船舶动力装置(卷名：机械工程)
marine power plant
推进船舶和为船舶提供其他所需的动力和能源（电、蒸汽、热水、压缩空气、压力液体等）的全部动力设备。
组成 船舶动力装置主要由推进动力装置和辅助动力装置组成。
推进动力装置 也称主动力装置，是提供推进动力的成套动力设备，由主机、主锅炉、传动装置和轴系、推进器以及为这些推进设备服务的辅助设备、管系和仪表所组成。
①主机:用于船舶推进的热力发动机，有蒸汽机、汽轮机、柴油机、汽油机和燃气轮机等。对于无推进器的工程船舶，用于驱动主发电机、液压油泵或工程机械(如泥浆泵)等的发动机也称为主机。
②主锅炉：在蒸汽动力装置中利用燃料燃烧的热量产生蒸汽，主要供给主机做功的蒸汽发生器。现代汽轮机动力装置均采用水管式锅炉。船舶上除主机和主锅炉以外的其他辅助机械和动力设备统称为辅机。
③传动装置：将主机功率传递给轴系和推进器，并根据需要起减速、倒顺车、调速、并车或分车、离合等作用的装置。
④轴系：从主机（或传动装置）输出法兰到螺旋桨之间的传动轴设备。它的作用是将主机的能量传给螺旋桨，螺旋桨产生的推力又传给船体，从而推动船舶运动。轴系由推力轴和推力轴承(或附设于主机)、艉轴（或螺旋桨轴）、连接艉轴与推力轴的中间轴、轴承、联轴节、艉轴管装置等组成。轴系的长短视主机位置而定，主机布置在艉部时轴系可显著缩短。单轴系船舶的轴系布置在船的舯纵剖面上，尽可能与船体基线平行；双轴系和多轴系则两舷对称布置。用油润滑的艉轴轴承应有可靠的艉轴密封装置，以防外流损失和污染环境。
⑤推进器：它将主机的能量（或风力、人力）转换成使船舶运动的能量。推进器有反作用式和主作用式两种。明轮、喷水推进器和螺旋桨等均为反作用式，即利用水给推进器的反作用力推动船舶运动，而风帆则属主作用式。螺旋桨是使用最广泛的一种推进器，可分为普通螺旋桨（即定螺距螺旋桨）和特种螺旋桨（如调距螺旋桨、导管螺旋桨、立桨）。螺旋桨的转速越低、直径越大，效率就越高。螺旋桨的数目一般为1～4只，由船舶的类型、用途、排水、主机功率及型式等因素决定。运输船舶一般采用单桨，大、中型客船和军舰则采用双桨或多桨。
⑥辅助设备和管系：用以保证主机、主锅炉、传动装置和轴系等主要部件正常工作。包括输送油、水、气体、蒸汽等工质的油泵、水泵、风机和管道；传递热量的各种换热器；储存工作介质的容器、压缩空气瓶和箱柜等;油、水的处理和净化设备，如分油机、过滤器、水处理设备等；海水淡化装置；冷凝蒸汽的设备等。
⑦操纵调节设备和仪表：包括推进动力装置各组成部件的操纵设备、自动控制设备、监控仪表、操纵台和仪表屏等。
辅助动力装置 为船舶的正常运行、作业、生活杂用和其他需要提供各种能量的成套动力设备。一般包括船舶电站、辅助锅炉和废气锅炉装置、供应其他能源的辅助装置和系统等。
①船舶电站：它是提供船上电能的动力装置，由发电机组及其辅助机械设备和管系、电缆、操纵控制设备和仪表等组成。电站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。电站对船舶的运行和安全至关重要。发电机组的台数和容量选择应考虑安全性和经济性，通常是设置2～3台以上的发电机组，其中包括备用机组。发电机的原动机有蒸汽机、汽轮机、柴油机和燃气轮机。在汽轮机动力装置中一般采用汽轮机，而在柴油机动力装置中则采用柴油机。为了节约能源，柴油机船舶可采用主机轴带动发电机，或利用以主机排气作为能源的小型汽轮机带动发电机，但这时须有备用电源，以便在主机停车或倒车时保证船舶的正常安全航行。此外，客船和较大的货船上还须设有独立的应急电源，如应急发电机组或应急蓄电池组。
②辅助锅炉和废气锅炉装置：利用燃料燃烧的热量或主机废气的能量产生蒸汽，以满足汽轮发电机或其他辅机的原动力、燃油和润滑油的加热、空气调节和取暖、生活杂用等需要的蒸汽发生装置。由辅锅炉或废气锅炉及其辅助设备和管系、调节设备和仪表等组成。
③供应其他能源的辅助装置和系统：一般包括供应各种液压作业高压液体的液压系统、供应作业压缩空气的压缩空气系统和热水器装置等。在有些船上（如挖泥船、消防船等）还应包括提供作业动力的装置。
习惯上，船舶动力装置还包括如下设备：疏水、压载、舱底水等管系，消防设备，检修设备等保证航行安全的设备；通风、空调、制冷、照明、生活用水等保证正常生活所需的设备；操舵、收放锚、装卸货、污油水分离等甲板机械和环境保护设备等。
类型 船舶动力装置一般可按主机类型分为蒸汽机动力装置、汽轮机动力装置、汽油机动力装置、柴油机动力装置、燃气轮机动力装置、核动力装置和各种联合动力装置。还可按主机能量传递给推进器的形式分为直接传动和间接传动两种。
直接传动时，主机通过轴系与推进器直接相连，主机与推进器转速和转向相同。这种传动方式可减少中间环节的损失，传动效率高，设备简单。低速柴油机、蒸汽机等常采用这种传动方式。
间接传动时，主机能量通过传动装置传给轴系和推进器，主机和推进器转速不相同。传动装置有齿轮传动、液力传动、电力传动几种，其中以齿轮传动装置应用较广。齿轮传动装置可将高转速主机的输出转速降低到螺旋桨所要求的转速，而且可将几台发动机的能量合并到一根桨轴上，实现多机并车，或将一台发动机的能量分配到两根桨轴上，实现一机分车。对于不可反转的主机，可利用倒顺车齿轮箱和离合器进行换向。液力传动装置是利用液体耦合器来传递能量的，它在船舶上还可起离合、换向、调速、缓冲和减振作用，适用于工程船舶（如救助拖轮、挖泥船和破冰船）。电力传动是由主机带动发电机供应电力，使电动机驱动螺旋桨。电力传动要经过两次能量转换，故效率低、质量大、造价高；但转速和转向调节方便，且主机和推进电动机能分开布置，有利于布置机舱和缩短轴系。电力传动装置常用于破冰船、潜艇、调查船和渡船等要求有较好操纵性和机动性的船舶。
船舶航行时须使螺旋桨反转以获得反向推力。有些主机可直接反转，但有些主机不能反转，这时除可以用不同的传动方式解决反转问题外，还可采用调距螺旋桨，将螺旋桨从正螺距转到负螺距，即可在主机转向不变的情况下实现倒航。
各种主机、传动方式与推进器的不同组合可构成各种特性不同的推进动力装置。
蒸汽机动力装置 以蒸汽机为主机的动力装置，是最早在船舶上使用的动力装置。蒸汽机因其热效率低、质量大、功率小，已渐被淘汰。
汽轮机动力装置
以汽轮机为主机的动力装置(图1)。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。
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）。
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。其中，低速柴油机因转速低，可直接与轴系连接驱动螺旋桨，设备简单，工作可靠，寿命长，热效率高，单机功率可达40000千瓦，可燃用劣质燃料，所以发展较快。缺点是质量和尺寸较大。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。
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（图2）。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。
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。
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。
舰艇长期以巡航速度航行，巡航速度与全速航行所需功率相差很大。为使整个动力装置在质量、尺寸、耗油率、机动性、航速和续航力等方面获得最合理的组合，常将几台燃气轮机或燃气轮机与其他发动机并车，共同驱动螺旋桨而组成联合动力装置。联合动力装置有 3种型式。①蒸-燃并列联合装置(COSAG)：巡航时用汽轮机，加速时并入燃气轮机共同驱动螺旋桨。由于汽轮机装置质量和尺寸较大，这种型式已渐被淘汰。②柴-燃联合装置：柴油机作为巡航机组，燃气轮机作为加速机组。巡航机组的使用方式有两种，一种是柴油机仅在巡航时使用，加速时不工作，称作柴-燃交替联合装置(CODOC)。一般在柴油机功率占总功率的比例较小时(～25％)采用这种方式。另一种是加速时燃气轮机和柴油机都投入运行以获得最大的航速，称为柴-燃并列联合装置（CODAG）。这种方式通常是在巡航速度较高、柴油机功率在总功率中所占比例较大时(＞50％)采用，并车后可获得较大的航速。③燃-燃联合装置：或称全燃联合装置，也有两种使用方式。巡航时采用小功率燃气轮机、加速时改用大功率燃气轮机的称为燃-燃交替联合装置(COGOG)。这种型式通常用于巡航速度较低的舰艇。对于一些排水量较大的军舰，要求有较大的巡航功率，又要保证较高的全航速，这时巡航机组和加速机组采用功率较大且机型相同的燃气轮机。巡航时只用巡航机组，加速时巡航机组和加速机组同时使用，称为燃-燃并列联合装置(COGAG)。
图3为全燃联合动力装置机械设备布置图。燃气轮机加速机组（即主燃气轮机）与巡航机组并车，经减速齿轮箱和轴系驱动螺旋桨。发电机组用柴油机作为原动机，设有四台，辅助锅炉设有两台。大部分直接为燃气轮机服务的辅助设备都装在燃气轮机上。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。
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。此外，它不需要空气助燃，发动机无需进气和排气，能为潜艇提供在水下长期航行的可能，同时大大提高潜艇的隐蔽性和水下作战能力。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。
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，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。电力传动虽然两次能量损失较大，但由于有较好的操纵性能而在某些船上得到应用。
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。高速柴油机和航空派生型燃气轮机用轻柴油，而工业型燃气轮机和大部分中速柴油机则使用重柴油。进一步降低燃料消耗率和采用劣质燃料是动力装置的一个发展方向。军舰因长时间低负荷运行，还应考虑低负荷时的经济性。
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。
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。划定转速禁区、改变推进系统的自振频率（如加大轴径、采用弹性联轴节）、降低干扰力矩和采用减振器等，可减少以至消除扭转振动。回旋振动又称横向振动，是由轴系设备的制造和安装误差、材质不均匀、螺旋桨的干扰力引起的，它会导致艉管密封漏水或漏油、轴承磨损、轴承座松动，甚至破裂。调整中间轴承位置和数目和改变螺旋桨叶数，可减少回旋振动。纵向振动是由螺旋桨推力不均匀引起的，它严重时会使推力轴承严重磨损和烧坏、曲柄箱破裂、传动齿轮损坏。改变桨叶数、加强推力轴刚度、对轴系进行中校核等，可减少纵向振动。
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。
参考书目
朱树文主编：《船舶动力装置原理与设计》，上海交通大学出版社，上海，1985。
Roy L.Harrington ，Marine Engineering，The Society of Naval Architects and Marine Engineers，New York，1971.