船舶多工况推进系统的研究.docx

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船舶多工况推进系统的研究

毕业论文开题报告

轮机工程

多工况船舶推进系统的研究

一、选题的背景与意义

随着航运业和其他海上作业的发展，除了从事海上运输的船舶在多数时间内是定速航行以外，还有很大一部分船舶是需要在工作时不断变换工况的，这样对船舶的推进系统就要求能够适应这种外界负荷的变化。

船舶推进装置对船舶营运的经济性起着决定性的作用。

在选择船舶推进系统时最重要的参数是投资费用、空间要求、推进效率或相应的燃油消耗率、可靠性和在船舶营运期间推进系统的有效利用率。

为了保护环境还必须限制主、辅机排气和各种废料所造成的污染。

在众多的动力设备和各种螺旋桨的配合中要是得船舶主机的效率发挥的较高而且在各种工况下都可以保持较高的效率是不容易的，因为工况改变时对于一般的简单的动力设备而言都会使其偏离最佳工况点，这样就会一起能源的浪费。

选择恰当的多工况船舶推进系统可以使船舶在不同工况下发挥出较高的效率，这样可以节约能源，提高经济性，适合国家的节能减排号召，是顺应发展趋势的。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

基本内容：

1、船舶各种推进系统的概念和组成

2、适应多工况的船舶推进系统的比较与特点

3、双速齿轮定距桨推进系统的设计

4、双速齿轮定距桨推进系统中的应用

拟解决的主要问题：

1、双速齿轮定距桨推进系统可行性的理论分析

2、双速齿轮定距桨推进系统的实现过程

3、双速齿轮定距桨推进系统应用中存在的问题

三、研究的方法与技术路线：

主要通过研究国内外的双速齿轮定距桨推进系统在船舶上的应用，根据相关的文献资料的阅读和借鉴，对船舶推进系统进行相关设计，使双速齿轮定距桨推进系统应用在船舶上，在涉及的过程中分别对双速齿轮定距桨推进系统的各个问题予以研究，使推进系统在多工况下都能使主机效率达到最理想。

四、研究的总体安排与进度：

2010．11．20下达毕业论文任务书，开始撰写文献综述，开题报告；

2010．12．15上交开题报告，文献综述；

2011．1．3开始撰写论文；

2011．4．6上交毕业论文，完成毕业论文答辩；

2011．4．15~2010．5．30毕业实习；

五、主要参考文献：

[1].张泽盛，超浅吃水多工况船舶推进方式探讨，船舶工程，1999年01期

[2].黄军，双减速比齿轮箱在长江推船上应用可行性研究，大连海事大学，2008年5月

[3].徐筱欣，增压高速柴油机对渔船适用性的探讨，华东船舶工业学院学报，1994年03期

[4].汤方平，喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析，上海交通大学，2006年12月

[5].薛十龙，多传感器信息融合在船舶电力推进系统中的应用，2005年中国智能自动化会议论文集，2005年8月

[6].姜年保，拖网渔船导管桨的设计，造船技术，1995年11期

[7]顾宣炎，新型冲砂船推进装置方案探讨，机电设备，2001年04期

[8].史一鸣，船舶螺旋桨设计杂谈——船舶推进设计，武汉造船，1998年01期

[9].周广利，帅秀莲，高艳萍，“双距—定距桨”推进系统设计浅析，水运工程，2001年4月

[10].乐嘉华，船舶推进系统的优化，造船工业建设，2005年第2期

[11]任旭东，陈刚，船舶推进系统的选择，世界海运，2004年8月，第4期

[12]陈华清，负荷控制技术在船舶推进系统设计中的应用，船舶工程，2009年第3期

[13]乔鸣忠，张晓锋，朱鹏，蔡巍，变频器供电的船舶推进系统制动过程研究，武汉理工大学学报，2009年10月，第5期

[14]刘学功，宋振海，张宏凯，船舶推进中两种动态平衡的研究，舰船科学技术，2019年4月，第4期

毕业论文文献综述

轮机工程

船舶多工况

一、目前国内外的研究现状

国内现状

目前多工况船舶推进设计多凭经验，为了兼顾各种工作工况，将某一主要工况作一些偏移，这样处理后的缺点是无法说清该设计的优秀程度。

国内解决多工况船舶推进工况改变对推进效率提高的方法有很多，各种方法中有的是效果不是很理想，使用定距桨，作多工况船舶推进设计时，为了兼顾各种工作工况．将某一主要工况作一些偏移进行设计，这种多工况船舶推进器的工作特点是在某些工况螺旋桨呈重负荷，桨的转速上不去，转速低于额定转速，另一些工况螺旋桨呈轻负荷，桨的转速等于额定转速，但扭矩低于额定扭矩，即可能没有一个工况能利用发动机的全部功率；还有的方法是采用导管螺旋桨；使用调距螺旋桨，这种方法的螺旋桨的结构复杂，造价较高，且已损坏，维护和保养的困难；利用电动推进装置，这样可以操作灵活，对船速和负荷的控制也更加方便；双速比齿轮箱及与之相匹配的定距螺旋桨结合不但可保证主机在两种典型工况下都能发挥额定功率．同时也解决了“可调距螺旋桨”推进系统无法克服的难题，不失为一种经济实用而有效的技术方案。

国外现状

随着近海石油资源的开发和利用以及航运业的突飞猛进的发展，与之相配套的拖轮，运输船，破冰船等船舶的应用也日渐广泛，对于多工况船舶的推进系统的研究在美国、日本以及欧洲各发达国家都受到了重视，他们对多工况船舶推进系统的研究水平也高于中国，解决问题的方法与国内的相同，再次不再赘述。

二、研究的目的及意义

当今在世界船舶中拖船、渔船、破冰船等工作分为航行工况和作业工况的多工况船舶占很大一部分，对于多工况船舶的推进系统如何能够让主机的效率发挥到最高，直接影响着船舶的经济性，而且还会对船舶对环境的污染程度、船舶动力设备的保养有影响。

船舶推进装置对船舶营运的经济性起着决定性的作用。

在选择船舶推进系统时最重要的参数是投资费用、空间要求、推进效率或相应的燃油消耗率、可靠性和在船舶营运期间推进系统的有效利用率。

为了保护环境还必须限制主、辅机排气和各种废料所造成的污染。

在船舶推进装置的设计中，发动机、螺旋桨和船舶水动力特性之间的相互作用有特殊重要意义。

只有考虑了它们的组合，而且整个系统配置为最佳时，船舶推进系统才称得上成本合理。

当今民船上尽管仍有些船型使用蒸汽轮机或燃气轮机，但最广泛使用的推进系统采用的是二冲程和四冲程柴油机。

此外，还存在柴-电或燃-电推进装置。

最广泛采用的推进主机是低速二冲程柴油机。

就已交付使用的新建船舶上装机总功率而言，低速柴油机所占份额，在过去20年期间已从60%左右稳步增长到接近80%。

中速和高速柴油机份额目前约为20%。

过去几年蒸汽轮机和燃气轮机只占1-3%。

大多数船舶装有固定螺距螺旋桨，通常由二冲程低速柴油机直接驱动。

中速和高速柴油机推进装置在大多数情况下安装可调螺距螺旋桨，可调螺距螺旋桨现在的使用范围可以涵盖所有的功率和转速。

另外，还有数种特殊设计的螺旋桨系统，对某些船型有其特殊优越性。

它包括喷水推进器、平旋推进器、舵式推进器和吊舱式推进装置。

在众多的动力设备和各种螺旋桨的配合中要是得船舶主机的效率发挥的较高而且在各种工况下都可以保持较高的效率是不容易的，因为工况改变时对于一般的简单的动力设备而言都会使其偏离最佳工况点，这样就会一起能源的浪费。

选择恰当的多工况船舶推进系统可以使船舶在不同工况下发挥出较高的效率，这样可以节约能源，提高经济性，适合国家的节能减排号召，是顺应发展趋势的。

三、多工况船舶推进系统的发展趋势

目前我国船舶一般使用定距桨，作多工况船舶推进设计时，为了兼顾各种工作工况．将某一主要工况作一些偏移进行设计。

当船东的快速性要求不能满足时，难以说清是设计同题，还是船东所提的要求不合理。

典型的多工况船舶推进器的工作特点是在某些工况螺旋桨呈重负荷，桨的转速上不去，转速低于额定转速·另一些工况螺旋桨呈轻负荷，桨的转速等于额定转逮，但扭矩低于额定扭矩。

即可能没有一个工况能利用发动机的全部功率。

所以这种工况点偏移的方法并不可取。

采用可调距螺旋桨，可以在不同的工况下调解螺距，从而避免负荷过轻或过重，这种方法可以直接使用柴油机作为驱动力，也不用改变传动轴的转速，这种方法灵活经济，但存在着螺旋桨的结构复杂等一系列的问题，所以要能广泛使用必须解决调距螺旋桨的问题。

电力推进系统可以易于调节，不用齿轮箱装置，直接操纵螺旋桨。

驱动电动机和船舶经营所需要的电力，通常由适当规格的柴油发电机供应。

由于与驱动电动机不需要机械联接，只要电气联接，因此发电装置可以安装在船上任何地方，例如在螺旋桨轴上方，这样可使机舱紧凑，在变工况的情况下电力驱动可以很好的适应，前景广阔。

四、参考文献

[1].张泽盛，超浅吃水多工况船舶推进方式探讨，船舶工程，1999年01期

[2].黄军，双减速比齿轮箱在长江推船上应用可行性研究，大连海事大学，2008年5月

[3].徐筱欣，增压高速柴油机对渔船适用性的探讨，华东船舶工业学院学报，1994年03期

[4].汤方平，喷水推进轴流泵设计及紊流数值分析，上海交通大学，2006年12月

[5].薛十龙，多传感器信息融合在船舶电力推进系统中的应用，2005年中国智能自动化会议论文集，2005年8月

[6].姜年保，拖网渔船导管桨的设计，造船技术，1995年11期

[7]顾宣炎，新型冲砂船推进装置方案探讨，机电设备，2001年04期

[8].史一鸣，船舶螺旋桨设计杂谈——船舶推进设计，武汉造船，1998年01期

[9].周广利，帅秀莲，高艳萍，“双距—定距桨”推进系统设计浅析，水运工程，2001年4月

[10].乐嘉华，船舶推进系统的优化，造船工业建设，2005年第2期

[11]任旭东，陈刚，船舶推进系统的选择，世界海运，2004年8月，第4期

[12]陈华清，负荷控制技术在船舶推进系统设计中的应用，船舶工程，2009年第3期

[13]乔鸣忠，张晓锋，朱鹏，蔡巍，变频器供电的船舶推进系统制动过程研究，武汉理工大学学报，2009年10月，第5期

[14]刘学功，宋振海，张宏凯，船舶推进中两种动态平衡的研究，舰船科学技术，2019年4月，第4期

本科毕业论文

（20届）

船舶多工况推进系统的研究

目　录

附录…………………………………………………………………………………………………………..16

摘要：

本文通过研究多种多工况船舶的工作特点，比较了多工况船舶与单一工况船舶的推进系统的不同之处，概括了多工况船舶推进系统所要满足的条件。

通过学习资料，了解了几种适合多工况船舶的推进系统，并深入研究了其中的三种推进系统：

双减速齿轮箱—定距螺旋桨推进系统；电力推进系统；调距螺旋桨推进系统的工作特点、结构以及主要设备。

最后根据多工况船舶推进系统的各自特点，预计了各种多工况船舶的未来发展方向，

关键词：

多工况船舶；推进系统；电力推进系统；双减速齿轮箱；变距螺旋桨

Abstract:

Thisarticlethroughstudiesvariousworkingcharacteristicsofthework,shipcomparedwithsingleworkingconditionsofshippropulsionsystemshipdifference,summarizedtheshippropulsionsystemworkingtomeettheconditions.Throughlearningmaterial,understandtheworkingofseveralsuitableforshippropulsionsystem,andin-depthresearchoneofthreekindsofpropulsionsystem:

doublereductiongearbox-spacerpropellerpropulsionsystem;Electricpropulsionsystem;Adjustablepropulsionsystemfrompropellerworkcharacteristics,structureandmainequipment.Finally,accordingtotheworkingcharacteristicsofshippropulsionsystem,andisexpectedtoshipthevariousworkingthefuturedevelopmentdirection

Keywords:

multi-work-conditionship;propulsionsystem;electricpropulsionsystem;doublestatereductiongearsystem;controllablepitchpropeller

1引言

1.1选题的背景及意义

随着航运业的发展，民用船和军用船的数量和种类都在快速增长，而在其中从事海上运输的船舶的数量必然是占主导地位，但是除了这种要求工况在多数时间里不要求改变的运输船之外，多工况船舶的数量也日益增长。

拖（推）轮、渔轮、港作艇、自航式挖泥船、扫雷艇和破冰船等都属于多工况船舶,它们在众多类型的船舶中占有相当比例。

这类船舶除了自由航行状态之外，在进行顶推、捕鱼、挖泥作业、扫雷作业、破冰作业等时的推进性能也是不同的。

若在非自由航行时也就是作业工况时，螺旋桨能够发挥主机的最大效率，而在自由航行时主机的功率是不能够被充分发挥的，反之亦然。

所以在多工况船舶上若应用一般运输船舶的推进系统那将会浪费一定比例的功率。

若按自航工况来设计,则在自由航行时主柴油机能在额定点运行,而转入拖曳工况时主机只能降速运转,不能发出全功率,而扭矩已达到最大允许值,这样桨叶发出的推力相对讲要损失10%-20%左右；若按拖曳工况来设计,则在拖曳作业时主机可发挥全功率,而转入自航工况时转速已达到领定值,可是产生扭矩仍小于最大扭矩,使主机功率不能充分发挥,，船的航速相对要下降10%-15%左右。

由上文可见研究多工况船舶推进系统的意义是相当重大的，这样可以使得多工况船舶能够更加充分的利用主机功率，可以使多工况船舶在运营中达到节能减排的目的。

1.2国内外相关技术的研究现状分析

多工况船舶推进系统是多工况船舶区分定速航行的运输船的主要技术区别，不同的多工况船舶应用不同的推进系统会取得不同的成效。

经过长时间的发展，多工况船舶推进系统的种类和特点也基本固定下来了，国内外多工况船舶推进系统主要的种类就是：

应用定速主机—变距桨，主机输出转速不变，若工况发生变化改变螺旋桨的螺距，从而使主机的功率能够不因螺旋桨的扭矩变化而受到影响，这种推进系统对主机的变速能力要求不高，但是螺旋桨的构造比较复杂，当然制造和维修的费用也相对其它的船舶推进系统也要高许多；

应用定速主机—减速齿轮箱推进系统，主机油量一定时主机输出的转速没有变化，当船舶工况发生变化时需要转速变化的时候需要用减速齿轮箱将输出的转速调至需求的转速，这样螺旋桨的就不需要调节螺距就可以适应多工况的要求，这种推进系统造价低，减速性能也不如调距螺旋桨因为调速齿轮箱调速是不连续的，但是对于一般的多工况船舶，只有航行工况和作业工况的船舶来说两级变速齿轮箱推进系统倒是一种经济实用的选择；

采用电力推进系统，电力推进系统已有一百多年的历史，随着现代供电系统、推进电机和微电子及信息技术的迅猛发展，电力推进系统的发展前景也日益广阔，系统的基本组成就是由柴油机为原动机带动发电机，再由发电机驱动螺旋桨，好处是工况改变时可以从电网中解列一部分发电机或并入发电机，这样可以保证在不同工况下发电机的原动机都可以有较高的效率，此外电力推进系统还有许多优势；

应用二冲程或四冲程的柴油机，选用变距螺旋桨也同样可以解决多工况船舶推进时的主机效率问题，原理就是通过调节螺距来适应外界阻力的变化。

这种措施可以比较理想的解决多工况船舶推进效率问题，但在我国实际应用时也存在着很多问题。

超导电磁推进系统是比较更加新型的船舶推进系统，它的基本原理就是利用洛伦兹力为船舶提供推进力，关键技术是产生足够强的洛伦兹力，此项技术很适合应用在多工况船舶上，工况改变时，改变通过海水的电流强度就可以提供不同的输出功率，工况改变对效率影响很小。

1.2.1国内发展现状

我国多工况船舶推进系统的发展起步比较晚，国内应用于多工况船舶的推进系统比较成熟的就是定速柴油机-双减速齿轮箱-定距螺旋桨技术，在渔船、拖轮等多工况船舶上的应用也非常广泛。

多工况船舶一般有航行和作业两种工况，例如渔船就有航行和撒网捕鱼两种工作状态，只要根据主机功率和船体有效功率求自航或拖曳工况时螺旋桨的最佳转速和最佳尺度。

系统中的核心部分是一台双速比齿轮箱，这种齿轮箱在顺车上具有“快”与“漫”两档转速变换还有倒顺、离合的功能,并能承受螺旋桨的轴向推力,这种双减速齿轮箱在国内已有相关厂家已近国外技术开始生产。

在国内目前应用在多工况船舶上的推进系统多是这种形式的。

从理论上讲，变距螺旋桨应用在多工况船舶上应该是很适合的，但是在拖轮、渔船等多工况船舶上应用变距桨国内还很少，因为变距桨制造复杂，维修也相当困难，加上国内的相关技术也不是很成熟，功率较大的变距螺旋桨质量尚待提高，而制造费用也是相当高。

当然，如果对于普通船舶改造成多工况船舶的最方便的方法就是将原有的定距螺旋桨改用变距螺旋桨。

国内关于适用于多工况船舶的其他推进系统研究也正在进行，电力推进系统、喷水推进系统等相关技术正虽然在应用上还不是很成熟但是随着我国相关科技的发展，有朝一日也会赶超外国。

1.2.2国外发展现状

国外相关技术起步较国内早很多，国内现在正在应用的技术在国外已经很成熟，比如双减速齿轮箱技术，变距螺旋桨技术，除此之外国外发达国家的其他适合多工况船舶的推进系统的技术也较国内更加先进。

电力推进系统，虽然已有一百年左右的发展历史，但是在二十世纪七十年代之前这项技术因为相关科学技术的发展制约没有得到快速的发展，随着电子电力技术的发展，电力推进系统也日渐成熟，现在电力推进系统中的一种吊舱式电力推进系统技术在各项电力推进系统中脱颖而出。

除了电力推进系统，国外许多多工况船舶推进系统技术更加先进，在国内起步更晚，比如超导电磁推进系统，最早是由美国赖斯博士提出的，利用电磁力给船舶提供前进的动力，完全没有一点震动的感觉因为没有螺旋桨，而且可以通过改变电磁力的大小来改变动力的大小，改变电磁力的方向来操纵航向，在2000年左右终于在日本第一艘铝合金制电磁推进船舶产生了。

喷水推进系统是利用流体的反冲原理设计的，可以通过调节反冲水流量来调节输出功率，也同样适合多工况船舶变工况工作，而且可以减少船体阻力，提高船速。

2多工况船舶的特点

2.1多工况船舶的特点

随着航运业的发展以及海上勘探、钻进平台的发展多工况船舶如今的数量和种类都较过去都有大幅度的增加，拖轮、消防船、溢油回收船、供应船、渔船破冰船、等都属于多工况船舶，现代多工况船舶种类多，工况条件更加复杂，所需要的推进功率也提高了许多，如果在变工况时推进效率下降，那么损失的功率更大，造成的能源浪费就更加严重。

多工况船舶的推进状况是不单一的，这里说的变工况不是指只要工况有发生变化就称之为多工况船舶，多工况船舶是指拥有不同的作业状态，不是偶然的发生变工况工作。

2.2多工况船舶——渔船

渔船是最常见的多工况船舶，渔船在出海和返航航行时与其他商业运输船的推进状态无异，可定速航行，在拖网航行时阻力就加大了许多，轴所需的扭矩大，螺旋桨的转速上不去，使得主机的转速也受到影响，主机的效率降低，而且渔船在追赶渔船、散网等作业时也要求不断地改变功率，频繁的改变主机的转速和功率使得主机的增压器给主机进气量变化速度跟不上，使得主机的功率进一步降低。

2.2.1多工况船舶——拖轮

拖轮也是比较典型的多工况船舶，在世界的各个港口码头都会有拖轮在工作，巨轮进出港、靠离码头都需要拖轮帮忙，拖轮工况不如渔船那么复杂，就有自航状态和顶推（拖拽）两种工况，两种工况所需的功率变化比较大。

2.3多工况船舶推进系统与单一工况船舶推进系统的比较

2.3.1单一工况船舶推进系统

单一工况船舶推进系统也就是通常我们所知的船舶推进系统，该推进系统的经济性也就决定了整个船舶营运的经济性，在选择船舶的推进系统是要考虑许多因素，例如：

投资成本、所需空问、效率或燃料消耗、高的可靠性以及在船舶运行期间（有效）利用率。

为了保护环境，必须限制污染，这包括：

主机和辅机散发的废气及各种形式的废料。

船舶推进系统再设计中发动机和螺旋桨之间的中间作用、船舶流体的动态特征是重要的。

现代商船推进系统中的动力多是由四冲程柴油机或二冲程柴油机提供的，经中间、轴尾轴将转矩传递给螺旋桨（一般为定距螺旋桨），螺旋桨将推动海水的反动力由推力轴承传给船体。

如果采用燃烧重油的二冲程柴油机则直接使柴油机的轴与螺旋桨的轴相连，以为一般的推进器的效率随着转速的降低而升高；若采用四冲程柴油机，由于四冲程柴油机的转速较高，直接与螺旋桨连接会使推进效率太低，所以需要一套齿轮减速装置，在发动机和减速齿轮箱之间需要安装高弹性联轴节，防止减速齿轮装置的轮齿受到过大的冲击。

单一工况船舶推进系统，大部分时间的作业工况是单一的，所以只要求在设计时保证以额定航速航行时的最大效率，这种推进系统在一部分航速航行时的效率和比额定速度航行时的低很多。

2.3.2多工况船舶推进系统的特点

多工况船舶推进系统是有须经常在两种或者两种以上的工况下工作的推进系统，这种船舶推进系统的主要特点是需要在不同工况下保证都拥有较高的推进效率。

简单来说，如果将单一工况船舶推进系统用在多工况船舶上，在有些工况可能会发生，转矩太大，螺旋桨的转速过低，使得主机的转速下降进而效率下降；有些工况可能会发生螺旋桨的转速达到额定转速，但是螺旋桨的扭矩太小，浪费掉了主机产生的功率，使得效率下降。

要在多工况下达到一定推进效率，对推进系统的要求更高，结构要比简单的单一工况推进系统复杂。

例如在某些船舶上采用“单速一定距桨”的推进系统．最大自由航速可达到17．74km／h，而采用“双速一定距桨”的推进系统，最大自由航速18．9km／h．提高幅度为6．5％，效果是比较明显的。

3多工况船舶推进系统的典型种类

3.1柴油机—双减速齿轮箱—定距螺旋桨推进系统的构成和特点

在众多多工况船舶推进系统中，柴油机—双减速齿轮箱—定距螺旋桨推进系统是成本较低，效果相对理想的。

普通减速装置在多工况船舶上应用时，当船舶柴油机在额定转速上运行时，可以的到很高的效率，当多工况船舶在另外一种工况下运转时，比如拖轮从自航状态到拖拽（顶推）工况时，螺旋桨的转矩增大，转速降低，与主机相配合的涡轮增压器就不能保证进气的压力，使得主机的油耗增大许多。

采用双减速齿轮箱—定距桨系统，可以通过减速齿轮箱的不同减速比来使得不同工况下船舶主机都能在接近额定工况下运行。

通过多艘该类型船舶采用不同推进方式的性能比较，表明导管螺旋桨优于普通螺旋桨，可调螺距螺旋桨优于导管螺旋桨，而采用变转速的电力推进导管螺旋桨最，优但由于使用可调螺距螺旋桨或电力推进方式的设备费用要大大增加，故建议在多工况船舶上配置二档变转速齿轮箱。

3.1.1双减速齿轮箱—定距螺旋桨推进系统的核心装置

双减速齿轮箱是该系统的核心机构，这种减速装置在正车方向上有高低两档可以转换，并且还有正倒车和离合功能，还能承受的住螺旋桨的轴向推力，有的双减速齿轮箱上还设有辅助输出轴接轴带发电机等其他辅助设备，控制减速齿轮箱切换的是液压动力，可以保证装置在切换工作状态的时候平稳有效。

这种减速齿轮箱功能很多，结构很紧凑占用空间小，而其装置的传动功率很大，这给设计制造带来了很大的麻烦。

当然此种技术在发达国家已经很成熟了，国内现在也有很多厂家引进国外的先进制