賀江鷗

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

【關(guān)鍵詞】船舶；動力推進裝置；技術(shù)特點；評價方法

中圖分類號： U664.3 文獻標識碼： A 文章編號： 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力推進裝置。不同的船舶動力推進裝置有著不同的特點。

1 幾種常見的船舶動力推進裝置

1.1 螺旋槳推進裝置

目前使用最為普遍的是螺旋槳推進裝置。該裝置自19世紀60年代開始應用。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：原動機輸出的動力通過傳動軸驅(qū)動槳葉做旋轉(zhuǎn)運動，槳葉的轉(zhuǎn)動可提升流體的動能，進而獲得船舶運動所需的推力。

該裝置的主要特點有：

（1）螺旋槳在高速運轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生空泡，會降低螺旋槳的推進效率，并產(chǎn)生較大的振動和噪聲；由于推進效率低，不適用于高速運動的船舶；

（2）需要較長的傳動軸系，對軸系與外部密封的可靠性要求較高；

（3）結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。

1.2 噴水動力推進裝置

噴水推進裝置最早是在1661年由英國人圖古德和海斯發(fā)明，經(jīng)過300多年的演變，技術(shù)逐漸成熟[1]。目前，噴水動力推進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現(xiàn)機械能與動能的轉(zhuǎn)換并提升流體的動能，推進器出口和進口流體動量的增加形成使船舶運動所需要的推力。

該裝置的主要特點是：

（1）抗空泡性能好，適應于高速運動的船舶；

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

（3）體積和重量大，價格較高。

1.3 電磁推進裝置

電磁推進裝置是利用通電導體在磁場中的運動的物理學原理而產(chǎn)生的一種推進技術(shù)，其基本原理是將電磁能轉(zhuǎn)換為海水的動能，進而對船舶產(chǎn)生一定的推力。

在該裝置中，導電性能好的海水作為通電導體，由電池提供一定的電流。當帶電海水位于垂直于液面的磁場中時，依據(jù)左手定則，海水將因受到磁場力的作用而運動，船舶運動的方向與海水運動的方向相反。當改變電場或磁場的方向時，海水和船舶運動的方向都會發(fā)生改變。圖2所示為電磁推進船的工作原理圖。

電磁推進裝置早期采用的電導線圈由于產(chǎn)生的磁場弱，產(chǎn)生的推力有限，限制了該技術(shù)的運用。隨著超導技術(shù)的發(fā)展，超導磁感應線圈可產(chǎn)生更強的磁場，使得電磁推進裝置產(chǎn)生的推力能夠推動較大型的船舶[4]。

該裝置的主要特點是：

（1）該裝置沒有傳統(tǒng)的螺旋槳中的高速運動部件，振動小、噪聲低。

（2）抗污染性能好。該推進裝置受海洋環(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）受磁場強度的制約，所產(chǎn)生的最大推力有限；推進器的能量利用率不高。

（4）只適用于在海水等導電性強的流體中航行。

1.4 高壓噴水動力推進裝置

高壓噴水動力推進裝置是華中科技大學提出的一種全新的推進方式，以高壓水泵為動力源，利用流體的壓力能和動能兩種能量轉(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：高壓水泵在電機的驅(qū)動下直接從海洋吸水，泵將低壓海水加壓后通過噴嘴高速射出，形成推力，推動航行器在水中前進。這與軸流泵噴水推進的動力裝置的工作原理截然不同。在實際中，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，可以實現(xiàn)航行器的轉(zhuǎn)向或上浮、下潛等運動方向的控制。目前該技術(shù)還在進一步研發(fā)和完善之中。

該裝置的主要特點是：

（1）適用于高速運動的船舶。

（2）調(diào)速性能好、機動性強。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高。

（4）對高壓水泵的要求較高。

2 不同類型船舶動力推進裝置的性能比較方法

對某一船舶而言，推力越大，船在水中航行的速度也越高，而與此同時，船舶行進的阻力也越大。當船舶動力推進裝置產(chǎn)生的最大推力與所有阻力達到平衡時，船舶的速度即為能達到的最高速度。因此，船舶運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、風浪等[5]。其中大部分因素與動力推進裝置無關(guān)。

對于大多數(shù)機電設(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。對動力推進裝置而言，其輸出功率的物理量綱應當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動力推進裝置不能適用。而工程應用中確實又需要對不同類型的動力推進裝置的性能進行比較，以便于在設(shè)計船舶動力裝置時進行優(yōu)選和匹配。

由于不同類型的船舶動力推進裝置工作原理有很大差異，作者認為可以采用以下兩個指標進行比較：

（1）推功比

推功比是一個與速度完全無關(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為動力推進裝置輸出的推力，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力推進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，因而可作為評判不同類型船舶動力推進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)常應用的概念，用來評價火箭或飛機發(fā)動機的性能。當某種船舶對動力推進裝置的體積重量要求很高時，也可借用這一概念。這里，推重比的含義是動力推進裝置單位重量所產(chǎn)生推力的大小，是一個無量綱的系數(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)重于對動力推進裝置體積重量的制約，可以單獨或與推功比一起作為動力推進裝置的評價指標。

3 結(jié)論

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

【參考文獻】

[1]吳家鳴.船舶與海洋工程導論[M].廣州：華南理工大學出版社，2013.

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

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

[4]呂玲.超導電磁推進船的開發(fā)研究[J].國外科技，1990，（6）：26-28.

[5]劉紅.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2009.