用尺寸过大的低速柴油机的船舶，如滚装船、渡船、中小型军舰和联合装置的巡航机组，可采用大功率中速柴油机。高速柴油机燃用中质或轻质柴油，耗油量大，燃料成本高，使用寿命短，噪声大，但质量和尺寸均小，多用于舰艇和小型内河浅水船舶。高速柴油机利用离合器和倒顺车齿轮减速器实现倒车。

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中小型军舰、渡船和海洋救助拖轮等，要求有较大的推进功率，而机舱的容积和装置的质量大小又受到限制，因此常通过减速齿轮和离合器等将尺寸、质量较小的两台或多台中速柴油机的功率合并到一根螺旋桨轴上组成大功率的多机并车推进装置。低负荷时，可脱开部分柴油机而使其余柴油机接近于全负荷运行。多机并车装置能提高船舶低速航行的经济性和装置的可靠性。

进一步提高热效率，采用劣质燃料或混合燃料，采用机带或轴带发电机和辅机,减少辅机所需的功率等,是柴油机动力装置的发展方向。现代船用柴油机大部分为低速机,转速约每分钟100转，可直接驱动螺旋桨。80年代初，出现了长冲程和超长冲程的低速机,每分钟转速降到70转以下,使螺旋桨发挥最佳效率。但低速机外形尺寸和重量大。近年来，第二次世界大战后出现的大功率的中速机被逐渐应用于船上。它将气缸排列成V字形,采用减速齿轮，既大大减轻了机身重量，又有利于提高螺旋桨效率。中速机由于机身短小，可以减少机舱的面积和高度，因此特别适用于尾机舱船和机舱位于甲板下的滚装船和载驳船等。

第十三页，共39页。第十四页，共39页。３、燃气轮机动力装置

燃气轮机动力装置在50年代开始用于船舶。目前主要用于军用舰艇。燃气轮机同柴油机和汽轮机比较，单机功率大、体积小、重量轻、加速性能好，能随时起动并很快发出最大功率。燃气轮机在高温、高压下工作，对燃油质量要求很高，热效率也比柴油机低得多，因此在民用运输船舶上应用不多。仅在某些气垫船上用于驱动空气螺旋桨。

燃气轮机动力装置

以燃气轮机为主机的动力装置。它具有质量小、尺寸小、启动快、加速性好、运行维护简便等优点，因而在舰艇上得到广泛应用。从小型的气垫船到大型军舰，都有用燃气轮机作为主机的。燃气轮机装置的缺点是耗油率大，需要很大的进排气管道，热效率低于柴油机装置，因而适用范围有限。船用燃气轮机有航空派生型和工业型两种。前者较轻巧，设备简单，但须燃用轻质燃料，通常为舰艇使用。后者寿命较长，可燃用重柴油，一般用于民用船舶上。

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燃气轮机一般不能反转，故须采用可逆转齿轮减速器、可逆转液力耦合器、电力传动装置或调距桨实现倒车。

燃气轮机的热效率低于柴油机，而且对燃油品质要求较高，因而在民用船舶上尚未普及。为了提高动力装置的经济性，工业发达国家已着手研究燃气轮机排气的余热利用。其原理是将燃气轮机的高温排气送入废气锅炉，产生蒸汽推动汽轮机作功，汽轮机与燃气轮机共同驱动螺旋桨，称为燃-蒸联合循环装置(COGAS)。这种装置把燃气轮机排气温度高与汽轮机进汽温度低的特点结合起来，使装置热效率达40％以上，是效率较高的一种动力装置。

燃气轮机动力装置的发展方向是提高单机功率、热效率和使用寿命，改善低负荷性能，使用低质液体燃料、燃气和天然气。第十六页，共39页。４、核动力装置

以反应堆代替普通燃料来产生蒸汽的汽轮机装置。反应堆中核裂变产生的大能量，被不断循环的冷却水吸收，后者又通过蒸汽发生器将热量传给第二个回路中的水，使之变为蒸汽后到汽轮机中作功。

核动力装置主要用于大型军舰和潜艇。1959年美国在客货船“萨凡那”号上试用功率20000马力核动力装置成功；1960年苏联在破冰船“列宁”号上采用核动力装置,功率44000马力。此后，联邦德国和日本也分别建造了核动力商船。

核动力装置利用原子核的裂变能通过工作介质(蒸汽或燃气)推动汽轮机或燃气轮机以带动螺旋桨的一种动力装置。已获得实用的唯一装置是压水堆-汽轮机推进装置。以铀235为主的核燃料在压水堆内进行裂变并放出大量热能。压力较高的冷却水在反应堆与蒸汽发生器之间进行循环，一方面使反应堆冷却，同时在蒸汽发生器中将热量传给水，产生蒸汽供给汽轮机作功。核动力装置的特点是核燃料的消耗很少，续航力很大，这对远航军舰和破冰船是很有利的。长期航行的可能，同时大大提高潜艇的隐蔽性和水下作战能力。第十七页，共39页。第十八页，共39页。它的缺点是必须备有质量和尺寸较大的防护屏装置和一整套安全防护设施，而且造价昂贵，操纵管理技术复杂，换料和核废物处理等都很麻烦，所以主要是在潜艇和大型水面舰上应用，而在民用船舶中尚难以推广。这些船在试航一段时间后，出于法律和民意上的原因停驶。人们担心放射性物质污染航道、港口和城市环境，因此很多港口拒绝核动力船进港。对核燃料使用后的核废料也还缺乏妥善处理办法。目前这些民用核动力船都已改装为常规动力装置船。5、动力装置性能要求

为推进船舶和供应船上所需的各种能量，要求船舶动力装置可靠性高、机动性和操纵性好、燃料消耗费用低、振动小、噪声低。对于军舰，还要求耐冲击和有核防护。

可靠性

动力装置应在规定的航行环境(如风浪盐雾、冰区)和航行状态(如规定风浪下的摇摆、纵倾、横倾等)下安全可靠的运行，这是船舶最重要的性能要求。为此，第十九页，共39页。

对动力装置的设计、制造、安装和试验均有专门的船舶建造规范和章程予以规定。可靠性还取决于正确的操纵管理和设备的配置。对重要辅助设备的配置需要考虑到有部分损坏时不致影响动力装置的正常运行。

机动性

包括启动、加速、换向、倒车持续能力和低速稳定工作能力等性能。机动性对于军舰和经常变负荷、变工况的船舶(如拖船、破冰船、渔船和救助船等)尤为重要。各种动力装置的机动性各有优缺点。柴油机和燃气轮机的启动性能好，但低速稳定性较差。汽轮机低工况稳定性好，但启动性较差。双机双桨动力装置能提高船舶的转向能力。调距桨在加速、急停、倒航等机动性能方面较定距桨优越。

燃烧消耗费用

燃料消耗费用与燃料的种类、价格和消耗率等有关。柴油机的燃料消耗率最低，低速柴油机已达163克/（千瓦·时）以下。蒸汽动力装置可使用包括煤在内的各种燃料，而其他装置尚只能使用液体和气体燃料。低速柴油机已能普遍燃用较高粘度的燃料油（即重油），甚至已有试用高粘度劣质燃料油的。某些中速柴油机也能使用燃料油，因此可降低燃料费用。第二十页，共39页。

建造成本

建造成本往往与热经济性有矛盾。例如利用废热可以节约燃料，但要增加设备而使造价相应增加。因此在采用新型动力装置和某种节能措施时必须考虑建造成本。采用标准化、系列化产品，简化施工过程等都能降低建造成本。

重量和尺寸

安置动力装置的机舱是船的非生产性容积,应尽量减小,因而对动力装置的重量和尺寸大小就有一定的限制。军舰航速高、功率大，对动力装置的重量和尺寸有更高的要求。例如，高速驱逐舰汽轮机动力装置的比重量通常只有13.5～20千克/千瓦,但动力装置的重量却占去军舰标准排水量（指军舰空载排水量加上额定人员、淡水、粮食、弹药、供应品、给水、锅炉和凝汽器内常用水位的水、机器内的润滑油，但不包括燃料、备用润滑油和备用锅炉水时的排水量）的1/6～1/4。在各种动力装置中，航空派生型燃气轮机装置重量最小，而低速柴油机和蒸汽机装置重量最大。低速柴油机装置重量虽大，但耗油少，故燃料储量也少，对总重量仍然有利。第二十一页，共39页。振动

振动影响船员和旅客的舒适性，对于军舰还影响其隐蔽性。严重的振动会导致设备、仪表和船体局部结构损环。振动主要来源于往复式机器和螺旋桨。柴油机运转时,其动力是不平衡的,因此在设计和制造时应采取适当的平衡措施，如装设平衡质量、平衡装置。在发动机与机座之间安放弹性隔振器可以减少和隔离机器振动向船体传递。螺旋桨因机械不平衡和工作在不均匀流场中而引起的船舶振动，在制造时可通过精细的平衡和采用合适的桨叶叶梢与船体之间的间隙来解决。

发动机与螺旋桨的激励力会使推进轴系发生振动，包括扭转振动、回旋振动和纵向振动。推进轴系的扭转振动是由发动机和螺旋桨的不均匀扭矩引起的，它会导致轴系断裂和传动齿轮损坏。

噪声

中速柴油机、高速柴油机、燃气轮机、减速齿轮箱、通风机、增压器、空压机和齿轮泵等设备是最强的噪声源。为降低机舱噪声级、改善工作环境，一般采取下列措施：①减少噪声的传出，如装设消声器和隔声罩；②吸收噪声的能量，如装设吸声屏板和敷设吸声材料；③设置隔声效果好的集中控制室，使轮机员和机器设备分开。第二十二页，共39页。6、轴系的组成第二十三页，共39页。二、辅助动力装置

为全船提供电力、照明和其他动力的装置，如发电机组、副锅炉等。发电机组是船上最重要的辅助动力装置。蒸汽机船上的发电机组由蒸汽机驱动（有时用小型汽轮机驱动），但容量较小，以供照明电源为主。在汽轮机船上，发电机组由汽轮机驱动，为全船电气设备提供电源。这种汽轮发电机组大部已系列化，容量500千瓦到2500千瓦不等,可以自由选择。在柴油机船上，有2～3台发电机组，由单独设置的中速或高速柴油机驱动。容量据全船电动机械设备的数量确定，普遍采用400伏三相交流电,频率有50赫兹和60赫兹两种。副锅炉在蒸汽机船和汽轮机船上是供停泊时使用，在柴油机船上供平时取暖和加热用。柴油机船上的副锅炉的燃料可以是燃油，也可以利用柴油机排出的废气所产生的蒸汽。第二十四页，共39页。除发电机组和副锅炉外，由于现代船上液压机械设备的驱动需要，还设有液压动力装置，其主要部件为液压油泵，可以用电动机或单独的柴油机驱动。

三、其他辅机和设备

随着运输船舶性能上的不断完善，船上的辅机和设备也日趋复杂,最基本的有:①舵机、锚机、起货机等辅助机械。这些机械在蒸汽机船上用蒸汽作为动力，在柴油机船上先是采用电动，现多数已改用液压驱动。②各种管路系统。如为全船供应海水和淡水的供水系统；为调节船舶压载用的压载水系统；为排除舱底积水用的舱底水排出系统；为全船提供压缩空气用的压缩空气系统；为灭火用的消防系统等等。这些系统所采用的设备如泵和压缩机等绝大部分是电动的，并能自动控制。③为船员和旅客生活服务的取暖、空调、通风、冷藏等系统。这些系统一般都能自动调节和控制。第二十五页，共39页。

§２电气设备船舶电气设备包括六大类：①电力系统②电力拖动系统③电力推进系统

④照明系统⑤船内通信及信号系统⑥通信及导航系统船舶电气设备应在下列条件下仍能正常工作：周围温度：-25~+48oC

相对湿度：95%横摇：22.5o

长期横倾：15o

长期纵倾：7.5o第二十六页，共39页。一、船舶电力系统

船舶电力系统包括从发电、配电、输电到各用电设备在内的统一整体。1、船舶电力系统的几个参数①电流种类：交流电与直流电②电压等级我国船舶电气设备的额定电压直流电为：28V、115V、230V交流电为：115V、230V、400V；我国仅在船舶电力推进的某些系统中采用高压电制：600、660、3000、6000、10000、12000。③频率标准

国内为50Hz,国外为60Hz船上观通、导航系统多数已采用400~2400Hz④配电系统双线绝缘系统、船体作回路的单线系统等。油船禁止使用接地系统和利用船体作中性线回路，只允许采用双线绝缘系统和三相三线绝缘系统。第二十七页，共39页。2、船舶电力系统的组成及设备船舶电力系统由船舶电源、配电装置、配电网和负载，即从电能生产、分配至消费所有环节组成的整体。船舶电源包括主发电机组、应急发电机组和蓄电池。配电装置包括发电机、电站控制装置及开关设备。船舶电力系统按电流种类可分为直流电力系统、交流电力系统和交直流电力系统。目前大多数船舶采用交流电力系统。船舶电力系统主要包括船舶电站和船舶电力网。船舶电站是船舶及水上浮动建筑物上产生电能的场所。船舶电站包括电源装置和控制、配电装置，一般船舶电站分为主电站和应急电站。主电站是供应船上正常用电的电站，有主发电机和总配电板（或称主配电板）。应急电站是为保证船舶损管、救生和生存等极端重要设备应急供电而专门设置的小型独立电站，有应急发电机和应急配电板，或应急蓄电池或充放电板。船舶电力网包括各分配电力装置和电力网络。第二十八页，共39页。分配电板是船舶及水上浮动建筑物上用以控制电能分配的装置的统称。分为电力分配电板、照明分配电板和专用配电板。

电力网络可分为一次网络和二次网络。(1)发电机①主发电机是指经常投入工作，向船舶主电网络供电的发电机。主发电机除了要非常可靠地连续工作，还要：应满足全船各使用工况的用电量。每台发电机的最高负荷一般为其额定功率的80%左右。船舶电站必须设置备用发电机组。如果船上有3~4台发电机要并行工作，最好采用同类型的。第二十九页，共39页。第三十页，共39页。②停泊发电机是指船舶在停泊及不作业的情况下投入使用的发电机。通常，中小型船舶不另设停泊发电机，在停泊时通过岸电箱使用岸电；在无岸电时，可用应急发电机临时用作停泊发电机。③应急发电机是指主发电机因故停止工作，备用机尚未起动供电，它能紧急起动接入应急电网进行供电的发电机。④充电发电机是为蓄电池组充电用的发电机。⑤专用发电机一般指电力推进系统中的发电机；供特种设备及调速范围很宽的甲板机械使用的发电机；供通信、导航设备用的中频发电机等。(2)蓄电池组蓄电池组是唯一能在需要时立即提供电能的电流装置。蓄电池组可替代应急发电机作为船上的应急电源装置，此时，蓄电池组的容量应保证连续供电3~36小时，具体要求视船舶种类和总吨位(GT)而定。第三十一页，共39页。(3)总配电板也称主配电板，用以控制和监视主电站运行，是船舶电力系统的中心配电装置，即全船的电能控制和分配中心。总配电板通常可分成两大部分：发电机屏和负荷屏。大型船舶、客船、海洋调查船等往往还有同步屏、隔离屏和岸电屏。发电机屏用以控制、检测和保护发电机组。负荷屏负责对各馈电分路进行控制、检测和保护。(4)应急配电板应急配电板是用来控制和监视应急发电机或蓄电池组的运行，并向船上的应急电网配电的电气装置。应急配电板通常只有两个屏，一个是应急发电机控制屏，另一个是应急负荷屏。(5)充放电板充放电板是对蓄电池组进行充电，从而对各馈电分路进行配电的专用配电板。(6)分配电板分配电板是进行二次配电的。第三十二页，共39页。二、船舶电力拖动系统

船舶机械的电力拖动装置是由电动机、中间传动机构和电动机的控制设备所组成，用来拖动船舶辅机机械进行工作，以满足船舶正常航行和人员日常生活的需要。为交流电力拖动系统与直流电力拖动系统。1、船舶电力拖动系统分类(1)舱室辅助机械①为船舶动力装置服务的机械保证向船舶动力装置提供足够的燃料、滑油、助燃空气、冷却水和压缩空气等。②为船舶各系统服务的辅助机械保证船舶的航行安全、工作正常和生活需要，如消防、排水、压载、空调、冷藏、饮用水、卫生用水等。(2)甲板机械①舵机②锚机③系缆绞盘

④起货机第三十三页，共39页。⑤起艇机⑥绞车

2、对几种船舶机械电力拖动的基本要求(1)对舵机装置电力拖动的基本要求①工作可靠，能不间断地进行工作，有良好的生命力。②能够在较多的接通次数下重复短期工作。③有足够的过载能力，电机能承受堵转一分钟。④能保证给定的转舵时间，通常满舵30秒。⑤能反向和调速。⑥能保证舵叶准确地停止在规定的偏舵角上。⑦能在几个地方进行远距离控制，并可迅速地转换到应急操舵。⑧船舶在最大后退速度时，舵机电力拖动装置应能使舵自一舷满舵至另一舷满舵。