船舶动力系统发展史.docx

1、船舶动力系统发展史船舶动力系统发展史工业与市场 世界船舶动力系统的 发展趋势与竞争格局 曹惠芬 由船舶主机(柴油机、蒸汽轮机、燃气轮机等)、传动系统(轴系、齿轮箱、联轴节、离合器等)和推进器(螺旋桨、全向推进器、侧向推进器等)组成的船舶动力系统，是船舶上最主要和最重要的设备，平均来说，其价值约占全船设备总成本的35%，约占总船价的20%。加之，其具有军民通用性和船陆通用性，世界主要造船国家都高度重视并优先发展船舶动力系统。本文试对世界船舶动力系统的技术发展趋势和产业竞争格局做一概括分析，以期对我国船舶动力系统发展提供参考。 刘贵浙 目前，蒸汽轮机推进系统主要是在LNG船和核动力军船上应用。在现

2、有LNG船队中蒸汽轮机推进装置仍占主导地位，艘数占比达83%、舱容占比达76%。LNG船使用蒸汽轮机推进有其 液化特殊的原因:在LNG船上，气装在隔热舱中运输，仍不可避 免地有部分液化气蒸发，而将这部分天然气重新液化的费用很 安全的方式是高，因此，较经济、 用作锅炉燃料，由锅炉产生的高压蒸汽推进汽轮机。值得注意的是，由于蒸气轮机推进系统自身的不足和其他类型推进系统的竞争，在近年完工交付的LNG船中已出现了新型双燃料柴-电推进装置和低速柴油机作动力，特别是在LNG船手持订单中，采用蒸汽轮机作动力的LNG船艘数占比仅为29%、舱容占比仅为25%;而采用低速柴油机作动力装置的LNG船艘数占比为17%

3、、容积占比为24%，采用双燃料柴-电推进装置的LNG船艘数占比达到54%、容积占比达到50%。预计未来蒸气轮机推进系 3 轮机、柴油机所取代。目前，世界上各类船舶的动力系统主要有以下四种推进方式: 1.蒸汽轮机推进系统 取代往复式蒸汽机，又被柴油机所取代，目前主要在LNG船和核动力军船上应用 蒸汽轮机，又称汽轮机、蒸汽透平发动机或蒸汽涡轮发动机，是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械。由于其热效率和功率重量比比往复式蒸汽机有很大改进，发明后逐渐在军船和商船上取代了往复式蒸汽机。20世纪上半叶横跨大西洋往返于欧洲和北美的高速定期班轮多是采用蒸汽轮机作动力。20世纪60年代后，蒸汽轮机又逐渐被

4、热效率更高的柴油机所取代。蒸汽轮机推进系统，主要由蒸汽轮机、主锅炉、凝汽器、齿轮减速器、联轴节、齿轮箱、轴系、螺旋桨等设备组成，其特点是单机功率大，工作可靠，振动和噪声小， 维修费用低，可燃用廉价劣质燃料，但是，其热效率较柴油机装置低，且设备多。 一、技术发展趋势 船舶在经历了漫长的以人力、风力作为航行动力的阶段后，直到200年前才进入以机械能作为航行动力的阶段。船舶的机械推进随着蒸汽机、蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机的发明及实船应用，先后出现了由多种原动机做动力的推进方式。蒸汽机在19世纪初至20世纪初是世界航运船舶最重要的原动机，之后，逐渐被蒸汽 2010(6?船舶物资与市场 工业与市场 统的

5、应用领域将逐渐变小。作为蒸汽轮机推进系统的主要设备锅炉的技术发展趋势是:在保证安全可靠运行的基础上，减轻设备的质量、提高经济性;在不断增加蒸汽产量的同时， 因此，锅提高蒸汽的压力和温度。 炉的型式日益改进，近年来强制循环锅炉和蒸汽燃气联合装置中的增压锅炉已得到应用。蒸汽轮机的技术发展趋势是:不断增强可靠性、机动性，提高操纵性，简化设备。 全2.柴油机推进系统面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮 机，成为最主要的船舶动力，目前在各型船舶上应用 活塞往复式柴油机，是热效率最高的一种热机，具有启动迅速、部分负荷运转性能好、安全可靠、功率范围大、效率高、技术成熟等优点，而且柴油具有能量密度高、成本低、安全性好和

6、便携性等优点。 船舶主机和船舶电站多采用柴油机。自上世纪60年代起，柴油机全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机，成为最主要的船舶动力。根据二冲程柴油机和四冲程柴油机做主机不同，柴油机动力系统又分为柴油机直接驱动和柴油机齿轮传动。柴油机直接驱动就是由二冲程柴油机直接驱动螺旋桨的推进方式，它主要由低速柴油机、轴系和螺旋桨组成，主要应用在大中型远洋运输船舶上。柴油机齿轮传动就是由四冲程柴油机经过齿轮箱降速，再驱 动轴系和螺旋桨的推进形式，它主要由中速柴油机(单机驱动或多机驱动)、齿轮箱、轴系和螺旋桨(可调距螺旋桨)组成，主要应用在中小型货船、客船、滚装船、豪华游船、海洋工程辅助船和军船上。目前以柴油机为动

7、力的船舶占世界商船队的95%以上，其中，柴油机直接驱动占55%，柴柴油机齿轮传动占39%。此外，油机还是船舶燃气轮机推进系统和电力推进系统的主要设备。 作为柴油机推进系统的主要设备，低速柴油机和中速柴油机的技术发展趋势是:单机、单缸功率越来越大;不断降低排放和烟度，提高环保性能;优化产品性能，提高主机经济性;用智能型主机替代传统型主机，提高综合经济效益等。 3.燃气轮机推进系统上世纪50年代开始在商船上作主机，但从未得到大规模应用，目前主要在军船上使用 燃气轮机，又称燃气透平发 动机或燃气涡轮发动机，与蒸汽轮机、水轮机、风力发电机同属于透平机械，其优点是单位重量和尺寸小、单机功率大、机动性能高

8、、 低 缺点是经济性差、进排NOx排放， 气管道大、机舱布置困难、低负荷 运转性能差。上世纪50年代燃气轮机开始在商船上应用，但从未得到大规模应用。燃气轮机推进系齿轮箱、轴系统，主要由燃气轮机、和螺旋桨等组成。目前，燃气轮机主要在军船上使用，且舰用燃气轮 机系列已发展完善并定型，(20000Hp)左右或以上14700kW 的大功率舰用燃气轮机已发展成熟。随着燃气轮机使用范围的扩大，使用方式由一轴一机扩展到一轴多机，包括蒸汽轮机和燃气轮机联合装置、柴油机和燃气轮机联合装置、柴油机和燃气轮机交替使用装置、燃气轮机和燃气轮机联合使用装置或交替使用装置等。按不同的使用方式，用同一种燃气轮机组合的功率范

9、围基本可以覆盖从快艇到轻型航母等各类大中型水面舰艇。部分豪华游轮也配有燃气轮机和柴油机组成的混合动力系统。在一些海洋工程船舶或平台、军船和商船上也有以燃气轮机作为发电机组的原动机。 作为燃气轮机推进系统的主要设备，燃气轮机的技术发展趋势是:对现有机型进行技术改造，降低排放和信号特征，不断改善其可靠性和可用性;在简单循环燃气轮机基础上，发展回热或中冷回热船用燃气轮机，从而提高单机的功率和效率。 上世4.电力推进系统 纪90年代开始在船舶领域应用，目前除在军船上应用外，还在 小型商船上应用 船舶电力推进系统，一般指采用电动机械驱动螺旋桨来推进船舶运动的系统。它主要由原动发电机、配电系统、电动机、推

10、机、进器(螺旋桨)以及控制调节设备等组成。其中，原动机可以采用柴 2010(6?船舶物资与市场 4 工业与市场 蒸汽轮机、燃气轮机等，目油机、 前绝大多数船舶电力推进系统采用中速或高速柴油机，燃气轮机也有一定应用。根据原动机不同，电力推进系统分为柴油机电力推进和燃气轮机电力推进等;根据主回路电力不同，电力推进系统分为直流电力推进、交流电力推进和交直流电力推进等;根据电机的布置不同，电力推进系统还分为机舱式和吊舱式。电力推进系统具有操纵性强、安全、布置方便、经济、环保、舒适等优点。上世纪90年代，电力推进系统开始在船舶领域应用，除在军船领域应用外，还在豪华游船、渡船、海洋工程船舶(平台)等商船领

11、域应用。目前采用电力推进的船舶比例还较小，且多为小型船舶，原动机主要是柴油机，但是，其应用前景十分广阔。 随着双燃料发动机的成熟与应用，电力推进系统在LNG船上的应用取得重大进展。西门ABB、子、阿尔斯通等大公司已形成电力推进系统的系列成套装置，并向大功率船舶动力系统应用渗透。 推进系统的制造已基本转移至日、中三国。韩、 韩、1.船用柴油主机 日、中三国的产量占世界总产量 韩国是船用柴油机制的约85%， 造大国，现代重工集团世界市场 占有率在1/3以上 根据2009年世界造船完工量1.17亿载重吨估算，当年船用柴油主机的市场规模在5000万马力左右，其中，低速柴油机的市场规模在4250万马力左

12、右(占)，中速柴油主机的市场规模85% 在750万马力左右。低速机市场(80%MAN品牌机型占最大比例 左右)，中速主机市场瓦锡兰品牌机型占较大比例(接近40%)。 世界船用柴油主机制造集中日、中三国，目前三国船用在韩、 柴油主机产量占世界总产量的比例约在85%，其中船用低速机产量约占世界总产量的90%。韩国是世界船用柴油机制造大国，按马力计产量占世界总产量的近50%，现代重工是世界最大的船用柴油机生产商，世界市场占有率在1/3以上。斗山发动机、STX集团、三井造船都是居世界前列的船用柴油机企业。值得关注的是，韩、日、中2004年2008年， 三国都大幅扩大了船用柴油主机产能(特别是低速机)，

13、导致自2010年起全球低速机产能出现严重过剩，但是，相对于本国造船产量而言，韩、日、中三国造机能力过剩的程度不同，韩国最大，中国最小。 2.LNG船用汽轮机及锅 炉目前只有少数几家公司制造船用汽轮机及为其配套的大型锅炉，主要制造商是三菱重工、川 现代重工、三井造船及法崎重工、 国的企业 由于上世纪70年代建造的VLCC船多数采用汽轮机作主机，当时世界上有许多船用汽轮机制造商和为其配套的锅炉制造商。石油危机后，VLCC船全部改用低速柴油机做主机，船用汽轮机的需求急剧减少。目前，世界上只有少数几家公司制造船用汽轮机及为其配套的大型锅炉，制造LNG船用蒸汽轮机的企业主要是三菱重工、川崎重工和现代重工

14、，其中，川崎重工生产的汽轮机 三菱重工生约90%向国外出口， 产的汽轮机大部分供本企业和本 国销售，现代重工购买三菱重工技术生产汽轮机的历史短、能力较小，只是为本公司建造的LNG船供货。目前世界上生产为汽轮机配套的主锅炉的企业主要有三菱重工、川崎重工、三井造船及法国的企业，其中，三菱重工的生产供应能力较大。 3.船用电力推进装置ABB集团是船舶电力推进系统的发明者和领先者，科孚德机电西门子集团、肖特尔公司、公司、罗?罗公司等在该领域也分别占有一席之地 1987年ABB公司发明了吊舱式推进系统Azipod，1990年该产品首次实船应用，经过10余年 二、产业竞争格局 目前，船舶动力系统的研发、设

15、计，仍然是欧洲、美国、日本等 国家或地区居领先和垄断地位，并且，蒸汽轮机及锅炉、燃气轮机、电力推进装置的制造也分别由这些国家的企业掌控。但是，占船舶动力系统最大比例的柴油机 2010(6?船舶物资与市场 5 工业与市场 发展，Azipod吊舱系统发展为紧凑型Azipod吊舱Azipod吊舱、 和相对反转式Azipod吊舱三个系列，功率范围覆盖0.5兆瓦32兆瓦，市场占有率接近70%，并已在10多种船型上使用。此外，法国科孚德机电公司、德国西门英国罗?罗子集团和肖特尔公司、公司、美国SAM公司、芬兰瓦锡兰公司、日本川崎公司等在船舶电力推进装置市场也分别占有一席之地。 科孚德机电公司除为军船提供电

16、推系统外，占豪华游船柴油机电力推进和LNG船双燃料电力推进市场60%的份额，并为海洋工程船舶提供电力推进装置，截至2008年底，该公司已累计为315艘船舶提供了电力推进系统，总功率达3900兆瓦，其最新推出的产品是配备了PWM型MV7000变频器的电推系统。西门子集团的主要电力推进产品有SishipPAX、SishipCargo以及Si,shipDriveLV。其中，SishipPAX系统使用西门子的中压推进系统，适用于游船和客船;Siship,Cargo为混合式供电和推进系统，既可使用重油和柴油，还可使用船舶在运输过程中挥发的天然气，适用于液化天然气船;SishipDriveLV为低压 柴电

17、推进，适用于海洋工程船以及其它特种船。罗?罗公司的电推产品为采用卡玛瓦HS型螺旋桨的Mermaid吊舱推进系统，功率覆盖5兆瓦25兆瓦。SAM公司的电推产品为6 中国自主设计并制造的深海海洋科学综合考察船将采用ABB先进的Azipod吊舱式电力推进系统，大幅提高船舶燃油效率，显著降低废气排放。 与肖特尔公司共同开发的Dol, 功率覆盖5兆phin吊舱式系统， 瓦11兆瓦。 GE4.舰船用燃气轮机公司、罗?罗公司和乌克兰曙光机器设计科研生产联合体是世界三大舰用燃气轮机研制公司，阿尔 斯通公司、川崎重工、石川岛播磨重工等也研制舰用燃气轮机 GE公司是世界舰用燃气轮机最主要的制造商，其舰用燃气轮机的

18、研发和制造水平处于世界领先地位，研制的舰用燃气轮机包括LM系列的LM-500、LM-1500、LM-1600、LM-2500、LM-2500+、LM-2500+G4和LM-6000等，其中以LM-2500应用最为广泛。罗?罗公司是世界著名的舰用燃气轮机生产商之一，该公司由航空发动机整机派生的“海神”燃 气轮机、“太因”燃气轮机、“奥林 普斯”燃气轮机、“斯贝”燃气轮机、MT-30燃气轮机等已在多型舰艇上应用。乌克兰曙光机器设计科研生产联合体是2001年由“机器设计”科研生产企业和曙光生产联合体合并而成。“机器设计”科 研生产企业是1954年成立的专门为苏联海军供应燃气轮机推进装置的单位，自成立以来，设计研制了四代共30多种型号(功率325MW)的2600多台舰用燃气轮机，以及数以百计各种类型的齿轮箱和成套的燃气轮机箱装体。该企业是世界舰船燃气轮机制造的三大公司之一，占世界燃气轮机舰船的29%和总装机功率的33%。这三大舰用燃气轮机公司的产品都是不仅供本国海军使用还大量出口。? 2010(6?船舶物资与市场